图象工程（上册 图象处理和分析）

　　内容提要本书主要介绍了图象处理和分析的基本原理、典型方法和实用技术。考虑到图象技术的飞速发展和广泛应用，本书在讲解基本理论的同时还介绍了许多近年来国际上有关的最新研究成果和应用实例。本书主要包括三大部分。第一部分（包含第1，2，3章）是图象基础，论述了图象工程的定义，图象技术整体概况和分类以及有关视觉和图象模型，数字图象采集、表达和象素关系，图象的各种基本变换技术等。第二部分（包含第4，5，6章）论述了图象处理的各重要分支，如图象增强，图象恢复，由投影重建图象和图象压缩编码等基础理论、技术和方法。第三部分（包含第7，8章和附录A）介绍了图象分析的基本原理和技术，如图象分割、目标表达和描述、特征测量、形态学方法等。书中还提供了大量例题与习题。本书可作为信息和信号处理、通信与电子系统、模式识别、生物医学工程等学科大学本科和研究生专业基础课教材，也可供上述学科及信息工程、电子工程、计算机科学与技术、机器人自动化、遥感和军事侦察等领域的科技工作者和高等院校的师生参考。片断：一个基本的图象（处理和分析）系统构成可由图1.2.1表示。图中各模块都有特定的功能，分别是采集、显示、存储、通信、处理和分析。图中还列出了完成各功能所需的一些设备。图象采集可采用电荷耦合器件（chargec0upleddevices，CCD）照相机、带有视象管（vidicon）的视频摄象机和扫描仪（scanners）等。图象显示可用电视显示器（TVmonitors）、随机读取阴极射线管（cath0deraytubes，CRT）和各种打印机（printers）等。图象存储可采用磁带（magnetictape）、磁盘（magneticdisks）、光盘（opticaldisks）和磁光盘（magneto－opticaldisks）等。图象通信可借助综合业务网（ISDN）、计算机局域网（LAN），甚至普通电话网（PSTN）等。最后，图象处理和分析主要是运算，所使用的设备主要是计算机，当然必要时还可借助专用硬件。1.2.2图象采集模块为采集数字图象，需要两种装置（器件）。一种是对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它能产生与所接受到的电磁能量成正比的（模拟）电信号。另一种称为数字化器，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式。所有采集数字图象的设备都需要这两种装置。以常见的X光透视成象仪为例，由X光源发出的射线穿越物体到达另一端的对X光敏感的媒体。这个媒体能获得物体材料对X光不同吸收的图象。它可以是胶片，一个带有将X光转化为光子的电视摄影机，或其它能输出数字图象的离散检测器。用于可见光和红外线成象的设备主要有显微密度计（micro－densitometers）、析象管（imagedissector）、视象管和对光子敏感的固态阵（solid－statearrays）等。使用显微密度计时，需要数字化的图象应是透明底片或照片的形式。视象管和对光子敏感的固态阵除可接受以上形式的图象外，还可以将有足够光强人射检测器的自然图象数字化。在使用显微密度计时，需要将透明底片或照片放在一个平板上或卷在一个圆鼓上。当光线聚焦在图象上时，平移平板或转动圆鼓就可以完成扫描。如果是透明底片，光穿过透明底片；如果是照片，光从表面反射。在这两种情况下，光束都聚焦在光子检测器上，各个检测器根据光强度记录下对应当前位置的图象灰度值。如果灰度值和位置坐标都取整数，就得到一幅数字图象。尽管显微密度计速度比较慢，但由于机械平移过程的连续本质，它的空间精确度很高。视象管摄影机的工作原理基于光导性质。聚焦在视象管表面的图象能形成与光学图象的辉度分布相对应的光导模式。用另一个独立的电子束扫描光导管的另一面，由于中和作用，这个电子束在一个接受器上产生与输入光亮度模式对应的压差信号。如果量化这个信号并记录下对应的扫描束位置，就可得到一幅数字图象。固态阵是由称为感光基元（photosites）的离散硅成象元素构成的。这样的感光基元能产生与所接受的输入光强成正比的输出电压。固态阵可按几何组织形式分为两种：线扫描器和平面扫描器。线扫描传感器包括一行感光基元，它靠场景和检测器之间的相对运动来获得2－D图象。平面扫描传感器由排成方阵的感光基元组成，可直接得到2－D图象。