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第一部分1

第1章 引言1

1.1 立体图像和深度感知1

1.2 三维视觉系统2

1.3 三维视觉应用2

1.4 内容概述：三维立体视觉任务3

第2章 视觉研究历史的简要回顾5

2.1 摘要5

2.2 视觉研究回顾5

2.3 小结8

2.3.1 延伸阅读9

第二部分10

第3章 二维和三维视觉的形成10

3.1 摘要10

3.2 人类视觉系统10

3.3 图像几何与图像获取15

3.3.1 射影变换15

3.3.2 简单相机系统：小孔成像模型15

3.3.3 小孔相机的射影变换18

3.3.4 特殊的相机布置19

3.3.5 实际相机系统参数19

3.4 双目立体采集系统20

3.4.1 对极几何21

3.4.2 标准立体相机系统24

3.4.3 一般情况下的差异26

3.4.4 双焦点、三焦点和多焦点张量26

3.4.5 本质矩阵和基础矩阵的获得28

3.4.6 外点的处理35

3.4.7 折反射立体视觉系统38

3.4.8 图像校正39

3.4.9 双目视觉的深度分辨率41

3.4.10 立体图像和参考数据44

3.5 立体匹配约束48

3.6 相机标定51

3.6.1 标准标定方法51

3.6.2 光度校正52

3.6.3 自标定53

3.6.4 双目标定54

3.7 应用实例54

3.7.1 图像表达和基本结构54

3.8 附录：小孔相机变换的推导68

3.9 小结70

3.9.1 延伸阅读70

3.9.2 问题和习题71

第4章 图像匹配的底层图像处理72

4.1 摘要72

4.2 基本概念72

4.2.1 卷积和滤波72

4.2.2 滤波器的可分离性73

4.3 离散均值75

4.3.1 高斯滤波器75

4.3.2 二项式滤波器76

4.4 离散微分79

4.4.1 优化的微分滤波器79

4.4.2 Savitzky-Golay滤波器82

4.5 边缘检测89

4.5.1 基于信号梯度的边缘检测90

4.5.2 基于Savitzky-Golay滤波器的边缘检测90

4.5.3 拉普拉斯—高斯算子91

4.5.4 高斯差分算子95

4.5.5 形态学边缘检测算子96

4.6 结构张量97

4.6.1 图像的局部方向邻域97

4.6.2 局部邻域的张量表达100

4.6.3 基于结构张量的多通道图像处理107

4.7 角点检测109

4.7.1 常见的角点检测算子109

4.7.2 基于结构张量的角点检测112

4.8 实例114

4.8.1 C++实现114

4.8.2 形态学算子的实现119

4.8.3 Matlab的例子：SVD的计算122

4.9 小结123

4.9.1 延伸阅读123

4.9.2 问题和练习124

第5章 尺度空间视觉125

5.1 摘要125

5.2 基本概念125

5.2.1 背景125

5.2.2 图像尺度125

5.2.3 基于尺度的图像匹配126

5.3 尺度空间的构建127

5.3.1 高斯尺度空间127

5.3.2 微分尺度空间128

5.4 多分辨率金字塔131

5.4.1 多分辨率金字塔的引入131

5.4.2 如何构建金字塔132

5.4.3 常规高斯金字塔的构建132

5.4.4 拉普拉斯高斯（LoG）金字塔134

5.4.5 高斯金字塔层数的扩展134

5.4.6 半金字塔135

5.5 实例136

5.5.1 C++例子136

5.5.2 Matlab例子140

5.6 小结144

5.6.1 本章小结144

5.6.2 延伸阅读145

5.6.3 问题和练习145

第6章 图像匹配算法146

6.1 摘要146

6.2 基本概念146

6.3 匹配度量146

6.3.1 图像区域的距离147

6.3.2 位串的匹配距离149

6.3.3 多通道图像的匹配距离151

6.3.4 基于信息理论的度量153

6.3.5 直方图匹配155

6.3.6 距离的高效计算155

6.3.7 非参数图像变换159

6.3.8 用于图像匹配的对数极坐标变换166

6.4 匹配的计算问题169

6.4.1 遮挡169

6.4.2 亚像素级的视差估计170

6.4.3 立体算法的评价方法172

6.5 立体匹配方法的多样性174

6.5.1 立体匹配算法的结构176

6.6 区域基匹配179

6.6.1 基本搜索方法180

6.6.2 匹配代价的解释182

6.6.3 面向点的实现184

6.6.4 面向视差的实现189

6.6.5 区域基匹配的复杂性193

6.6.6 视差图的交叉检查194

6.6.7 实际应用中的区域基匹配195

6.7 区域基弹性匹配207

6.7.1 单一尺度上的弹性匹配208

6.7.2 弹性匹配的概念211

6.7.3 尺度基搜索213

6.7.4 尺度空间的粗到精匹配215

6.7.5 尺度细分216

6.7.6 尺度上的信任度217

6.7.7 最终的多分辨率匹配217

6.8 基于特征的图像匹配220

