Sachverhalt:
A. X._ wurde mit Urteil des Kriminalgerichts des Kantons Luzern vom 10. November 2006 der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern nach Art. 187 Ziff. 1 Abs. 1 StGB schuldig gesprochen und bei Annahme einer in leichtem Grade verminderten Zurechnungsfähigkeit zu 18 Monaten Gefängnis verurteilt, bedingt vollziehbar bei einer Probezeit von 3 Jahren. X._ wurde zur Bezahlung von Schadenersatz und Genugtuung an die Privatkläger verpflichtet, wobei die Zivilansprüche zur Festsetzung der Schadenshöhe an den Zivilrichter verwiesen wurden.
B. Gegen dieses Urteil appellierte X._. Das Obergericht des Kantons Luzern, II. Kammer, bestätigte mit Urteil vom 16. Januar 2008 in Anwendung des neuen Rechts die Strafe im Schuld- und Strafpunkt.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, die Beschwerde in Strafsachen, eventuell die subsidiäre Verfassungsbeschwerde, sei gutzuheissen. Demnach sei das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern aufzuheben, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. Eventualiter sei er milde mit einer Geldstrafe, eventuell mit einer Freiheitsstrafe unter 18 Monaten, beides bedingt vollziehbar bei einer Probezeit von höchstens drei Jahren zu bestrafen. Die Zivilforderungen seien abzuweisen, eventuell an den Zivilrichter zu verweisen. Eventualiter sei die Sache im Sinne der Erwägungen zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Zudem ersucht X._ um unentgeltliche Prozessführung.
Erwägungen:
1. Die Beschwerde richtet sich gegen einen kantonal letztinstanzlichen Entscheid in Strafsachen (Art. 78 i.V.m. Art. 80 BGG). Auf die Beschwerde in Strafsachen ist einzutreten, womit kein Raum für die subsidiäre Verfassungsbeschwerde bleibt.
2. Die Vorinstanz geht von folgendem Sachverhalt aus (vgl. angefochtenes Urteil S. 15 ff.):
Der Beschwerdeführer verübte zahlreiche sexuelle Übergriffe an C._ (geb. 22. Dezember 1985), Tochter seiner damaligen Lebenspartnerin. Im Zeitraum vom Sommer 1996 bis Februar 1997 legte er sich mehrmals pro Woche jeweils am Morgen hinter C._ ins Bett und streichelte sie zwischen den Oberschenkeln, über dem Slip an der Scheide und über dem T-Shirt an den Brüsten. Einmal führte er ihre Hand an sein erigiertes Glied und ein weiteres Mal fasste er beim Massieren ihres Rückens an ihre nackten Brüste. Im Sommer 1997 zog der Beschwerdeführer zur Familie seines Bruders. Ab diesem Zeitpunkt begann er über einen Zeitraum von rund vier Jahren, mindestens ein bis drei Mal pro Monat sexuelle Handlungen an dessen Kinder B._ (geb. 18. Januar 1989) und A._ (geb. 27. Juli 1990) vorzunehmen. Im Wesentlichen fasste er beiden Kindern unter dem Slip an die Scheide und unter dem Pullover an die Brüste und gab ihnen Zungenküsse.
3. Der Beschwerdeführer rügt eine unrichtige Feststellung des Sachverhalts (Art. 97 Abs. 1 BGG), welche auf verschiedene Rechtsverletzungen beruhe. Die Vorinstanz habe anlässlich der zwei Videobefragungen der Opfer seine Verteidigungsrechte und damit seinen Anspruch auf das rechtliche Gehör verletzt. Das Gutachten zu seiner Schuldfähigkeit verstosse gegen den Grundsatz der Unschuldsvermutung. Weiter habe die Vorinstanz unter dem Grundsatz des fairen Verfahrens (Art. 29 Abs. 1 BV) das Beschleunigungsgebot und das Verschlechterungsverbot verletzt.
