Photogrammetric Computer Vision: Statistics, Geometry, Orientation and Reconstruction (Geometry and

Photogrammetric Computer Vision: Statistics, Geometry, Orientation and Reconstruction (Geometry and pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Springer
作者:Wolfgang Förstner
出品人:
页数:816
译者:
出版时间:2016-10-4
价格:USD 69.99
装帧:Hardcover
isbn号码:9783319115498
丛书系列:Geometry and Computing
图书标签:
  • 数学-微分几何
  • 数学
  • Graphics
  • 编程
  • 三维视觉
  • Photogrammetry
  • Computer Vision
  • 3D Reconstruction
  • Geometry
  • Statistics
  • Orientation
  • Image Processing
  • Remote Sensing
  • Digital Modeling
  • Computer Graphics
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具体描述

This textbook offers a statistical view on the geometry of multiple view analysis, required for camera calibration and orientation and for geometric scene reconstruction based on geometric image features. The authors have backgrounds in geodesy and also long experience with development and research in computer vision, and this is the first book to present a joint approach from the converging fields of photogrammetry and computer vision.

Part I of the book provides an introduction to estimation theory, covering aspects such as Bayesian estimation, variance components, and sequential estimation, with a focus on the statistically sound diagnostics of estimation results essential in vision metrology. Part II provides tools for 2D and 3D geometric reasoning using projective geometry. This includes oriented projective geometry and tools for statistically optimal estimation and test of geometric entities and transformations and their relations, tools that are useful also in the context of uncertain reasoning in point clouds. Part III is devoted to modelling the geometry of single and multiple cameras, addressing calibration and orientation, including statistical evaluation and reconstruction of corresponding scene features and surfaces based on geometric image features. The authors provide algorithms for various geometric computation problems in vision metrology, together with mathematical justifications and statistical analysis, thus enabling thorough evaluations. The chapters are self-contained with numerous figures and exercises, and they are supported by an appendix that explains the basic mathematical notation and a detailed index.

The book can serve as the basis for undergraduate and graduate courses in photogrammetry, computer vision, and computer graphics. It is also appropriate for researchers, engineers, and software developers in the photogrammetry and GIS industries, particularly those engaged with statistically based geometric computer vision methods.

