机器视觉算法与应用 第二版

本书是机器视觉领域的畅销书，自第1版出版以来广受欢迎，是第一本有关机器视觉软件的教材，详细介绍了机器视觉的各种算法，以及有关这些算法的实际应用。第2版进行了全面更新、修订和扩展，以反映了年来在图像采集、机器视觉算法和应用领域的发展，新内容包括新的摄像机和图像采集接口、三维传感器及技术、三维重建、三维物体识别以及最先进的分类算法，书中所有示例都基于MVTec公司最新版本的机器视觉软件HALCON  13。

缩略词  I

第  2版前言III

第  1版前言.VII

1  Introduction简介1

2  Image  Acquisition图像采集  6

2.1  Illumination照明  .  6

2.1.1  Electromagnetic  Radiation电磁辐射  .  6

2.1.2  Types  of  Light  Sources光源类型.  9

2.1.3  Interaction  of  Light  and  Matter光与被测物间的相互作用  12

2.1.4  Using  the  Spectral  Composition  of  the  Illumination利用照明的光谱  14

2.1.5  Using  the  Directional  Properties  of  the  Illumination利用照明的方向性  18

2.2  Lenses镜头.25

2.2.1  Pinhole  Cameras针孔摄像机  26

2.2.2  Gaussian  Optics高斯光学.  27

2.2.3  Depth  of  Field景深  37

2.2.4  Telecentric  Lenses远心镜头  42

2.2.5  Tilt  Lenses  and  the  Scheimpflug  Principle倾斜镜头和沙姆定律  48

2.2.6  Lens  Aberrations镜头的像差  53

2.3  Cameras摄像机  61

2.3.1  CCD  Sensors  CCD传感器  62

2.3.2  CMOS  Sensors  CMOS传感器.  69

2.3.3  Color  Cameras彩色摄像机  72

2.3.4  Sensor  Sizes传感器尺寸  75

2.3.5  Camera  Performance摄像机性能  77

2.4  Camera–Computer  Interfaces摄像机  -计算机接口  .84

2.4.1  Analog  Video  Signals模拟视频信号.  85

2.4.2  Digital  Video  Signals数字视频信号  .  92

2.4.3  Generic  Interfaces通用接口  .116

2.4.4  Image  Acquisition  Modes图像采集模式131

2.5  3D  Image  Acquisition  Devices三维图像采集设备.134

Contents

2.5.1  Stereo  Sensors立体视觉传感器.135

2.5.2  Sheet  of  Light  Sensors片光（激光三角测量）传感器.139

2.5.3  Structured  Light  Sensors结构光传感器  142

2.5.4  Time-of-Flight  Cameras飞行时间摄像机  151

3  Machine  Vision  Algorithms机器视觉算法  .157

3.1  Fundamental  Data  Structures基本数据结构  .157

3.1.1  Images图像  158

3.1.2  Regions区域  .160

3.1.3  Subpixel-Precise  Contours亚像素精度轮廓  .164

3.2  Image  Enhancement图像增强  165

3.2.1  Gray  Value  Transformations灰度值变换  165

3.2.2  Radiometric  Calibration辐射标定170

3.2.3  Image  Smoothing图像平滑  181

3.2.4  Fourier  Transform傅里叶变换198

3.3  Geometric  Transformations几何变换205

3.3.1  Affine  Transformations仿射变换206

3.3.2  Image  Transformations图像变换209

3.3.3  Projective  Image  Transformations投影图像变换.216

3.3.4  Polar  Transformations极坐标变换  .218

3.4  Image  Segmentation图像分割  220

3.4.1  Thresholding阈值分割.220

3.4.2  Extraction  of  Connected  Components提取连通区域  .233

3.4.3  Subpixel-Precise  Thresholding亚像素精度阈值分割  237

3.5  Feature  Extraction特征提取  240

3.5.1  Region  Features区域特征  241

3.5.2  Gray  Value  Features灰度值特征  248

3.5.3  Contour  Features轮廓特征  254

3.6  Morphology形态学  .256

3.6.1  Region  Morphology区域形态学257

3.6.2  Gray  Value  Morphology灰度值形态学282

3.7  Edge  Extraction边缘提取288

3.7.1  Definition  of  Edges边缘定义289

3.7.2  1D  Edge  Extraction一维边缘提取295

3.7.3  2D  Edge  Extraction二维边缘提取305

3.7.4  Accuracy  and  Precision  of  Edges边缘的准确度和精确度  .317

Contents