3.1 Die Vorinstanz führt zu den Aussagen der Belastungszeugen aus, die zweiten Befragungen seien rechtskonform und unter Wahrung der verfassungsmässigen Verteidigungsrechte des Beschwerdeführers abgelaufen. Die Ergänzungsfragen seien nicht suggestiv gestellt und einige Änderungen nur zur besseren Verständlichkeit bzw. Kindgerechtigkeit vorgenommen worden. Die Videoaufzeichnungen zusammen mit den Wortprotokollen der zweiten Befragungen dürften somit verwendet werden. Dem Anspruch auf Ergänzungsfragen sei Genüge getan, wenn dem Beschuldigten wenigstens einmal angemessen und hinreichend Gelegenheit gegeben werde, das Zeugnis in Zweifel zu ziehen und Fragen an den Zeugen zu stellen, was auch in einem späteren Verfahrensstadium erfolgen könne. Deshalb müssten die Aufnahmen und Protokolle der ersten Befragungen nicht aus den Akten entfernt werden. Weiter hält die Vorinstanz fest, die Beweiskraft des psychiatrisch-forensischen Gutachtens vom 11. November 2004 bestehe einzig hinsichtlich der Frage der Zurechnungsfähigkeit des Beschwerdeführers, nicht aber hinsichtlich des Schuldbefunds. Es sei nicht zu beanstanden, dass der Gutachter bei der Beurteilung der Pädophilie des Beschwerdeführers auf die Hypothese abstellte, dieser habe die ihm vorgeworfenen Handlungen tatsächlich begangen. Anders hätte der Gutachterauftrag gar nicht erfüllt werden können. Die Beweiswürdigung würde nicht in der Kompetenz des Gutachters liegen, weshalb keine Verletzung der Unschuldsvermutung gegeben sei. Bei den vom Beschwerdeführer bemängelten "Fehlern und Unstimmigkeiten" im Gutachten würde es sich ausschliesslich um Nebenpunkte handeln, welche für die vom Gutachter zu beantwortende Frage der Schuldfähigkeit in keiner Art und Weise von Bedeutung seien (Datum eines Besprechungstermins, Geburtsjahr des Bruders des Beschwerdeführers, usw.). Es gebe auch keine Veranlassung, den Abklärungsbericht des SozialBeratungsZentrums (nachfolgend SoBZ) vom 31. Juli 2002 aus dem Recht zu weisen. Dieser Bericht diene nicht als Beweis dafür, dass der Beschwerdeführer die vorgeworfenen sexuellen Handlungen begangen habe. Nach dem Gesagten sei der rechtserhebliche Sachverhalt aktenmässig erstellt. Inwieweit das erstinstanzliche Urteil die in der Appellationsbegründung aufgeführten Grundrechte und Verfahrensgarantien verletze, sei nicht ersichtlich und werde vom Beschwerdeführer auch nicht substanziiert begründet. In materieller Hinsicht erachtet die Vorinstanz die Aussagen der Opfer als glaubhaft. Die unbelegte Vermutung des Beschwerdeführers, hinter den Aussagen der Opfer würden finanzielle Interessen ihrer Eltern stehen, erscheine als blosse Schutzbehauptung (angefochtenes Urteil S. 7 ff.). Schliesslich hält die Vorinstanz zum Vorwurf der Verletzung des Beschleunigungsgebots fest, es sei offensichtlich, dass die erste Instanz die Verfahrensverzögerung bei der Strafzumessung berücksichtigt habe. Sonst hätte sie angesichts der von ihr dargestellten Schwere des Verschuldens mit Bestimmtheit nicht auf eine Freiheitsstrafe von 18 Monaten erkannt, welche in objektiver Hinsicht die Gewährung des bedingten Strafvollzugs ermöglichte. Die als zu lang gerügte Dauer von rund acht Monaten vom erstinstanzlichen Urteilsspruch bis zum Versand des begründeten Urteils sei wegen dem Umfang der Strafsache nicht übermässig lange, so dass eine zusätzliche Strafmilderung mit Sicherheit nicht zu begründen sei. Die Strafe von 18 Monaten Gefängnis sei gerade noch - an der unteren Grenze des Ermessensspielraums - angemessen. Der bedingte Strafvollzug sei zu gewähren, weil aufgrund des Verschlechterungsverbots eine härtere als die vorinstanzliche Strafe zum Vornherein ausgeschlossen sei (angefochtenes Urteil S. 21 ff.).