6.8.1 过零匹配220

6.8.2 基于角点的匹配220

6.8.3 基于边缘的匹配：Shirai方法224

6.9 基于梯度的匹配225

6.10 动态规划方法228

6.10.1 立体问题的动态规划求解229

6.11 图割方法232

6.11.1 图割算法233

6.11.2 体素标签立体匹配237

6.11.3 像素标签立体匹配238

6.12 光流法239

6.13 实际例子242

6.13.1 立体匹配的C++层次结构242

6.13.2 对数极坐标变换243

6.14 小结245

6.14.1 延伸阅读246

6.14.2 问题与练习246

第7章 空间重构和多视拼接247

7.1 摘要247

7.2 一般性的三维重构247

7.2.1 三角测量248

7.2.2 基于尺度的重构249

7.2.3 基于透视变换的重构249

7.3 多视拼接251

7.3.1 隐式表面和移动立方体算法252

7.3.2 直接网格拼接258

7.4 小结261

7.4.1 延伸阅读261

第8章 实例262

8.1 摘要262

8.2 用于视障人士的三维系统262

8.3 脸和身体的建模263

8.3.1 脸和身体捕获系统的开发263

8.3.2 图像分辨率、三维分辨率以及对应用的影响263

8.3.3 用于虚拟人构建的三维捕获和分析管道268

8.4 医学和兽医上的应用269

8.4.1 三维诊断图像的开发269

8.4.2 三维图像的诊断要求269

8.4.3 基于三维表面解剖学的诊断评估269

8.4.4 基本三维解剖学测量的抽取270

8.4.5 基于稠密匹配的向量场的面分析272

8.4.6 特征空间方法274

8.4.7 临床诊断和兽医学实例276

8.4.8 多模三维成像279

8.5 电影修复282

8.6 小结285

8.6.1 延伸阅读285

第三部分286

第9章 射影几何基础286

9.1 摘要286

9.2 齐次坐标286

9.3 点、线和对偶规则287

9.4 在无穷远处的点和线288

9.5 二次曲线基础290

9.5.1 二维空间上的二次曲线290

9.5.2 在三维空间上的二次曲线291

9.6 透视投影变换群292

9.6.1 透视投影基底293

9.6.2 超平面293

9.6.3 透视投影单应性293

9.7 透视投影不变性294

9.8 小结295

9.8.1 延伸阅读295

第10章 图像处理中张量计算基础296

10.1 摘要296

10.2 基本概念296

10.2.1 线性算子296

10.2.2 坐标变换：雅可比矩阵297

10.3 基底的改变298

10.4 张量变换定律299

10.5 度量张量300

10.5.1 曲线坐标系中的协变分量和逆变分量301

10.5.2 第一基础形式302

10.6 简单张量代数302

10.6.1 张量和302

10.6.2 张量积302

10.6.3 张量缩并和张量内积302

10.6.4 缩减到主轴303

10.6.5 张量不变量303

10.7 小结303

10.7.1 延伸阅读303

第11章 图像中的失真和噪声305

11.1 摘要305

11.2 噪声的类型和模型305

11.3 生成噪声测试图像306

11.4 正态分布随机数的产生307

11.5 小结308

11.5.1 延伸阅读308

第12章 图像扭曲处理309

12.1 摘要309

12.2 图像扭曲系统的结构309

12.3 坐标变换模块310

12.3.1 平面的射影变换和仿射变换310

12.3.2 多项式变换311

12.3.3 通用坐标映射311

12.4 像素值插值312

12.4.1 双线性插值312

12.4.2 非标量值像素的插值313

12.5 扭曲引擎313

12.6 图像扭曲软件模型314

12.6.1 坐标变换层314

12.6.2 插值层315

12.6.3 图像扭曲层316

12.7 图像扭曲实例317

12.8 由匹配点确定线性变换320

12.8.1 基于图像的线性代数321

12.9 小结324

12.9.1 延伸阅读324

第13章 图像处理和计算机视觉中的编程技术325

13.1 摘要325

13.2 有用的技术和方法325

13.2.1 设计与实现325

13.2.2 模板类330

13.2.3 代码正确性的评估331

13.2.4 代码调试问题333

13.3 设计模式334

13.3.1 模板函数对象334

13.3.2 句柄—体或桥335

13.3.3 组合337

13.3.4 策略338

13.3.5 类策略和类特性339

13.3.6 单例341

13.3.7 代理341

13.3.8 工厂（Factory）方法342

13.3.9 原型343

13.4 对象的生命周期和内存管理343

13.5 图像处理平台345

13.5.1 图像处理库345

13.5.2 不同平台的软件编写345

13.6 结论345

13.6.1 延伸阅读346

第14章 图像处理库347

参考文献348

致谢369