固态平面传感器阵的一个显著特点是它具有非常快的快门速度（可达10－4s），所以能将许多运动定格下来。固态阵中主要元件是电荷耦合器件CCD。图1.2.2给出一个线扫描CCD传感器的示意图。这个传感器由一行感光基元，两个定时地将感光基元中的内容传给传输寄存器的传输门，以及一个定时地将传输寄存器中的内容传给放大器的输出门构成。放大器输出的电压信号与感光基元行的内容成比例。电荷耦合平面阵的工作原理与线阵相似，但这里感光基元排列成一个矩阵形式（如图1.2.3所示）。感光基元列由传输门和传输寄存器隔开。先将奇数列感光基元的内容顺序送进垂直传输寄存器，然后再送进水平传输寄存器。把水平传输寄存器的内容送进放大器就得到1帧隔行的视频信号。对偶数列感光基元重复以上过程就可得到另1帧隔行的视频信号。将2帧合起来就得到隔行扫描电视的1场（f）。NTSC制的扫描速度是30f/s，PAL制的扫描速度是25f/s。现在常用的线扫描CCD一般有512到4096个象素或更多，而4096×4096个象素的平面扫描CCD也已在使用。利用图象处理和分析的手段，还可以通过图象的拼接用较小分辨率的CCD获得较大视场的图象［章1997b］。电视摄象机一般用CCD阵组成，要得到数字图象需把摄象机的视频输出送到一个数字化器中。这常通过在计算机中插专门的硬件卡来实现。本书前言前言图象是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75％是从图象中获得的。随着计算机的发展，数字图象技术近年来得到极大的重视和长足的进展，出现了许多有关的新理论、新方法、新算法、新手段和新设备，并已在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信等方面得到了广泛的应用，对推动社会发展改善人们生活水平都起到了重要的作用。为了对各种图象技术进行综合研究、集成应用，我们有必要建立一个整体框架——图象工程。图象工程是一门系统地研究各种图象理论、技术和应用的新的交叉学科。它的研究方法与数学、物理学、生理学、心理学、电子学、计算机科学等学科相互借鉴，它的研究范围与模式识别、计算机视觉、计算机图形学等专业互相交叉，它的研究进展与人工智能、神经网络、遗传算法、模糊逻辑等理论和技术密切相关，它的发展应用与生物医学、遥感、通信、文档处理等许多领域紧密结合。图象工程是一门综合学科。考虑到其内容多、跨度大、覆盖面广以及教学的特点，本书分为相对独立又互相联系的上下两册：《图象工程（上册）——图象处理和分析》和《图象工程（下册）——图象理解与计算机视觉》。本书在编写的方针上，力求具有理论性、实用性、系统性、实时性。考虑到图象技术的飞速发展，本书在内容上，既认真选取了有代表性的经典内容，又注意选取了90年代国际上的最新研究成果。本书既参考了许多有关文献，也结合了作者的一些研究工作和成果以及教案。本书主要介绍图象工程的基本内容，但又有一定的深度和广度，希望读者能通过本书的学习独立地和全面地了解该领域的基本理论、技术、应用和发展。本书在内容叙述上，力求理论概念严谨，论证简明扼要。考虑到图象技术的应用特点，书中列举了大量实例使原理和概念具体化，引导读者把这些概念和原理应用于实际。考虑到专业课教学的特点，本书从方便读者学习的角度出发做了两项工作：第一，在主要内容的编排上充分注意了理论的系统性和内容的结构化。全书将不同的图象技术分支均纳入图象工程大框架进行介绍，而且正文都统一按照技术分章节，互相关系清晰明确。除每册书将第1章作为该书总纲外，之后每章（包括附录）又将其第1节作为该章总纲，并以结构图表示所属内容及分类。希望这些能使读者在学习中既有一个总体概念又可时刻把握当前学习内容在整体结构中的位置。第二，增加了两方面的内容。其一是为方便读者进一步查阅（尤其是联网查阅）英文原文资料增加了英文目录，这也相当于提供了英文关键词。其二是本书不仅列举了书中直接引用的具体文献，还增加了一些重要专著、期刊和国际会议的名称。这不仅对阅读本书有益，为进一步深入学习提供了线索，而且对将来从事科研工作也会有帮助。本册书为上册，主要介绍了图象处理和分析的基本概念、基本原理、典型方法、实用技术以及国际上有关研究的新成果。读者能借此建立一个比较完整的图象处理和分析理论体系并了解和掌握常用的图象处理和分析技术。