3.2 Der Beschwerdeführer rügt die Verletzung seines Anspruchs auf rechtliches Gehör. Anlässlich der beiden Videobefragungen der Opfer habe er seine Verteidigungsrechte nicht wahrnehmen können. Bei den ersten Videobefragungen im Herbst 2002 sei ihm die Teilnahme verunmöglicht worden. Diese Befragungen hätten ausschliesslich auf dem Abklärungsbericht des SoBZ basiert, in welchem er vor der Eröffnung des Strafverfahrens vorverurteilt worden sei. Der Abklärungsbericht sei beim Amtsstatthalteramt eingegangen, woraufhin der Gemeinderat Strafanzeige erstattet habe und die Videobefragungen in Auftrag gegeben worden seien. Folglich seien die Befragungen als Opfer- und nicht als Zeugenbefragungen durchgeführt worden. Entgegen den Ausführungen der Vorinstanz habe er deshalb nie von seinem Fragerecht Gebrauch machen können. Gestützt auf die Rechtsprechung des Bundesgerichts sowie des EGMR sei keine rechtliche Grundlage gegeben, die Verteidigungsrechte anlässlich der zweiten Videobefragungen auf Ergänzungsfragen zu beschränken. Der Schutz der Opfer gestützt auf das OHG sei über seine von der Verfassung garantierten Verteidigungsrechte gestellt worden (Beschwerde S. 16 ff.). Weiter bringt der Beschwerdeführer vor, der Gutachterauftrag bzw. der Fragenkatalog als auch das Gutachten selbst würden den Grundsatz der Unschuldsvermutung verletzen. Gemäss der Formulierung der Fragen sei seine Delinquenz als Tatsache angesehen worden. Das Gutachten enthalte von den Vorinstanzen anerkannte Fehler und Unstimmigkeiten, welche Ausdruck der unseriösen und oberflächlichen Arbeitsweise des vorverurteilenden Gutachters seien. Ebenfalls sei der Abklärungsbericht des SoBZ - gestützt auf welchen das Strafverfahren seinen Gang genommen habe - von einem strafrechtlich relevanten Verhalten ausgegangen. Weiter sei auch der aus der Unschuldsvermutung folgende Grundsatz "in dubio pro reo" verletzt worden. Betreffend die Häufigkeit der behaupteten Übergriffe würde die Vorinstanz zu seinen Ungunsten von einer Zahl ausgehen, welche mit den widersprüchlichen Aussagen der Opfer nicht vereinbar sei (Beschwerde S. 28 ff.). Der Beschwerdeführer macht weiter geltend, beide Vorinstanzen hätten die Verletzung des Beschleunigungsgebots festgestellt. Die Vorinstanz verschweige aber, dass die erste Instanz die Verletzung aufgrund seiner angeblichen "Verzögerungs-Mitverantwortung" bei der Strafzumessung ungenügend berücksichtigt habe. Ihm könne jedoch kein Verschulden an der Verzögerung des Verfahrens angelastet werden (Beschwerde S. 43 ff.). Schliesslich habe die Vorinstanz das Verschlechterungsverbot und damit das Willkürverbot verletzt, indem sie dieselbe Strafe wie die erste Instanz ausgefällt habe, jedoch mit einer zu seinen Gunsten abgeänderten Begründung. Dies müsse im Zusammenhang mit der Verletzung des Beschleunigungsgebots zwingend zu einer Freiheitsstrafe unter 18 Monaten führen. Folglich müsse auch die Höhe der Genugtuung neu beurteilt werden (Beschwerde S. 50 ff.).
3.3 Vorab ist festzuhalten, dass sich der Beschwerdeführer trotz ausführlicher Beschwerdeschrift grundsätzlich nicht rechtsgenügend mit den Ausführungen der Vorinstanz auseinandersetzt. Seine Beschwerdeschrift stimmt in vielen Punkten mit der Appellationsbegründung überein. So stellt der Beschwerdeführer der Beweiswürdigung der Vorinstanz lediglich seine bereits im kantonalen Verfahren erhobenen Tatsachenbehauptungen gegenüber, ohne zu erörtern, inwiefern der Entscheid (auch) im Ergebnis schlechterdings unhaltbar sein sollte (vgl. BGE 129 I 173 E. 3.1 S. 178 mit Hinweisen). Seine Vorbringen erschöpfen sich weitgehend in einer unzulässigen appellatorischen Kritik am angefochtenen Urteil und genügen folglich den Begründungsanforderungen gemäss Art. 106 Abs. 2 BGG nicht (vgl. BGE 133 II 249 E. 1.4.3 S. 254 f. mit Hinweis). Die Vorinstanz konnte, ohne in Willkür zu verfallen, den Sachverhalt als erstellt ansehen. Gestützt darauf erweist sich die Rüge der Verletzung der Unschuldsvermutung als unbegründet.
