本书主要介绍了数字图像处理的基本概念、基本原理、常见方法和应用案例,并且融入了近年来数字图像处理领域的重要进展。全书共11章,包括绪论、数字图像处理基础、图像增强、图像复原、彩色图像处理、图像压缩、图像形态学及其应用、图像分割、图像特征提取、图像识别、图像处理的综合应用实例分析。本书注重理论和实际应用相结合,在讲解理论的同时配以大量的行业应用案例。
本书可作为高等学校信息与通信工程、计算机科学与技术、软件工程、自动化、人工智能等专业本科高年级或研究生的教材,也可作为数字图像处理、计算机视觉、机器视觉、人工智能等领域工程技术人员的参考书。
前言
图像是重要的信息载体之一,数字图像处理关注的是图像的处理。数字图像处理是利用计算机对图像进行加工、转换和分析等操作的技术。随着科技发展进入数字化、网络化、智能化的新时代,数字图像处理技术的适用范围越来越广泛。数字图像处理技术与如今热门的人工智能、机器学习、信息安全等有着密切的联系。
本书可作为高等学校信息与通信工程、计算机科学与技术、软件工程、自动化、人工智能等专业“数字图像处理”课程的推荐教材。首先,随着信息技术的发展,“数字图像处理”课程所涵盖的内容需要与新技术衔接;其次,积极推进新工科建设,为培养高素质复合型“新工科”人才提出了新要求。本书就是为适应这两种新变化的需要而编写的。
本书是在编著者认真分析并研究了2010年以来出版和再版的若干国内外同类优质教材特点的基础上,结合多年的教学经验编写而成的。同时,本书结合地方院校特色,力求体现以下思路:
1.知识模块化,方便后续应用。将数字图像处理的知识模块化讲解,将其分为数字图像处理基础、图像增强、图像复原、图像压缩、图像分割、图像识别等模块,使读者对数字图像处理的内容有全局的认识。应用案例的介绍同样围绕着知识模块开展,有利于读者对数字图像处理技术各种知识模块的运用。
2.弱化数学分析、公式推导过程,从物理意义切入讲解。“数字图像处理”课程的新概念、新知识点较多,服务的对象是初学者,课程的内容体系与其他相关先修专业课程(如“信号与系统”和“数字信号处理”)之间有紧密的衔接和交融,有一定的公式量。但考虑到过多的数学分析、公式推导会分散读者的注意力,甚至掩盖物理意义,因此本书从物理意义方面切入讲解,更适合基础薄弱的初学者。在这方面,本书尽量做到:物理意义阐述详尽、公式简明、鲜有数学公式推导、易学易懂。总之,本书力求做到增加可读性,减少读者阅读和学习的困难。
3.以应用为导向,突显课程实用性。“数字图像处理”是一门不仅涉及专业理论而且与工程实践密切相关的课程,它与先修课程“信号与系统”和“数字信号处理”有差别。后者是讲述信号的分析方法和处理方法的理论课程,“数字图像处理”却是以理论为基础结合实际应用的课程。本书配合大量的案例,向应用更进一步。另外,本书配合行业发展特色应用案例进行讲授,有车牌识别案例、陶瓷碗口圆度检测案例、墙地砖外形检测案例等符合时代特色的教学案例,从而培养读者的学习兴趣,最终培养面向行业的应用型人才。
4.体现课程教学知识的可扩展性。随着信息技术的发展,数字图像处理相关的各领域的新技术不断涌现。面对新工科对人才培养的要求,课程教学应该与科技发展同步。本书的第10章对图像识别技术进行了介绍,图像识别技术可以与最新的智能技术对接,如人工智能技术、智能制造技术,从而增加读者的学习兴趣,开拓读者的视野和思路,适应现代科技对人才的要求。
本书第1章和第11章由王俊祥编写,第2~5、7、8章由赵怡编写,第6、9、10章由张天助编写。全书由王俊祥统编定稿。此外,在本书编写过程中李娇做了大量辅助工作。
在本书的编写过程中,编著者从所列参考文献中吸取了宝贵的成果和资料,在此谨向各参考文献的著译者表示衷心的感谢。
编著者深知,数字图像处理技术的范围广,新知识多,我们对这一领域的学习和研究水平十分有限,书中不妥之处在所难免,希望读者给予批评和指正。
编著者
前言
第1章绪论
1.1数字图像处理的基本概念
1.1.1图像的表示
1.1.2数字图像处理的目的
1.2数字图像处理的内容和方法
1.2.1数字图像处理的内容
1.2.2数字图像处理的方法
1.3数字图像处理系统的构成
1.4数字图像处理的特色应用
1.5本章小结
第2章数字图像处理基础
2.1数字图像处理基础概述
2.2图像的视觉基础
2.2.1人眼视觉系统
2.2.2人眼视觉模型
2.2.3人眼视觉特性
2.3图像的数字化表示
2.3.1图像的获取
2.3.2图像数字化过程
2.3.3数字图像表示方法
2.4图像像素间的关系
2.4.1图像像素邻域
2.4.2图像像素邻接
2.4.3像素间的距离
2.5图像的算术运算
2.6本章小结
第3章图像增强
3.1图像增强概述
3.2空间域的图像增强——直接灰度变换法
3.2.1图像线性变换
3.2.2图像非线性变换
3.3空间域的图像增强——直方图修正法