这样一方面可帮助读者进一步学习和研究图象工程高层技术，另一方面使读者能据此解决实际图象应用中的具体问题。本册书主要包括三大部分。第一部分（包含第1，2，3章）是图象和图象工程基础，论述了图象技术整体概况和分类以及有关视觉和图象模型，数字图象采集、表达和象素关系，对图象的各种基本变换技术等。第二部分（包含第4，5，6章）论述了图象处理的各重要分支，如图象增强，图象恢复，由投影重建图象和图象压缩编码等基础理论，技术和方法。第三部分（包含第7，8章和附录A）介绍了图象分析的基本原理和技术，如图象分割、目标表达描述、特征测量、形态学方法等。本册书共有8章正文和2个附录，在10个一级标题下有62个二级标题（节），再之下还有121个三级标题（小节），从内容上大体覆盖了图象处理的各个重要分支和图象分析的基本技术。全册书共有文字（也包括图象、绘图、表格、公式等）约46万字。本册书共有编了号的图244个、表格34个、公式645个。为便于教学，本册书共给出各类例题97个。为便于检查教学效果，各章后均有练习题，本册书共有练习题143个。另外书末列出了提供参考和直接引用的100多篇文献的目录。本册书的编写始于1996年，1997年开始作为课程教材陆续在多个学校不同年级试用。这次在此基础上，主要结合教学实践和反馈意见进行了修改，增加了许多例题、229幅图片，并在每章后都加入了练习题。徐寅、李勍、黄英、杨劲波、罗沄、吴玮、葛菁华等多名学生先后参与了可与本册书配合使用的计算机辅助教学软件IP

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     目录
   第1章 绪论
    1.1从图象到图象工程
    1.1.1图象和数字图象
    1.1.2图象技术和图象工程
    1.1.3相关学科和领域
    1.2图象处理和分析
    1.2.1图象处理和分析系统
    1.2.2图象采集模块
    1.2.3图象显示模块
    1.2.4图象存储模块
    1.2.5图象通信模块
    1.2.6图象处理和分析模块
    1.3本书安排和概要
    练习题
   第2章 图象和视觉基础
    2.1概述和分类
    2.2人眼与亮度视觉
    2.2.1人眼成象
    2.2.2亮度适应和区分
    2.3颜色视觉
    2.3.1颜色基础
    2.3.2颜色模型
    2.4光度学和成象模型
    2.5成象变换
    2.6采样和量化
    2.6.1均匀采样和量化
    2.6.2非均匀采样和量化
    2.7象素间联系
    2.7.1象素的邻域
    2.7.2连通性
    2.7.3等价关系和传递闭包
    2.7.4距离量度
    2.8算术和逻辑运算
    2.9坐标变换
    练习题
   第3章 图象变换
    3.1概述和分类
    3.2傅里叶变换和性质
    3.2.11－D傅里叶变换
    3.2.22－D傅里叶变换
    3.2.32－D傅里叶变换的性质
    3.2.4由采样重建图象
    3.3快速傅里叶变换
    3.3.1快速傅里叶变换算法原理
    3.3.2运算次数
    3.3.3反变换
    3.3.4算法实现
    3.4其它可分离图象变换
    3.4.1可分离变换
    3.4.2沃尔什变换
    3.4.3哈达码变换
    3.4.4离散余弦变换
    3.4.5哈尔变换
    3.4.6斜变换
    3.5霍特林变换
    练习题
   第4章 图象增强
    4.1概述和分类
    4.2空域变换增强
    4.2.1直接灰度变换
    4.2.2直方图处理
    4.2.3图象间运算
    4.3空域滤波增强
    4.3.1原理和分类
    4.3.2平滑滤波器
    4.3.3锐化滤波器
    4.4频域增强
    4.4.1原理和分类
    4.4.2低通滤波
    4.4.3高通滤波
    4.4.4带通和带阻滤波
    4.4.5同态滤波
    4.5局部增强
    4.6彩色增强
    4.6.1伪彩色增强
    4.6.2真彩色增强
    练习题