3.8  Segmentation  and  Fitting  of  Geometric  Primitives几何基元的分割和拟合  328

3.8.1  Fitting  Lines直线拟合.329

3.8.2  Fitting  Circles圆拟合  336

3.8.3  Fitting  Ellipses椭圆拟合  .338

3.8.4  Segmentation  of  Contours轮廓分割  .341

3.9  Camera  Calibration摄像机标定  .347

3.9.1  Camera  Models  for  Area  Scan  Cameras  with  Regular  Lenses普通镜头与面阵摄像机组成的摄像机模型.349

3.9.2  Camera  Models  for  Area  Scan  Cameras  with  Tilt  Lenses倾斜镜头和面阵摄像机组成的摄像机模型.357

3.9.3  Camera  Model  for  Line  Scan  Cameras线阵摄像机的摄像机模型363

3.9.4  Calibration  Process标定过程  .370

3.9.5  World  Coordinates  from  Single  Images从单幅图像中提取世界坐标380

3.9.6  Accuracy  of  the  Camera  Parameters摄像机参数的准确度  .386

3.10  3D  Reconstruction三维重构.390

3.10.1  Stereo  Reconstruction立体重构  .390

3.10.2  Sheet  of  Light  Reconstruction激光三角测量法（片光）重建412

3.10.3  Structured  Light  Reconstruction结构光重建  416

3.11  Template  Matching模板匹配  .424

3.11.1  Gray-Value-Based  Template  Matching基于灰度值的模板匹配  .426

3.11.2  Matching  Using  Image  Pyramids使用图形金字塔进行匹配  434

3.11.3  Subpixel-Accurate  Gray-Value-Based  Matching基于灰度值的亚像素精度匹配  .441

3.11.4  Template  Matching  with  Rotations  and  Scalings带旋转与缩放的模板匹配.441

3.11.5  Robust  Template  Matching可靠的模板匹配算法.443

3.12  3D  Object  Recognition三维物体识别476

3.12.1  Deformable  Matching变形匹配  478

3.12.2  Shape-Based  3D  Matching基于形状的三维匹配  493

3.12.3  Surface-Based  3D  Matching基于表面的三维匹配  510

3.13  Hand–Eye  Calibration手眼标定  .526

3.13.1  Introduction前言  527

3.13.2  Problem  Definition问题定义  529

3.13.3  Dual  Quaternions  and  Screw  Theory对偶四元数和螺旋理论  .533

3.13.4  Linear  Hand–Eye  Calibration线性手眼标定540

3.13.5  Nonlinear  Hand–Eye  Calibration非线性手眼标定  .545

3.13.6  Hand–Eye  Calibration  of  SCARA  Robots  SCARA机器人手眼标定  .547

3.14  Optical  Character  Recognition光学字符识别  (OCR)  .551

3.14.1  Character  Segmentation字符分割  552

Contents

3.14.2  Feature  Extraction特征提取  555

3.15  Classification分类  .560

3.15.1  Decision  Theory决策理论  560

3.15.2  Classifiers  Based  on  Estimating  Class  Probabilities基于估计概率的分类器  .566

3.15.3  Classifiers  Based  on  Constructing  Separating  Hypersurfaces基于构造分离超曲面的分类器  .573

3.15.4  Example  of  Using  Classifiers  for  OCR使用分类器用于  OCR的例子606

4  Machine  Vision  Applications机器视觉应用.608

4.1  Wafer  Dicing半导体晶片切割  608

4.1.1  Determining  the  Width  and  Height  of  the  Dies确定芯片的宽度和高度609

4.1.2  Determining  the  Position  of  the  Dies确定芯片的位置  .612

4.1.3  exercises练习  616

4.2  Reading  of  Serial  Numbers序列号读取  .617

4.2.1  Rectifying  the  Image  Using  a  Polar  Transformation使用极坐标变换对图像进行校正  618

4.2.2  Segmenting  the  Characters字符分割622

4.2.3  Reading  the  Characters读取字符.624

4.2.4  exercises练习  625

4.3  Inspection  of  Saw  Blades锯片检测  .626

4.3.1  Extracting  the  Saw  Blade  Contour提取锯片的轮廓  627