3.3.1直方图的概念
3.3.2直方图均衡化
3.3.3直方图规定化
3.4空间域的滤波增强——平滑滤波与锐化滤波
3.4.1平滑滤波器
3.4.2锐化滤波器
3.5频率域的图像增强
3.5.1离散傅里叶变换
3.5.2频率域平滑滤波——低通滤波器
3.5.3频率域锐化滤波——高通滤波器
3.6本章小结
第4章图像复原
4.1图像复原概述
4.1.1图像退化与复原的关系
4.1.2图像降质过程的数学模型
4.2常见的退化函数估计
4.3噪声模型及只含噪声图像的复原
4.3.1各类常见噪声模型
4.3.2空间域滤波对只含噪声图像的复原
4.3.3频率域滤波对只含周期噪声图像的复原
4.4复原的经典理论方法(选学)
4.4.1逆滤波复原
4.4.2维纳滤波复原
4.4.3约束小二乘方滤波复原
4.5图像的几何失真变换
4.5.1基本的几何失真变换
4.5.2灰度插值复原
4.6本章小结
第5章彩色图像处理
5.1彩色图像处理概述
5.2彩色基础
5.2.1彩色的颜色属性
5.2.2原色相加理论和原色相减理论
5.3彩色模型
5.3.1RGB彩色模型
5.3.2CMY和CMYK彩色模型
5.3.3HSI彩色模型
5.3.4与设备无关的彩色模型——Lab彩色模型
5.3.5彩色模型之间的变换
5.4伪彩色图像处理
5.4.1灰度分层法
5.4.2灰度级到彩色变换法
5.5彩色变换
5.5.1调整彩色图像亮度
5.5.2补色
5.5.3彩色分层
5.5.4色调和彩色校正
5.5.5直方图处理
5.6彩色图像增强
5.6.1彩色图像平滑
5.6.2彩色图像锐化
5.7彩色图像分割
5.7.1HSI彩色模型分割
5.7.2RGB彩色模型分割
5.7.3彩色图像边缘检测(选学)
5.8本章小结
第6章图像压缩
6.1图像压缩概述
6.2数学变换基础
6.2.1数据冗余
6.2.2基础变换
6.3无损压缩编码
6.3.1霍夫曼编码
6.3.2行程编码
6.3.3算术编码
6.4有损压缩编码
6.4.1有损预测编码
6.4.2变换编码
6.4.3其他编码
6.5图像压缩标准与图像格式
6.5.1JPEG
6.5.2JPEG2000
6.5.3其他图像压缩标准
6.5.4图像格式
6.6本章小结
第7章图像形态学及其应用
7.1图像形态学概述
7.2二值图像数学形态学的运算工具——腐蚀与膨胀
7.2.1数学形态学的基础知识
7.2.2二值腐蚀与膨胀
7.3二值图像数学形态学的运算工具——开运算与闭运算
7.3.1二值图像开运算
7.3.2二值图像闭运算
7.4数学形态学的常见算法
7.4.1边界提取
7.4.2孔洞填充
7.4.3击中与击不中变换
7.4.4提取连通分量
7.4.5细化和粗化
7.4.6骨架抽取
7.5灰度图像形态学
7.5.1灰度腐蚀与膨胀
7.5.2灰度开运算与闭运算
7.6本章小结
第8章图像分割
8.1图像分割概述
8.2点、线的边缘检测方法
8.2.1边缘检测原理
8.2.2点检测
8.2.3线检测
8.2.4各种边缘检测算子及性能对比
8.2.5霍夫(Hough)变换
8.3基于阈值的分割方法
8.3.1阈值分割的原理与分类
8.3.2全局阈值分割
8.3.3局部阈值分割
8.4基于区域提取的分割方法
8.4.1区域生长
8.4.2区域分裂与合并
8.5形态学分水岭算法分割图像
8.6其他分割算法(选学)
8.6.1超像素的区域分割
8.6.2运动视频在分割中的运用
8.7本章小结
第9章图像特征提取
9.1图像特征提取概述
9.2边界预处理表示方法
9.2.1链码
9.2.2小周长多边形近似边界
9.2.3标记图
9.2.4骨架
9.3边界特征描绘子
9.3.1基础边界描绘子
9.3.2形状数
9.3.3傅里叶描绘子
9.3.4统计矩
9.4区域描绘特征(选学)
9.4.1一些基本的区域描绘子
9.4.2拓扑描绘子
9.4.3纹理
9.4.4矩不变量
9.4.5特征描绘子的主分量
9.5尺度不变特征变换
9.5.1尺度空间极值检测(选学)
9.5.2关键点定位
9.5.3方向确定
9.5.4关键点描述
9.6本章小结
第10章图像识别
10.1图像识别概述
10.2基于传统机器学习的图像识别
10.2.1监督学习算法
10.2.2非监督学习算法
10.3分类模型评价指标
10.4基于深度学习的图像识别
10.5本章小结
第11章图像处理的综合应用实例分析
11.1车牌识别综合案例分析
11.1.1车牌识别概述
11.1.2车牌识别原理
11.1.3车牌识别案例实验分析
11.2陶瓷碗口圆度检测综合案例分析
11.2.1陶瓷碗口圆度检测概述
11.2.2陶瓷碗口圆度检测原理
11.2.3陶瓷碗口圆度检测实验分析
11.3陶瓷碗口缺口检测综合案例分析
11.3.1陶瓷碗口缺口检测概述
11.3.2陶瓷碗口缺口检测原理及实验分析
11.4墙地