本书全面、系统地介绍了数字图像处理的基础理论及基本技术。全书共分10章,包括绪论,图像、图像系统与视觉系统,图像处理中的正交变换,图像增强,图像编码,图像复原,图像重建,图像分析,数学形态学原理,模式识别的理论和方法。在每章结尾都附有思考题,供教学或自学练习。同时提供作者编制的数字图像处理实验软件以及相应的MATLAB及C语言程序。为方便教学,还提供了相应的电子教案。
本书可作为高等院校信号与信息处理、通信、自动控制、遥感、生物工程、计算机科学以及医学、物理、化学等专业的本科生、研究生教材,也可供科技人员参考。
前言
数字图像处理起源于20世纪20年代,当时通过海底电缆从英国的伦敦到美国的纽约采用数字压缩技术传输了第一幅数字照片。此后,由于遥感及医学等领域的应用,使图像处理技术逐步受到关注并得到相应的发展。1964年美国的“喷气推进实验室”处理了由太空船“徘徊者七号”发回的月球照片,这标志着第三代计算机问世后,数字图像处理开始得到普遍应用。由于CT的发明、应用,以及获得备受科技界瞩目的诺贝尔奖,使得图像处理技术大放异彩。其后,数字图像处理技术发展迅速,目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科学习和研究的对象。随着信息高速公路、数字地球概念的提出以及Internet的广泛应用,信息传输中的非话业务急剧增长,其中,图像信息以其信息量大、传输速度快、作用距离远等一系列优点使其成为人类获取信息的重要来源及利用信息的重要手段。今天,随着科技事业的进步以及人类需求的多样化发展,使得多学科的交叉、融合成为现代科学发展的突出特色和重要途径。因此,图像处理科学与技术逐步向其他学科领域渗透并为其他学科所利用是科学发展的必然。图像处理科学又是与国计民生紧密相连的一门应用科学,它已给人类带来了巨大的经济和社会效益。未来,它不仅在理论上会有更深入的发展,在应用上亦是科学研究、社会生产乃至人类生活中不可缺少的强有力的工具。它的发展及应用与我国的现代化建设联系之密切、影响之深远是不可估量的。在信息社会中,图像处理科学无论是在理论上还是在实践上都存在着巨大的潜力。
本书共分10章。根据作者多年教学及科研实践的体会并参考相关文献,概括地描述了图像处理理论和技术所涉及的各个分支。图像处理理论和技术所包含的内容是如此之广,各章都涉及有专业深度的理论及内容,因此,每一个章节自成一书亦不为过。本书只能提纲挈领地介绍图像处理的基本理论和方法,其目的是使读者对图像处理科学有较全面的了解,为进一步深入研究打下扎实的基础。
作者根据多年的实践编制了一套实验演示软件,该软件既可以用作教学或自学演示,加深读者的感性认识,也可以在教学中用作实验软件或直接用于图像处理。同时,也编制了一些典型处理的MATLAB程序及C程序,供初学者学习参考,这些程序可以在清华大学出版社网站(http://www.tup.tsinghua.edu.cn)上下载。
本书在编写过程中得到了清华大学出版社的大力支持,同时,在编程方面也得到作者所在单位的部分博士生、硕士生的帮助,对此,本人深表感谢。此外,还要感谢本书中所引用论文和资料的作者。由于本人水平所限,书中一定会有许多不足之处,敬请读者批评指正。
读者在本书的使用中遇到任何问题或有任何建议,请发邮件至fuhy@tup.tsinghua.edu.cn。
作者
2009年9月
于北京交通大学
目录
第1章绪论
1.1序言
1.2图像处理技术的分类
1.2.1模拟图像处理
1.2.2数字图像处理
1.3数字图像处理的特点
1.4数字图像处理的主要方法及主要内容
1.4.1数字图像处理方法
1.4.2数字图像处理的主要内容
1.5数字图像处理的硬件设备
1.6数字图像处理的应用
思考题
第2章图像、图像处理系统与视觉系统
2.1图像
2.1.1有关光学的预备知识
2.1.2图像的概念
2.1.3图像的统计特性
2.1.4图像信息的信息量
2.1.5常用图像格式简介
2.2图像处理系统及外围设备
2.2.1电视摄像机
2.2.2飞点扫描设备
2.2.3鼓形扫描器
2.2.4微密度计
2.2.5其他图像输入设备
2.3图像处理中的输出设备
2.3.1监视器
2.3.2激光扫描器
2.3.3平板显示
2.3.4其他图像显示装置
2.4数字图像处理系统
2.4.1小型图像处理系统
2.4.2微型图像处理系统
2.5视觉系统
2.5.1视觉系统的基本构造
2.5.2光觉和色觉
2.6光度学及色度学原理
2.6.1颜色的表示方法及观察条件
2.6.2三基色混色及色度表示原理
2.6.3CIE的R、G、B颜色表示系统
2.7亮度和颜色感觉的视觉特征
2.7.1刺激强度与感觉的关系
2.7.2亮度适应和颜色适应
2.7.3亮度对比和颜色对比
2.7.4颜色感觉与刺激面积的关系
2.7.5主观颜色