《摄影测量计算视觉:统计、几何、定向与重建》(几何与计算系列) 简介 本书《摄影测量计算视觉:统计、几何、定向与重建》是一部深入探讨摄影测量学领域核心计算方法与理论的著作。它旨在为读者提供一个全面而系统的视角,理解如何利用多张二维图像来精确地重建出真实世界的三维几何信息。全书围绕摄影测量的四个关键支柱——统计学、几何学、定向以及重建——展开,并融入了前沿的计算视觉技术,为理解和实践摄影测量流程打下坚实的基础。 统计学基础在摄影测量中的应用 本书首先强调了统计学在摄影测量中的重要性。在实际测量过程中,传感器噪声、环境变化以及人为误差都可能导致测量数据的偏差。因此,理解和应用统计学原理对于处理这些不确定性至关重要。 误差理论与数据融合: 书中会详细介绍误差的来源、传播以及如何进行有效的误差分析。这包括理解随机误差和系统误差的区别,以及如何利用最小二乘法等统计优化技术来估计最优参数,并对多源数据进行融合,以获得更鲁棒和精确的结果。 置信区间与假设检验: 书籍会阐述如何通过统计学方法来评估测量结果的可靠性,例如计算参数的置信区间,判断不同测量方案的差异是否显著。这对于科学研究和工程应用中对结果的准确性要求极高的场景尤为关键。 模型估计与参数推断: 在构建摄影测量模型时,需要估计大量的参数。统计学的方法,如最大似然估计,能够帮助我们找到最符合观测数据的模型参数。 几何学原理在三维重建中的角色 摄影测量学的核心在于理解图像中的几何信息与现实世界几何之间的对应关系。本书将深入剖析支撑这一过程的几何学原理。 相机模型与内外参数: 书中将详细讲解针孔相机模型,包括相机的内参数(焦距、主点、畸变系数)和外参数(旋转和平移),以及它们如何将三维空间点投影到二维图像平面。理解这些参数对于后续的姿态估计和三维重建至关重要。 多视图几何: 当我们拥有不止一张图像时,图像之间的几何关系变得尤为重要。本书将深入探讨多视图几何学的概念,例如: 对极几何(Epipolar Geometry): 介绍对极几何的概念,包括对极线(Epipolar Lines)和本质矩阵(Essential Matrix)/基础矩阵(Fundamental Matrix),以及它们如何描述两幅图像中对应点之间的几何约束。这对于匹配点寻找和相机相对姿态的估计至关重要。 单应性(Homography): 探讨单应性矩阵在描述平面场景中不同视图之间几何变换时的应用,尤其是在同一平面上的图像配准和变换中。 三边测量(Triangulation): 详细讲解如何利用已知的相机内外参数和匹配的图像点,通过三边测量技术在三维空间中精确地定位物体点。 流形与拓扑: 在一些高级的应用中,书籍可能会涉及对三维表面形状进行更精细建模时所需的流形和拓扑学概念,尽管这部分可能不是本书的侧重点。 定向(Orientation):确定相机姿态的关键步骤 定向,或称为相机姿态估计,是指确定相机在拍摄时相对于世界坐标系的精确位置和朝向。这是三维重建的前提。 绝对定向: 当已知相机传感器信息(内参数)和图像点与地面控制点(GCP)之间的对应关系时,如何估计相机的绝对位姿(六自由度)。 相对定向: 当只有两幅或多幅图像,且不具备外部地面控制信息时,如何通过图像匹配点来估计相机之间的相对位姿。本书将深入讲解各种相对定向算法,例如八点法、五点法等,以及它们在估计本质矩阵和基础矩阵中的作用。 姿态估计算法: 介绍基于迭代优化和模型拟合的各种姿态估计算法,包括 RANSAC(Random Sample Consensus)等鲁棒估计技术,以应对不准确的匹配点。 局部与全局定向: 区分并介绍局部定向(估计单个相机的姿态)和全局定向(同时估计多组相机姿态,例如在SfM流程中)。 重建(Reconstruction):从图像到三维模型的转化 在完成定向之后,本书将聚焦于如何将提取的几何信息转化为可用的三维模型。 稀疏三维重建: 介绍如何从一组定向后的图像中,通过三角测量生成稀疏的三维点云。这通常是多视角立体(Multi-View Stereo, MVS)流程的第一步,也是摄影测量数据处理的标准流程。 密集三维重建: 进一步探讨如何从稀疏点云或直接从图像中生成稠密的三维表面模型。这可能涉及: 立体匹配(Stereo Matching): 详细介绍各种立体匹配算法,包括局部匹配和全局匹配方法,以及它们的优缺点。 表面重建: 讲解如何从密集点云构建连续的三维表面,例如使用泊松重建(Poisson Reconstruction)、Delaunay三角剖分等技术。 网格生成与处理: 介绍如何将重建的三维表面表示为网格模型,以及对网格进行后处理,如平滑、去噪、简化等。 纹理映射: 解释如何将原始图像的纹理信息投影到重建的三维模型上,以生成逼真的视觉效果。 高级重建技术: 根据书籍的深度,可能还会涉及一些更高级的重建技术,如动态场景重建、非刚性形变重建等。 计算视觉的融合与实践 本书不仅仅是理论的堆砌,更强调计算视觉技术在摄影测量实践中的应用。 特征提取与匹配: 详细介绍SIFT、SURF、ORB等经典的特征点提取算法,以及如何高效地进行特征匹配,并采用RANSAC等方法进行鲁棒的匹配。 光流法(Optical Flow): 在连续帧的运动分析中,光流法可以提供像素级的运动信息,有助于连续帧的姿态估计和形变追踪。 机器学习在摄影测量中的潜力: 尽管可能不是本书的主要焦点,但如果内容深入,可能会提及如何利用深度学习等技术来辅助特征匹配、深度估计或模型精化。 软件框架与工作流程: 书籍可能会结合实际的摄影测量软件框架(如COLMAP, Agisoft Metashape, RealityCapture等)或编程库(如OpenCV)来讲解实际操作中的工作流程和关键技术点。 总结 《摄影测量计算视觉:统计、几何、定向与重建》为读者提供了一个关于如何从二维图像数据构建精确三维模型的完整指南。它系统地梳理了摄影测量学背后的统计学原理、核心几何学概念,以及实现三维重建所必需的定向和重建技术。通过结合计算视觉的强大工具,本书为研究人员、工程师和学生提供了一个深入理解并掌握摄影测量与三维重建技术的宝贵资源,使其能够应对现实世界中各种复杂的测量与建模挑战。