   第5章 图象恢复和重建
    5.1概述和分类
    5.2退化模型和对角化
    5.2.1退化模型
    5.2.2循环矩阵对角化
    5.2.3无约束和有约束恢复
    5.3无约柬恢复
    5.3.1逆滤波
    5.3.2消除匀速直线运动模糊
    5.4有约束恢复
    5.4.1维纳滤波器
    5.4.2有约束最小平方恢复
    5.5交互式恢复
    5.6几何失真校正
    5.6.1空间变换
    5.6.2灰度插值
    5.7投影重建
    5.7.1原理和分类
    5.7.2傅里叶反变换重建
    5.7.3卷积逆投影重建
    5.7.4级数展开
    5.7.5综合重建方法
    练习题
   第6章 图象编码
    6.1概述和分类
    6.2基本概念和理论
    6.2.1数据冗余
    6.2.2图象保真度和质量
    6.2.3图象编码模型
    6.2.4信息论简介
    6.2.5基本编码定理
    6.3简单编码方法
    6.3.1变长编码
    6.3.2位平面编码
    6.4预测编码
    6.4.1无损预测编码
    6.4.2有损预测编码
    6.5变换编码
    6.5.1变换编码系统
    6.5.2变换选择
    6.5.3子图象尺寸选择
    6.5.4比特分配
    6.6国际标准简介
    6.6.1二值图象压缩标准
    6.6.2静止图象压缩标准
    6.6.3序列图象压缩标准
    练习题
   第7章 图象分割
    7.1概述和分类
    7.2并行边界技术
    7.2.1边缘检测
    7.2.2微分算子
    7.2.3边界闭合
    7.2.4哈夫变换
    7.3串行边界技术
    7.3.1图搜索
    7.3.2动态规划
    7.4并行区域技术
    7.4.1原理和分类
    7.4.2依赖象素的阈值选取
    7.4.3依赖区域的阈值选取
    7.4.4依赖坐标的阈值选取
    7.4.5连通区域标记
    7.5串行区域技术
    7.5.1区域生长
    7.5.2分裂合并
    7.6分割评价简介
    7.6.1评价方法及分类
    7.6.2最终测量精度
    7.6.3实用分割评价框架
    练习题
   第8章 目标表达和描述
    8.1概述和分类
    8.2边界表达
    8.2.1链码
    8.2.2边界段
    8.2.3多边形
    8.2.4标记
    8.3区域表达
    8.3.1空间占有数组
    8.3.2四叉树
    8.3.3骨架
    8.4边界描述
    8.4.1简单描述符
    8.4.2形状数
    8.4.3矩
    8.4.4傅里叶描述符
    8.5区域描述
    8.5.1简单描述符
    8.5.2拓扑描述符
    8.5.3形状描述符
    8.5.4纹理描述符
    8.5.5不变矩
    8.6关系描述
    8.6.1字符串描述符
    8.6.2树结构描述符
    8.7特征测量误差
    8.7.1影响测量精确度的因素
    8.7.2采样密度的影响
    8.7.3分割算法的影响
    8.7.4特征量计算公式的影响
    8.7.5综合影响
    练习题
   附录A 图象代数——数学形态学
    A.1概述和分类
    A.2基本集合定义
    A.3二值形态学基本运算
    A.3.1膨胀和腐蚀
    A.3.2开启和闭合
    A.3.3基本运算性质
    A.4二值形态学实用算法
    A.5二值形态学小结
    A.6灰度形态学基本运算
    A.6.1膨胀和腐蚀
    A.6.2开启和闭合
    A.6.3基本运算性质
    A.7灰度形态学实用算法
    练习题
   附录B 参考文献
    B.1概述和分类
    B.2主要英文专著
    B.3重要英文期刊
    B.4一些定期国际会议
    B.5本书引用中文文献
    B.6本书引用英文文献
    英文目录