机器视觉 张广军

机器视觉 张广军编著 舞实撤 北京 内容简介 本书系统地介绍了机器视觉的基础理论、方法及关键技术与实用算 法,并给出了应用实例。本书涉及机器视觉中的主要研究方向,主要内容 包括空间几何变换与摄像杋模型、视觉图像特征信息提取、摄像机标定 双目立体视觉、结构光三维视觉、其他三维视觉技术、多传感器三维视 觉、运动视觉分析及小型构件内表面三维形貌视觉检测和天文导航两个应 用实例。 本书可作为信息处理、计算机、机器人、人工智能、自动化及仪器仪 表等专业的高年级本科生和研究生的教材,也可供从事相关专业和机器视 觉研究工作的技术人员参考。 田书在版编目(CIP)数据 机器视觉/张广军编著.一北京:科学出版社,2005 ISBN703014717-0 I.机...II.张...III.计算机视觉研究生-教材IV.TP302.7 中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第001611号 贵任编辑:马长芳潘继敏/贵任校对:赵桂芬 责任印制:钱玉芬/封面设计:耕者创作室 鼻學宀腹竑出版 北京东莢城根北街16号 邮政培:100717 http:/www.sciencep.com 服即剩∫印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2005年6月第 版开本:B5(720×1000 2005年6月第一次印刷印张:173/4 印数:1-3000 字数:344000 (如有印装质量问题,我社负贲调换〈环伟)) 前言 随着信号处理理论和电子、计算机等相关技术的发展,机器视觉得到了迅速 发展,并以其非接触、实时、可视化好、自动化和智能性高等特点在国民经济、 科学研究及国防建设等领域得到广泛的应用,受到各国各行业的高度重视。 机器视觉涉及光学、光电子学、图像处理、模式识别、信号处理、人工智能 及计算机技术等诸多学科领域,内容广泛。本书按照机器视觉所涉及的内容和主 要研究方向来安排,较系统地介绍了机器视觉的基础理论、方法及关键技术与实 用算法,并给出了应用实例。与当前同类书相比,本书既有较为系统的机器视觉 理论与算法,又有一定篇幅的机器视觉关键技术及工程应用内容,并融入了最新 技术和科研成果。全书共分11章,第1章为引论,第2章介绍了空间几何变换 与摄像机模型,第3章介绍了视觉图像特征信息提取,第4章介绍了摄像机标 定,第5章介绍了双目立体视觉,第6章介绍了结构光三维视觉,第7章介绍了 其他三维视觉技术,第8章介绍了多传感器三维视觉,第9章介绍了运动视觉分 析,第10章介绍了小型构件内表面三维形貌视觉检测,第11章介绍了天文 导航。 本书是在作者十多年从事机器视觉研究和研究生教学,并参考和引用了国内 外相关文献和研究成果的基础上编著而成的,同时也是作者所在研究组十多年机 器视觉研究工作的总结,具有较好的基础性、系统性、先进性和实用性。 近十年来,本书作者在机器视觉研究工作中获得了多项研究基金和研究计划 资助,其中有国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、民用航天重大研究项 目、教育部跨世纪优秀人才培养计划、北京市科技新星计划、航空科学基金等十 余项项目的资助。作者对就这些研究基金和研究计划给以资助的国家自然科学基 金委员会、国防科工委科技质量司、教育部科技司、北京市科委、航空科学基金 办公室等有关部门表示感谢。 在本书编著过程中,得到了各方面的大力支持和专家、同事的帮助。作者要 特别感谢天津大学叶声华院士对作者多年的关心和帮助。作者也十分感谢研究组 的周富强、魏振忠、江洁、贺俊吉、魏新国、郝学涛、孙军华等同事和同学们, 本书介绍的许多工作是由他们具体完成的。 机器视觉 本书参考和引用的参考文献与研究成果已在文中列出或说明,感兴趣的读者 可直接查阅。 机器视觉内容十分广泛,涉及诸多学科领域。由于作者水平有限,经验不 足,书中不妥之处在所难免,敬请读者批评指正。 张广军 2004年8月 目录 前喜 第1章引论 1.1机器视觉的发展及系统构成... 1.2Marr的视觉理论框架... 5 1.3机器视觉的应用领域及面临问题 1.4本书各章内容简介... 11 思考与练习题...............................................................12 参考文献.................. 12 第2章空间几何变换与摄像机模型 14 2.1空间几何变换... ...........................14 22几何变换的不变量.............................................18 2.3欧氏空间的刚体变换... 