数字图像处理(第4版)/国外电子书与通信教材系列

在数字图像处理领域，本书作为主要教材已有40多年。第四版是作者在前三版的基础上修订而成的，是前三版的发展与延续。除保留前几版的大部分内容外，根据读者的反馈，作者对本书进行了全面修订，融入了近年来数字图像处理领域的重要进展，增加了几百幅新图像、几十个新图表和上百道新习题。全书共12章，即绪论、数字图像基础、灰度变换与空间滤波、频率域滤波、图像复原与重构、小波变换和其他图像变换、彩色图像处理、图像压缩和水印、形态学图像处理、图像分割、特征提取、图像模式分类。本书的读者对象主要是从事信号与信息处理、通信工程、电子科学与技术、信息工程、自动化、计算机科学与技术、地球物理、生物工程、生物医学工程、物理、化学、医学、遥感等领域的大学教师和科技工作者、研究生、大学本科高年级学生及工程技术人员。

阮秋琦：教授、博士生导师。曾任国务院学位委员会学科评议组成员、北京交通大学学位委员会副主席、中国图像图形学学会常务理事、北京图像图形学学会副理事长、中国图像图形学学会铁道专业委员会主任委员；现为IEEE北京分会主席、IET北京分会主席及会士、中国通信学会会士、中国电子学会会士/理事、中国电子教育学会理事、信号处理学会副理事长、科技部国际合作项目评审专家、国家自然科学基金委员会第十三届评审专家、国家留学基金委员会评审专家。