4.3.2  Extracting  the  Teeth  of  the  Saw  Blade提取锯片上的锯齿.628

4.3.3  Measuring  the  Angles  of  the  Teeth  of  the  Saw  Blade测量锯片锯齿的角度  .630

4.3.4  exercises练习  632

4.4  Print  Inspection印刷检测  632

4.4.1  Creating  the  Model  of  the  Correct  Print  on  the  Relay创建继电器上正确印刷信息的模型.633

4.4.2  Creating  the  Model  to  Align  the  Relays创建一个用于对齐继电器的模型  .635

4.4.3  Performing  the  Print  Inspection印刷检测  636

4.4.4  exercises练习  637

4.5  Inspection  of  Ball  Grid  Arrays  BGA封装检查  638

4.5.1  Finding  Balls  with  Shape  Defects找出有形状缺陷的焊锡球.639

4.5.2  Constructing  a  Geometric  Model  of  a  Correct  BGA构造一个正确的  BGA几何模型  642

4.5.3  Finding  Missing  and  Extraneous  Balls检测缺失或多余的焊锡球644

4.5.4  Finding  Displaced  Balls检测位置错误的焊锡球.647

Contents

XV

4.5.5  exercises练习  649

4.6  Surface  Inspection表面检测.649

4.6.1  Segmenting  the  Doorknob分割门把手651

4.6.2  Finding  the  Surface  to  Inspect找到需要检测的平面652

4.6.3  Detecting  Defects缺陷检测657

4.6.4  exercises练习  660

4.7  Measurement  of  Spark  Plugs火花塞测量  660

4.7.1  Calibrating  the  Camera标定摄像机  .662

4.7.2  Determining  the  Position  of  the  Spark  Plug确定火花塞的位置  .664

4.7.3  Performing  the  Measurement测量  .666

4.7.4  exercises练习  669

4.8  Molding  Flash  Detection模制品披峰检测  .669

4.8.1  Molding  Flash  Detection  Using  Region  Morphology区域形态学方法检测模制品毛边  671

4.8.2  Molding  Flash  Detection  with  Subpixel-Precise  Contours使用亚像素精度轮廓检测模制品毛边  .675

4.8.3  exercises练习  679

4.9  Inspection  of  Punched  Sheets冲孔板检查  .679

4.9.1  Extracting  the  Boundaries  of  the  Punched  Sheets提取冲孔板的边界.681

4.9.2  Performing  the  Inspection边缘检测  .683

4.9.3  exercises练习  685

4.10  3D  Plane  Reconstruction  with  Stereo使用双目立体视觉系统进行三维平面重构  .685

4.10.1  Calibrating  the  Stereo  Setup标定立体视觉系统  686

4.10.2  Performing  the  3D  Reconstruction  and  Inspection进行三维重构及检测  .688

4.10.3  exercises练习  695

4.11  Pose  Verification  of  Resistors电阻姿态检验  .695

4.11.1  Creating  Models  of  the  Resistors创建电阻模型.696

4.11.2  Verifying  the  Pose  and  Type  of  the  Resistors检测电阻的位姿和类型  .700

4.11.3  exercises练习  703

4.12  Classification  of  Non-Woven  Fabrics非织造布分类.704

4.12.1  Training  the  Classifier训练分类器  704

4.12.2  Performing  the  Texture  Classification进行纹理分类708

4.12.3  exercises练习  710

4.13  Surface  Comparison表面比对.711

4.13.1  Creating  the  Reference  Model创建参考模型  .711

4.13.2  Reconstructing  and  Aligning  Objects重构和对齐物体  .714

Contents

4.13.3  Comparing  Objects  and  Classifying  Errors对比物体并且对错误进行分类.715

4.13.4  exercises练习  722

4.14  3D  Pick-and-Place三维取放.722

4.14.1  Performing  the  Hand–Eye  Calibration手眼标定  .723

4.14.2  Defining  the  Grasping  Point定义抓取点  .728

4.14.3  Picking  and  Placing  Objects取放物体  731

4.14.4  exercises练习  733

References参考文献  735

Index索引  .751