作者简介

From the Back Cover

This textbook offers a statistical view on the geometry of multiple view analysis, required for camera calibration and orientation and for geometric scene reconstruction based on geometric image features. The authors have backgrounds in geodesy and also long experience with development and research in computer vision, and this is the first book to present a joint approach from the converging fields of photogrammetry and computer vision. Part I of the book provides an introduction to estimation theory, covering aspects such as Bayesian estimation, variance components, and sequential estimation, with a focus on the statistically sound diagnostics of estimation results essential in vision metrology. Part II provides tools for 2D and 3D geometric reasoning using projective geometry. This includes oriented projective geometry and tools for statistically optimal estimation and test of geometric entities and transformations and their relations, tools that are useful also in the context of uncertain reasoning in point clouds. Part III is devoted to modelling the geometry of single and multiple cameras, addressing calibration and orientation, including statistical evaluation and reconstruction of corresponding scene features and surfaces based on geometric image features. The authors provide algorithms for various geometric computation problems in vision metrology, together with mathematical justifications and statistical analysis, thus enabling thorough evaluations. The chapters are self-contained with numerous figures and exercises, and they are supported by an appendix that explains the basic mathematical notation and a detailed index.The book can serve as the basis for undergraduate and graduate courses in photogrammetry, computer vision, and computer graphics. It is also appropriate for researchers, engineers, and software developers in the photogrammetry and GIS industries, particularly those engaged with statistically based geometric computer vision methods.

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About the Author

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Förstner is an internationally leading expert in photogrammetry, computer vision, pattern recognition and machine learning. Throughout his exemplary career of nearly 40 years as a researcher, inventor, innovator and educator, he has made exceptionally significant scientific contributions in many areas of information from imagery and mentored generations of mapping scientists and engineers. Examples of his work include blunder detection for aerial triangulation, image matching, object recognition and statistical projective geometry. He developed the well-known Förstner Operator, for the detection of key points in images, in the 1980s. After studying geodesy and surveying, he first worked at the University of Stuttgart before moving to the University of Bonn as Professor for Photogrammetry where he led the Institute for Photogrammetry from 1990 to 2012. He published more than 100 academic papers, coauthored three book chapters for the ASPRS Manual ofPhotogrammetry, supervised more than 30 Ph.D. theses, and was closely involved with the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing and the German Association for Pattern Recognition. Prof. Dr.-Ing. Bernhard P. Wrobel received his Ph.D. (Dr.-Ing) in theoretical geodesy from the University of Bonn. From 1975 to 1981 he was professor for close-range photogrammetryand from 1981 to 2001 for photogrammetry at Darmstadt University of Technology, and also head of the Institute for Photogrammetry and Cartography. He was closely involved with the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, and he coauthored three book chapters for the ASPRS Manual of Photogrammetry. Besides his work related to precise mensuration tasks in industry, his research interests cover the mathematical fundamentals of photogrammetry such as the digital inversion of image formation for reconstruction of 3D surfaces and reflectance from multiple images.Authors' website (code, lecture slides) at http://www.ipb.uni-bonn.de/book-pcv/)

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目录信息

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用户评价

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这本书的装帧和纸质手感真是没得挑,拿到手里沉甸甸的,一看就知道是下了血本的硬核教材。书的封面设计很简洁,就是那种典型的学术著作风格,没有太多花哨的东西,专注于内容的呈现。我本来是想找一本关于现代计算机图形学中光线追踪算法与并行化实现方面的内容,希望能深入了解一下实时渲染的底层原理和GPU编程的最新进展。这本书的目录浏览下来,感觉侧重点似乎更偏向于几何重建和运动恢复结构(SfM)这一块,虽然标题里的“Vision”也暗示了图像处理,但我的核心诉求是图形渲染的性能优化和算法细节,而非图像测量学。比如,我很期待看到关于Vulkan或DirectX 12中高级管线状态管理,以及如何高效地利用Compute Shader进行大规模几何体的光照计算的深入讨论,但这本书似乎更侧重于如何从一系列二维图像中精确地构建出三维世界模型,这和我的研究方向——即时渲染场景的生成和显示优化——存在显著的知识鸿沟。不过,作为一本严谨的学术专著,其排版清晰度毋庸置疑,字体选择和图表绘制质量都非常高,即便内容不完全匹配我的需求,从其制作水准来看,它无疑是相关领域内值得收藏的工具书。