2.7.6记忆色
2.7.7进入色、后退色、膨胀色、收缩色
2.7.8颜色和爱好
2.8视觉的空间性质
2.8.1视力
2.8.2视觉的空间频率特性
2.8.3颜色辨别门限的空间频率特性
2.8.4视觉的空间频率特性和图像的清晰度
2.9视觉的时间特性
2.9.1加入阶跃光波刺激的明暗感觉
2.9.2闪烁
2.9.3视觉空间频率特性和时间因素的关系
2.9.4眼球运动和视觉的关系
2.10运动的感觉
2.11形状感觉与错视
思考题
第3章图像处理中的正交变换
3.1傅里叶变换
3.1.1傅里叶变换的定义及基本概念
3.1.2傅里叶变换的性质
3.1.3离散傅里叶变换
3.1.4快速傅里叶变换
3.1.5用计算机实现快速傅里叶变换
3.1.6二维离散傅里叶变换
3.2离散余弦变换
3.2.1离散余弦变换的定义
3.2.2离散余弦变换的正交性
3.2.3离散余弦变换的计算
3.3沃尔什变换
3.3.1正交函数的概念
3.3.2拉德梅克函数
3.3.3沃尔什函数
3.3.4沃尔什函数的性质
3.3.5沃尔什变换
3.3.6离散沃尔什哈达玛变换
3.3.7离散沃尔什变换的性质
3.3.8快速沃尔什变换
3.3.9多维变换
第4章图像增强
4.1用直方图修改技术进行图像增强
4.1.1直方图
4.1.2直方图修改技术的基础
4.1.3直方图均衡化处理
4.1.4直方图规定化处理
4.1.5图像对比度处理
4.2图像平滑化处理
4.2.1邻域平均法
4.2.2低通滤波法
4.2.3多图像平均法
4.3图像尖锐化处理
4.3.1微分尖锐化处理
4.3.2零交叉边缘检测
4.3.3Canny算子
4.3.4Prewitt算子
4.3.5经典的Kirsch算子
4.3.6高通滤波法
4.4利用同态系统进行增强处理
4.5彩色图像处理
4.5.1关于颜色的基本理论
4.5.2颜色模型
4.5.3伪彩色图像处理
4.5.4关于彩色显示
思考题
第5章图像编码
5.1图像编码概述
5.2图像编码中的保真度准则
5.2.1客观保真度准则
5.2.2主观保真度准则
5.3PCM编码
5.3.1PCM编码的基本原理
5.3.2PCM编码的量化噪声
5.3.3编码器、译码器
5.3.4非线性PCM编码
5.4统计编码
5.4.1编码效率与冗余度
5.4.2两种常用的统计编码法
5.4.3算数编码
5.5预测编码
5.5.1预测编码的基本原理
5.5.2ΔM(DM)编码
5.5.3DPCM编码
5.6变换编码
5.6.1几种特殊的映射变换编码法
5.6.2正交变换编码
5.7图像编码的国际标准
思考题
第6章图像复原
6.1退化模型
6.1.1系统H的基本定义
6.1.2连续函数退化模型
6.1.3离散的退化模型
6.2复原的代数方法
6.2.1非约束复原方法
6.2.2约束复原法
6.3逆滤波
6.4最小二乘方滤波
6.4.1最小二乘方滤波的原理
6.4.2用于图像复原的几种最小二乘方滤波器
6.5约束去卷积
6.6中值滤波
6.6.1中值滤波的基本原理
6.6.2加权的中值滤波
6.7几种其他空间复原技术
6.7.1几何畸变校正
6.7.2盲目图像复原
思考题
第7章图像重建
7.1概述
7.2傅里叶变换重建
7.3卷积法重建
7.4代数重建方法
7.5重建的优化问题
7.6图像重建的应用
思考题
第8章图像分析
8.1分割
8.1.1灰度阈值法分割
8.1.2样板匹配
8.1.3区域生长
8.1.4区域聚合
8.2描绘
8.2.1区域描绘
8.2.2关系描绘
8.2.3相似性描绘
8.2.4霍夫变换
8.3纹理分析
8.3.1纹理特征
8.3.2用空间自相关函数作纹理测度
8.3.3傅里叶功率谱法
8.3.4联合概率矩阵法
8.3.5灰度差分统计法
8.3.6行程长度统计法
8.3.7其他几种方法
8.3.8纹理的句法结构分析法
思考题
第9章数学形态学原理
9.1数学形态学的发展
9.2数学形态学的基本概念和运算
9.2.1数学形态学定量分析原则
9.2.2数学形态学的基本定义及基本算法
9.3一些基本形态学算法
9.3.1边缘提取算法
9.3.2区域填充算法
9.3.3连接部分提取算法
9.3.4凸壳算法
9.3.5细化算法
9.3.6粗化算法
9.3.7骨骼化算法
9.3.8裁剪
9.4灰度图像的形态学处理
9.4.1膨胀
9.4.2腐蚀
9.4.3开运算和闭运算
9.4.4灰度形态学的应用
思考题
第10章模式识别的理论和方法
10.1概述
10.2统计模式识别法
10.2.1决策理论方法
10.2.2统计分类法
10.2.3特征的抽取与选择
10.2.4统计学习理论与支持向量机
10.3模式识别的几种应用
10.3.1生物特征识别
10.3.2模式识别在医学上的应用
10.3.3模式识别在自动检测中的应用
思考题
参考文献