前言

机器视觉一直是工业领域的重要研究方向，探讨机器视觉的图书很多，其中一部分聚焦图像处理与分析的理论和算法，也有一些偏重具体的案例，例如人脸识别、视频跟踪等具体项目实现。本书基于作者在企业内部的培训内容，以测量和检测为主线，将基础理论与项目实践紧密结合，介绍机器视觉的理论算法和关键技术，同时展示若干完整项目案例。

本书理论部分条理清晰、内容翔实。结构安排上按照循序渐进的原则，由浅入深地引出相关概念。例如，对于相机标定和点云配准所必需的非线性优化，首先介绍矩阵实现基变换和线性映射，然后自然过渡到矩阵等价和矩阵相似，其次为了求解最简形式而引出特征值分解和奇异值分解，从而得到求解超定方程的工程方法，最后归结于四大子空间。篇幅设计方面强调详略得当和主次分明，对于关键概念和重要方法不惜笔墨。例如，对于测量平差和状态估计的最小二乘法，从残差分项、目标函数等诸多角度进行阐述，通过不同视角予以强化加深。对于这类优化问题的构建和求解，不仅可以采用Ceres等通用平台，还可以灵活定制专用优化算法。

本书将理论内容尽量控制在维持自洽的最低限度，无意过多纠缠于烦琐的推导过程，力求避免出现为理论而理论的现象。例如，对于向量微积分、矩阵论以及射影几何等内容，均在使用之前的必需阶段才导入相关概念，尽量使得全书能够封闭，同时又不致过于发散而失焦。

理论应该结合实践，能够解决实际问题。本书不是对已有方法进行简单的罗列，而是强调具体工程实践应用。学术界和工业界已经存在OpenCV和Halcon等快速搭建解决方案的成熟平台，但是本书依然提供了一个精简版本的图像处理和分析（IPA）软件框架，对各类常用算法进行了无依赖的纯C/C++实现。其意义在于，唯有深刻理解具体算法的底层实现细节，才能娴熟而高效地运用各种高度封装的检测算子。同时考虑工业应用一般需要7×24小时不间断运行，软件框架对此需求也进行了合理优化。

实践和理论的结合上力求自然衔接，平滑过渡。例如第1章，在介绍优化理论之后，即以破损照片复原为例，介绍点云配准的应用，给出L-M算法和加权L-M算法的实现；然后考虑噪声引出粗差剔除问题，通过3D（三维）空间的平面拟合给出迭代加权M估计算法的实现，通过2D（二维）空间的圆弧拟合给出RANSC算法的实现。再如第2章，在坐标系变换和刚体运动内容结束之后，即通过眼在手（Eye in Hand）形式的关节机械手柔性测量应用，对理论内容进行实践和验证。

实践性在本书中还体现为工程性。现实中的任务很少体现为单一技术，基本都呈现出多学科融合的工程属性。例如金属表面的漏镀检测，书中详细介绍了度量空间选择、高维数据降维、主元分析、特征挖掘、评价函数构造、模型训练等各个不同领域的工程环节。对于工作中如何分析问题、寻找解决方案并设计算法实现，书中提供全景式的案例展示。

书中融合作者研发的多个实际项目，介绍了若干具体案例，涉及切割刀口深度测量、激光打标机校准、切割机摆盘上料、印刷机对位纠偏和芯片基线检测、金属漏镀颜色检测以及贴片机、芯片测试机等项目。这些案例均在正文中依次分析了项目需求，阐述了设计思路，并对关键环节进行细致的说明和解释。希望通过以上案例，能够引起读者对于机器视觉的更多兴趣。

全书共7章。第1章为优化方法，介绍最优化理论和方法；第2章为空间几何，介绍欧氏空间以及射影空间的坐标系变换与刚体运动；第3章为相机模型与标定，介绍2D/3D射影相机模型和仿射相机模型的标定与校准；第4章为工业测量应用，介绍尺寸测量和结构恢复的若干案例；第5章为图像处理与分析，介绍图像预处理技术和特征检测算法；第6章为颜色检测应用，介绍常见色度空间和颜色检测应用；第7章为视觉系统硬件构成，介绍相机、镜头和光源等硬件的选型与设计。

机器视觉涉及的知识领域较广，技术更新较快。限于作者水平，书中难免存在疏漏之处，欢迎读者批评指正。

张德好
2024年7月于杭州