21 2.4摄像机透视投影模型 24 2.5摄像机透视投影近似模型................................................27 思考与练习题............ 32 参考文献 .....................32 第3章视觉图像特征信息提取 33 3.1图像边缘与图像平滑 33 32一阶微分边缘检测算子... 37 3.3二阶微分边缘检测算子 42 3.4子像素级边缘检测 45 35角点探测器 50 36形状特征分析...... ..................53 3.7椭圆孔图像中心的提取 56 3.8空间椭圆中心图像位置的提取 58 3.9给定形状曲线的检测— Hough变换 63 思考与练习题 67 参考文献 67 第4章摄慷机标定... 69 41非线性优化方法 69 ·Iv· 机器視觉 4.2基于3D立体靶标的摄像机标定.......................................76 43基于径向约束的摄像机标定...... 79 4.4基于2D平面靶标的摄像机标定 84 4.5机器人手眼定标 89 4.6摄像机自标定技术 92 4.7基于交比不变的摄像机畸变系数标定... 94 思考与练习题 ..................................................................97 参考文献 97 第5章双目立体视觉 99 5.1双目立体视觉原理... ..................99 5.2双目立体视觉的精度分析 .................................102 5.3双目立体视觉的系统结构 .........105 5.4双目立体视觉中的极线几何 108 5.5双目立体视觉中的对应点匹配... 112 56双目立体视觉系统标定... ...........................122 思考与练习题... ......125 参考文献... 125 第6章结构光三维视觉... 127 6.1结构光三维视觉原理... ......127 6.2结构光光模式投射系统... .....................134 6.3结构光三维视觉常规标定方法... ......139 6.4基于交比不变的标定方法... 143 6.5基于自由移动平面靶标的现场标定方法 ...147 6.6基于神经网络的标定方法 150 思考与练习题 155 参考文献... 155 第7章其他三维视觉技术...... ............156 7.1光度立体视觉 ...........................156 7.2由纹理恢复形状 163 7.3激光测距法... 167 7.4莫尔阴影与散焦测距 173 思考与练习题... ...............178 参考文献 178 第8章多传感器三维视觉 180 8.1多传感器三维视觉系统... 180 目录 8.2全局标定方法 186 8.3全局标定系统 193 8.4全局标定精度分析与评价 200 思考与练习题...............................................................206 参考文献 ......206 第9章运动视觉分析...... 207 9.1图像运动特征提取 ...207 92基于光流的运动分析 .................................210 9.3光流计算................................................214 9.4基于二维点匹配的运动分析 218 9.5基于二维直线匹配的运动计算 221 9.6基于三维点匹配的运动估计.......................................224 思考与练习题 227 参考文献 228 第10章应用实例1——一小型构件内表面三维形貌视觉检测 229 10.1概述 中·,,··,·,·,·,,康,,,甲·,,着,,,·., D 229 10.2系统硬件与软件构成 ..............................233 10.3图像特征分析与提取 239 10.4系统标定与测量应用 244 思考与练习题 249 参考文献 .............................................249 第11章应用实例I天文导航 250 11.1概述... 250 11.2CMOS图像传感器驱动及图像预处理 254 11.3基于径向和环向特征的星图识别... 262 11.4改进的三角形算法星图识别 267 思考与练习题... 273 参考文献..................... 273