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这本书的语言风格非常典雅,充满了严谨的德式工程哲学,逻辑链条极其缜密,几乎每一个论断都建立在清晰的数学推导之上。这种风格对于追求完美逻辑自洽的读者来说是福音,但对于习惯了更偏向美式工程实用主义和快速迭代思维的工程师来说,阅读体验可能会略显沉重。我购买这本书的初衷是想快速了解当前业界主流的SLAM(同步定位与地图构建)框架,特别是关于回环检测(Loop Closure)中,如何利用诸如DBoW2或更现代的基于深度学习的描述子进行鲁棒性匹配和位姿图优化。这本书显然没有将重点放在这些前沿的、快速迭代的软件工具和库上,而是扎根于经典的几何约束——比如对极几何、本质矩阵、单应性矩阵等,进行极其详尽的代数和几何推导。这种详尽的推导虽然能让你彻底理解为什么这些方法有效,但却耗费了大量时间,让我感觉自己更像是在重温一次严谨的微分几何课程,而不是在学习如何快速部署一个现代的视觉里程计系统。

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这本书的厚度和内容密度是毋庸置疑的,每一页都塞满了公式和严谨的定义。我购买它是希望找到一套完整的、可操作的指南,用于处理室外大型场景下,无人机获取影像的自动化正射影像(Orthophoto)制作流程,特别是关于如何解决植被阴影、大气透视等复杂光学失真问题的处理流程。我期待看到关于正射纠正中,如何高效地建立和应用高分辨率数字地表模型(DSM)以及如何进行辐射校正的详细工业级流程。但这本书的侧重点,在我看来,似乎更像是一部为构建几何模型本身服务的理论教科书,而非直接面向最终产品(如正射影像或三维城市模型)的生产流程手册。它深入探讨了如何从点云数据中提取精确的几何关系,比如坐标系之间的变换和误差的传播分析,这无疑是核心中的核心。然而,对于那些像我一样,需要快速整合现有工具链(如Pix4D或Metashape)并针对特定传感器(如高分辨率航空相机)进行参数调优的工程人员来说,这本书更像是提供了理解这些工具背后数学原理的终极参考,而不是一步步教你如何操作软件的“用户手册”。它的价值在于理解“为什么”,而不是“怎么做”这个层面的工程实践。

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从图书馆借阅的体验来看,这本书的引用部分做得非常到位,参考文献列表长得出奇,几乎覆盖了自上世纪七八十年代以来所有里程碑式的论文,这表明作者在资料的搜集和梳理上投入了巨大的心血。我原本希望这本书能提供关于三维重建中,如何利用现代深度学习技术(例如NeRF或隐式神经表示)来提升场景细节的保真度和渲染质量。我关注的重点是,如何将这些基于神经网络的表示与传统的几何模型进行有效的结合,以解决光照变化和遮挡问题。然而,这本书的“Reconstruction”部分,似乎更侧重于传统的结构恢复方法,比如Bundle Adjustment(束优化)的各个变体、最小化能量函数的设计思路等,这些都是基于经典的几何和统计模型。尽管它提供了关于“Orientation”(姿态估计)的坚实基础,但对于那些热衷于探索最新的生成模型和神经渲染技术,期望看到如何用PyTorch或TensorFlow实现这些新范式的读者来说,这本书的侧重点显得有些“复古”或说“经典”——它构建的是知识的基石,而不是快速到达应用尖端的桥梁。

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我本来是为了解决一个非常具体的传感器融合问题而购入此书,期待它能提供关于卡尔曼滤波(Kalman Filter)或扩展卡尔曼滤波(EKF)在多模态数据(例如激光雷达点云与视觉特征)联合定位中的高级应用和误差建模的详尽论述。我特别想找的是那些能够处理非线性和高斯假设局限性的无迹卡尔曼滤波(UKF)或粒子滤波(PF)在三维空间跟踪中的优化策略。然而,通读了前几章后,我发现本书的“统计”部分似乎更倾向于对观测噪声的几何分布特性进行严谨的数学建模,比如最小二乘优化、最小中位数平方(LMS)估计等,这些固然重要,但对于我当前急需的动态系统状态估计,特别是实时性能要求下的迭代优化方法,介绍得相对保守和理论化。这本书更像是在打地基,提供坚实的数学基础,而不是直接搭建应用的高层框架。如果我需要一本关于如何编写高效的C++库来处理实时传感器数据流并输出精准姿态估计的书,这本书可能需要搭配一本专门的滤波理论书籍一起使用。它对理论的深度挖掘令人印象深刻,但对于追求工程实现效率和快速原型验证的读者来说,可能需要更多的“菜谱”式指导。

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