第1章 绪论 1 引言 1 学习目标 1 1.1 什么是数字图像处理 1 1.2 数字图像处理的起源 2 1.3 数字图像处理技术应用领域实例 5 1.3.1 伽马射线成像 5 1.3.2 X射线成像 6 1.3.3 紫外波段成像 8 1.3.4 可见光和红外波段成像 8 1.3.5 微波波段成像 14 1.3.6 无线电波段成像 14 1.3.7 其他成像方式 15 1.4 数字图像处理的基本步骤 18 1.5 图像处理系统的组成 20 小结、参考文献和延伸读物 22 第2章 数字图像基础 23 引言 23 学习目标 23 2.1 视觉感知要素 23 2.1.1 人眼的结构 24 2.1.2 人眼的成像方式 25 2.1.3 亮度适应与辨别 25 2.2 光和电磁波谱 28 2.3 图像感知与获取 30 2.3.1 使用单个传感器获取图像 31 2.3.2 使用条带传感器获取图像 31 2.3.3 使用阵列传感器获取图像 32 2.3.4 一个简单的成像模型 33 2.4 图像取样和量化 34 2.4.1 取样和量化的基本概念 34 2.4.2 数字图像表示 36 2.4.3 线性索引和坐标索引 39 2.4.4 空间分辨率和灰度分辨率 40 2.4.5 图像内插 44 2.5 像素间的一些基本关系 45 2.5.1 像素的相邻像素 45 2.5.2 邻接、连通、区域和边界 46 2.5.3 距离测度 47 2.6 数字图像处理所用的基本数学工具介绍 48 2.6.1 对应元素运算和矩阵运算 48 2.6.2 线性运算与非线性运算 49 2.6.3 算术运算 50 2.6.4 集合运算和逻辑运算 54 2.6.5 空间运算 59 2.6.6 向量与矩阵运算 66 2.6.7 图像变换 67 2.6.8 图像灰度和随机变量 69 小结、参考文献和延伸读物 70 习题 70 第3章 灰度变换与空间滤波 75 引言 75 学习目标 75 3.1 背景 75 3.1.1 灰度变换和空间滤波基础 76 3.1.2 关于本章中例子的说明 77 3.2 一些基本的灰度变换函数 77 3.2.1 图像反转 77 3.2.2 对数变换 78 3.2.3 幂律（伽马）变换 79 3.2.4 分段线性变换函数 82 3.3 直方图处理 86 3.3.1 直方图均衡化 87 3.3.2 直方图匹配（规定化） 93 3.3.3 精确直方图匹配（规定化） 99 3.3.4 局部直方图处理 105 3.3.5 使用直方图统计量增强图像 106 3.4 空间滤波基础 108 3.4.1 线性空间滤波的原理 108 3.4.2 空间相关与卷积 109 3.4.3 可分离滤波器核 114 3.4.4 空间域滤波和频率域滤波的一些 重要比较 115 3.4.5 如何构建空间滤波器核 116 3.5 平滑（低通）空间滤波器 116 3.5.1 盒式滤波器核 117 3.5.2 低通高斯滤波器核 118 3.5.3 顺序统计（非线性）滤波器 124 3.6 锐化（高通）空间滤波器 125 3.6.1 基础 125 3.6.2 使用二阶导数锐化图像——拉普 拉斯算子 127 3.6.3 钝化掩蔽和高提升滤波 130 3.6.4 使用一阶导数锐化图像——梯度 131 3.7 低通、高通、带阻和带通滤波器 134 3.8 组合使用空间增强方法 136 小结、参考文献和延伸阅读 139 习题 140 第4章 频率域滤波 145 引言 145 学习目标 145 4.1 背景 145 4.1.1 傅里叶级数和变换简史 146 4.1.2 关于本章中的例子 147 4.2 基本概念 147 4.2.1 复数 148 4.2.2 傅里叶级数 148 4.2.3 冲激函数及其取样性质 148 4.2.4 单连续变量函数的傅里叶变换 150 4.2.5 卷积 152 4.3 取样和取样函数的傅里叶变换 153 4.3.1 取样 153 4.3.2 取样后的函数的傅里叶变换 154 4.3.3 取样定理 156 4.3.4 混叠 158 4.3.5 由取样后的数据重构（复原）函数 160 4.4 一元函数的离散傅里叶变换 161 4.4.1 由取样后的函数的连续变换得到DFT 161 4.4.2 取样和频率间隔的关系 163 4.5 二元函数的傅里叶变换 164 4.5.1 二维冲激及其取样性质 164 4.5.2 二维连续傅里叶变换对 164 4.5.3 二维取样和二维取样定理 165 4.5.4 图像中的混叠 166 4.5.5 二维离散傅里叶变换及其反变换 171 4.6 二维DFT和IDFT的一些性质 171 4.6.1 空间间隔和频率间隔的关系 171 4.6.2 平移和旋转 171 4.6.3 周期性 172 4.6.4 对称性 173 4.6.5 傅里叶谱和相角 177 4.6.6 二维离散卷积定理 181 4.6.7 二维离散傅里叶变换性质的小结 184 4.7 频率域滤波基础 185 4.7.1 频率域的其他特性 185 4.7.2 频率域滤波基础 186 4.7.3 频率域滤波步骤小结 190 4.7.4 空间域和频率域滤波之间的对应性 192 4.8 使用低通频率域滤波器平滑图像 195 4.8.1 理想低通滤波器 195 4.8.2 高斯低通滤波器 198 4.8.3 巴特沃斯低通滤波器 199 4.8.4 低通滤波的其他例子 201 4.9 使用高通滤波器锐化图像 203 4.9.1 由低通滤波器得到理想、高斯和巴特沃 斯高通滤波器 203 4.9.2 频率域中的拉普拉斯算子 207 4.9.3 钝化掩蔽、高提升滤波和高频强调 滤波 208 4.9.4 同态滤波 210 4.10 选择性滤波 212 4.10.1 带阻滤波器和带通滤波器 212 4.10.2 陷波滤波器 214 4.11 快速傅里叶变换 217 4.11.1 二维DFT的可分离性 217 4.11.2 使用DFT算法计算IDFT 218 4.11.3 快速傅里叶变换（FFT） 218 小结、参考文献和延伸读物 220 习题 221 第5章 图像复原与重构 228 引言 228 学习目标 228 5.1 图像退化/复原处理的一个模型 228 5.2 噪声模型 229 5.2.1 噪声的空间性质和频率性质 229 5.2.2 一些重要的噪声概率密度函数 229 5.2.3 周期噪声 234 5.2.4 估计噪声参数 234 5.3 只出现噪声的复原——空间滤波 235 5.3.1 均值滤波器 235 5.3.2 顺序统计滤波器 238 5.3.3 自适应滤波器 242 5.4 使用频率域滤波降低周期噪声 245 5.4.1 陷波滤波深入介绍 245 5.4.2 最优陷波滤波 248 5.5 线性位置不变退化 252 5.6 估计退化函数 253 5.6.1 采用观察法估计退化函数 253 5.6.2 采用试验法估计退化函数 254 5.6.3 采用建模法估计退化函数 254 5.7 反滤波 257 5.8 最小均方误差（维纳）滤波 258 5.9 约束最小二乘滤波 261 5.10 几何平均滤波 264 5.11 根据投影重构图像 265 5.11.1 引言 265 5.11.2 X射线计算机断层成像（CT） 原理 267 5.11.3 投影和雷登变换 269 5.11.4 反投影 272 5.11.5 傅里叶切片定理 273 5.11.6 使用平行射线束滤波反投影重构 274 5.11.7 使用扇形射线束滤波反投影重构 图像 278 小结、参考文献和延伸读物 282 习题 283 第6章 彩色图像处理 287 引言 287 学习目标 287 6.1 彩色基础 288 6.2 彩色模型 292 6.2.1 RGB彩色模型 293 6.2.2 CMY和CMYK彩色模型 294 6.2.3 HSI彩色模型 295 6.2.4 设备无关彩色模型 301 6.3 伪彩色图像处理 302 6.3.1 灰度分层和彩色编码 302 6.3.2 灰度到彩色的变换 305 6.4 全彩色图像处理基础 309 6.5 彩色变换 310 6.5.1 公式 310 6.5.2 补色 313 6.5.3 彩色分层 314 6.5.4 色调和彩色校正 315 6.5.5 彩色图像的直方图处理 318 6.6 彩色图像平滑和锐化 319 6.6.1 彩色图像平滑 319 6.6.2 彩色图像锐化 321 6.7 使用彩色分割图像 322 6.7.1 HSI彩色空间中的分割 322 6.7.2 RGB空间中的分割 323 6.7.3 彩色边缘检测 325 6.8 彩色图像中的噪声 328 6.9 彩色图像压缩 330 小结、参考文献和延伸读物 331 习题 332 第7章 小波变换和其他图像变换 335 引言 335 学习目标 335 7.1 背景 335 7.2 基于矩阵的变换 337 7.3 相关 345 7.4 时间-频率平面的基函数 346 7.5 基图像 349 7.6 傅里叶相关的变换 351 7.6.1 离散哈特利变换 351 7.6.2 离散余弦变换 353 7.6.3 离散正弦变换 356 7.7 沃尔什-哈达玛变换 3