前言

隨著計算機技術、光電子技術、信號處理理論與技術、人工智能理論與技術的發展，近年來機器視覺得到了飛速的發展和廣泛的應用，在科研和實際生產中發揮了重要的作用。以深度學習為代表的機器學習正在學術界和工業界大放異彩。機器視覺與機器學習作為人工智能的重要分支，很大程度上代表了人工智能的發展水平，在人工智能領域的地位不言而喻。相關行業對從事機器視覺、人工智能領域的人才需求量持續增加。

機器視覺是國內外高校本科生和研究生的重要專業課，具有廣泛的應用背景，對本科生、研究生的學習、研究和工作具有重要影響。該課程涉及信號處理、數字圖像處理、模式識別、人工智能和光電子等領域，是一門交叉學科，具有很強的專業性。機器視覺課程內容很多，既包含大量的基礎理論，也包含豐富的實驗。迄今為止，國內外涌現了許多優秀、經典的教材，比如美國麻省理工學院的Berthold Horn教授編寫的《Robot Vision》已經成為機器視覺的經典教材。Dana Ballard和Christopher Brown編寫的《Computer Vision》教材內容豐富，尤其偏重于一些非常專業的內容。David Marr編寫的《Vision：A Computational Investiga-tion》偏重于機器視覺和生物視覺系統相聯系的內容。在國內，也出現了許多優秀的機器視覺教材，比如張廣軍教授編寫的《機器視覺》。另外，國內外還有許多其他優秀的教材，這里不再一一列舉。

機器視覺發展迅速，由于出版時間等原因，關于機器視覺與機器學習的一些最新研究成果，在一些優秀的教材中體現得不是特別充分。比如，基于結構光的三維測量技術在近些年受到廣泛關注和研究，在Optics Letters、Optics Express、Applied Optics、《光學學報》和《光學精密工程》等相關期刊都有大量的關于機器視覺的文章發表。另外，基于飛行時間法與編碼結構光的3D相機近年來發展迅速，以微軟Kinect 3D傳感器為代表，還有最近出現的Intel RealSense 3D相機。這些產品背后的技術和原理需要相關領域的廣大工作者進一步學習和研究。因此，需要將結構光三維測量和飛行時間法三維測量的內容體現在教材中，以此來幫助學生學習機器視覺課程時能夠更充分地了解前沿發展狀況，掌握機器視覺前沿技術。編者基于對結構光投影三維測量和飛行時間法測量、機器學習的積累和對最新文獻的掌握，編寫了這本面向工程專業的機器視覺教材，教材體現機器視覺的最新案例和研究內容，將這些內容系統性地呈現給讀者。

本書內容共10章：第1章為緒論；第2章為數字圖像處理，包括圖像濾波、圖像分割、圖像處理工具、特征提取等，主要用于機器視覺算法的設計與實現；第3章為相機成像，包括相機成像模型與相機亮度、光源等方面的內容；第4章為相機標定，主要包括相機標定原理、方法與實現；第5章為Shape from X，主要包括從光度立體、陰影、運動及紋理恢復三維形狀；第6章為雙目立體視覺，主要包括雙目立體視覺原理、雙目立體視覺系統、雙目立體視覺重建算法與實現；第7章為結構光三維視覺，包括基于條紋投影的面結構光與線結構光；第8章為深度相機，介紹當前頗受歡迎的Kinect、Intel RealSense等深度相機的知識與相關應用；第9章為機器學習基礎，包括神經網絡、支持向量機、集成學習與深度學習等；第10章為機器學習在機器視覺領域的應用，包括深度學習在模式識別、圖像超分辨率重建、圖像去噪、目標跟蹤、三維重建等方面的應用。除第1章和第9章外，其他各章都配有應用案例，包括案例的分析過程、實驗數據、程序代碼及運行結果。

三維視覺是機器視覺的核心主題之一。第6～8章體現了課題組成員在這方面研究的一個基本總結。在第7章，基于最新文獻及發展趨勢，整理了結構光三維測量的發展過程、前沿趨勢，編寫了相關的教學案例，也可為相關研究人員提供一定的參考。第8章包含微軟Kinect以及Intel RealSense產品的具體應用實例。此外，機器視覺及相關領域發展迅速，新的成果不斷涌現，為保證教材的與時俱進，本書中加入了新的內容，如硬X射線自由電子激光光源、萬億幀每秒高速相機、10G以太網相機等，讓讀者能夠了解關于機器視覺的最新發展情況。本書還特別加入了機器視覺中的機器學習相關內容，編寫了機器視覺中的深度學習案例。

本書積累了多年來在機器視覺和人工智能領域的科研和教學成果，是一本面向工程專業的本科生與研究生的教材。該教材包含經典和最新的機器視覺案例。通過講解案例背景與原理、設計思路、實驗步驟、開發環境和工具及實驗結果，使學生能夠根據案例理解相關理論知識和內容，能夠為教學提供豐富可靠的工程應用經驗，有利于加強工程實際應用理論和知識的學習。本教材對從事機器視覺的科研人員和工程師也具有一定的參考作用。

本書由天津工業大學宋麗梅、朱新軍編著。紀越、成怡、楊燕罡、黃浩珍、茹愿、李欣遙、林文偉等為本書的編寫提供了大量幫助。

本書的編寫得到了天津工業大學研究生課程優秀教材建設項目（《機器視覺》優秀教材建設，項目編號Y20160527）支持。本書也得到了全國工程專業學位研究生教育指導委員會/中國學位與研究生教育學會工程專業學位工作委員會立項的全國工程專業學位研究生教育自選研究課題（教改項目）——面向工程應用的《機器視覺》教材改革（項目編號2016-ZX-066）的支持。此外，本書也得到了天津市高等學校創新團隊培養計劃的資助（項目編號TD13-5036）。

由于編者水平有限，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。

編者