3.4 Der in Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK garantierte Anspruch des Angeschuldigten, den Belastungszeugen Fragen zu stellen, ist ein besonderer Aspekt des Rechts auf ein faires Verfahren nach Art. 6 Ziff. 1 EMRK. Entsprechend sind Beschwerden wie die hier zu beurteilende unter dem Blickwinkel beider Bestimmungen zu prüfen. Mit der Garantie von Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK soll ausgeschlossen werden, dass ein Strafurteil auf Aussagen von Zeugen abgestützt wird, ohne dass dem Beschuldigten wenigstens einmal angemessene und hinreichende Gelegenheit gegeben wurde, das Zeugnis in Zweifel zu ziehen und Fragen an den Zeugen zu stellen. Dieser Anspruch wird als Konkretisierung des rechtlichen Gehörs (Art. 29 Abs. 2 BV) auch durch Art. 32 Abs. 2 BV gewährleistet. Ziel der genannten Normen ist die Wahrung der Waffengleichheit und die Gewährung eines fairen Verfahrens (BGE 131 I 476 E. 2.2 S. 480 mit Hinweis). Damit die Verteidigungsrechte gewahrt sind, ist erforderlich, dass die Gelegenheit der Befragung angemessen und ausreichend ist und die Befragung tatsächlich wirksam ausgeübt werden kann. Der Beschuldigte muss namentlich in der Lage sein, die Glaubhaftigkeit einer Aussage prüfen und den Beweiswert in kontradiktorischer Weise auf die Probe und in Frage stellen zu können (BGE 133 I 33 E. 2.2 S. 37 mit Hinweisen). Das kann entweder zum Zeitpunkt erfolgen, zu dem der Belastungszeuge seine Aussage macht, oder auch in einem späteren Verfahrensstadium (BGE 131 I 476 E. 2.2 S. 481 mit Hinweis). Konnte der Beschuldigte beim Zeugenverhör nicht anwesend sein, hat er das Recht, das Aussageprotokoll einzusehen und schriftlich Ergänzungsfragen zu stellen (Urteil des Bundesgerichts 6B_45/2008 E. 2.4 vom 2. Juni 2008 mit Hinweisen).
Im Sinne dieser Rechtsprechung erweist sich der Einwand des Beschwerdeführers, wonach seine Verteidigungsrechte anlässlich der zweiten Videobefragungen zu Unrecht auf Ergänzungsfragen beschränkt worden seien, als unbegründet. Die Vorinstanz stellt sich zu Recht auf den Standpunkt, dass seine Verteidigungsrechte ausreichend gewahrt wurden. Gemäss Art. 109 Abs. 3 BGG kann auf ihre Ausführungen verwiesen werden. Somit ist die Rüge abzuweisen, soweit darauf überhaupt eingetreten werden kann.
3.5 Weiter rügt der Beschwerdeführer eine Verletzung des Beschleunigungsgebots und des Verschlechterungsverbots und beruft sich dafür auf den in der Verfassung und der EMRK verankerten Grundsatz der Verfahrensfairness und auf das Willkürverbot. Ob er die Begründungsanforderungen von Art. 106 Abs. 2 BGG erfüllt (vgl. E. 3.3 hiervor), kann aus nachfolgenden Gründen offen bleiben.
3.5.1 Wie die Vorinstanz zutreffend ausführt, liegt bei einer Gesamtbetrachtung der Komplexität der vorliegenden Angelegenheit und dem zeitlichen Ablauf keine krasse Zeitlücke seitens der Strafbehörde vor (vgl. BGE 130 IV 54 E. 3.3.3 S. 56 f. mit Hinweisen). Wiederum ergibt sich unter Hinweis auf ihre Ausführungen (Art. 109 Abs. 3 BGG), dass die Rüge der Verletzung des Beschleunigungsgebots unbegründet ist.
3.5.2 Das Verbot, ein Urteil, das nur vom Verurteilten angefochten wird, zu dessen Nachteil abzuändern (Verschlechterungsverbot; Verbot der reformatio in peius), ergibt sich primär aus dem kantonalen Prozessrecht. Es zählt nicht zu den verfassungsmässigen Rechten des Bundes oder der Kantone und lässt sich nicht aus der EMRK herleiten (Urteil 6B_422/2007 vom 22. Januar 2008 E. 5.4.2 mit Hinweis). Für den vorliegenden Fall stützt sich das Verschlechterungsverbot auf § 236 Abs. 2 StPO/LU. Wie die Vorinstanz zu Recht vorbringt, hat sie durch die Bestätigung des Schuldspruchs keine schwerere Strafe als die erste Instanz ausgesprochen. Dabei hat die Vorinstanz festgehalten, die erstinstanzliche Strafe sei gerade noch im Rahmen des Ermessens. Der Einwand des Beschwerdeführers, sie habe die gleiche Strafe mit einer zu seinen Gunsten abgeänderten Begründung ausgesprochen, ist demnach unbehelflich. Folglich erübrigt es sich, auf seine Rügen betreffend die Zivilansprüche einzugehen.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind die Gerichtskosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Die Rechtsbegehren des Beschwerdeführers erschienen von vornherein aussichtslos, weshalb sein Ersuchen um unentgeltliche Rechtspflege abzuweisen ist (Art. 64 Abs. 1 BGG). Im Übrigen ist seine Bedürftigkeit nicht genügend dargetan.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Luzern, II. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 13. Oktober 2008
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Schneider Binz