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基础篇第1部分 图像处理2

1 图像处理的历史2

1.1 前期历史——20世纪50年代2

1.2 数字图像处理技术的开端——20世纪60年代4

1.3 数字图像处理技术发展期——20世纪70年代6

1.4 普及和多样化的20世纪80年代／重视图像媒体大众化、高科技化的20世纪90年代12

1.5 结束语——展望21世纪19

引用文献20

2 数字图像与处理23

2.1 图像数字化23

2.1.1 图像的采样24

2.1.2 图像分级量化31

2.1.3 扫描35

2.2 数字图像的表现37

2.2.1 坐标系和图像排列37

2.2.2 通道38

2.2.3 光栅型图像和向量型图像40

2.2.4 基于树型结构的数据表现41

2.3 图像文件格式44

2.4 画质46

2.4.1 影响画质的灰度信息46

2.4.2 影响画质的空间信息53

2.5 图像的处理61

2.5.1 图像处理的模型61

2.5.2 图像识别过程63

引用文献71

3 图像模型72

3.1 概述72

3.2 图像模型的类型73

3.2.1 图像模型的分类73

3.2.2 历史背景74

3.3 图像模型的概要76

3.3.1 统计模型76

3.3.2 结构模型81

3.4 模型的选择基准86

3.5 图像模型的应用87

引用文献88

4 图像的几何学90

4.1 图像几何模型90

4.1.1 中心投影方式的传感器图像91

4.1.2 非中心投影方式的传感器图像107

4.2 图像的几何变形109

4.2.1 传感器结构引起的变形（内部变形）110

4.2.2 图像投影方式的几何学引起的变形（外部变形）113

4.2.3 表达图像几何变形的模型115

4.3 地图投影119

4.3.1 地球的形状120

4.3.2 地球上点的位置表示方法123

4.3.3 地图投影法的分类125

4.3.4 透视投影法129

4.3.5 圆锥投影法135

4.3.6 圆柱投影法138

引用文献146

参考文献146

5 模式识别与神经网络147

5.1 模式识别147

5.2 贝叶斯决策理论148

5.2.1 贝叶斯决策方法148

5.2.2 正态分布的情况149

5.3 层状神经网络150

5.3.1 神经网络的概念150

5.3.2 多层感知器152

5.3.3 多层感知器与非线性回归158

5.3.4 通用性159

5.3.5 径向基函数网络162

5.4 支持向量机162

5.4.1 支持向量机的学习163

5.4.2 软分类间隔165

5.4.3 核技术（Kernel trick）法166

引用文献167

参考文献169

6 图像理解与计算机视觉170

6.1 历史与发展170

6.2 图像理解系统171

6.2.1 图像处理中的知识172

6.2.2 利用对象结构知识的图像理解系统175

6.2.3 利用图像处理技术有关知识的图像处理专家系统179

6.2.4 图像理解系统的展望186

6.3 松弛法与正则化187

6.3.1 松弛法188

6.3.2 能量最小化原理和正则化193

6.3.3 遗传算法在图像处理中的应用202

6.4 三维信息的解析206

6.4.1 概述206

6.4.2 由光学非接触方法获取三维形状信息206

6.4.3 用于识别的三维形状描述208

6.4.4 生成形状模型的三维信息处理214

6.5 运动信息的分析218

6.5.1 时空图像处理220

6.5.2 基于视频图像估计三维结构与运动239

6.5.3 基于身体模型的视频解析254

6.6 机器人视觉270

6.6.1 主动视觉系统的构成271

6.6.2 基本视觉行动的实现274

6.6.3 视觉行动的应用276

引用文献277

7 图像处理与松弛法288

7.1 松弛法在图像处理中的应用和原理288

7.2 离散松弛法的基本处理过程293

7.2.1 离散松弛法293

7.2.2 加权离散松弛法（模糊松弛法）300

7.3 概率松弛法（非线性概率松弛法）301

7.3.1 Rosenfeld概率松弛法302

7.3.2 Peleg概率松弛法303

引用文献303

基础篇第2部分 关联知识306

1 视觉306

1.1 视觉生理306

1.1.1 与神经生理相关的术语309

1.1.2 视网膜310

1.1.3 外侧膝状体（从视网膜到大脑皮层的视觉信息流程）326

1.1.4 大脑皮层328

1.1.5 小结337

1.2 视觉心理337

1.2.1 感觉形式338

1.2.2 知觉的状态354

1.2.3 认知的诸要素361

1.2.4 感性的各要素363

引用文献366

2 光与色375

2.1 作为电磁波的光375

2.1.1 电磁波与波375

2.1.2 作为电磁波的光的属性377

2.2 关于辐射的基本物理量385

2.2.1 辐射量的定义385

2.2.2 辐射量的基本性质389

2.2.3 反射及其相关用语391

2.3 光的产生399

2.3.1 热辐射399

2.3.2 发光403

2.3.3 激光404

2.4 关于明亮程度的基本心理物理量408

2.4.1 作为心理物理量的测光量408

2.4.2 测光量的定义410

2.4.3 亮度与明亮程度的关系413

2.4.4 明度指数与视感反射率的关系414

2.5 颜色414

2.5.1 心理物理色与知觉色414

2.5.2 颜色的表现方式415

2.6 表色系416

2.6.1 心理物理色的表色系416

2.6.2 知觉色的表色系431

2.6.3 CIE均等色空间435

2.7 测色与标准光440

2.7.1 光的颜色440

2.7.2 色温441

2.7.3 物体色442

2.7.4 标准光444

2.8 色再现447

2.8.1 基于混色的色再现448

2.8.2 图像介质间的色再现452

引用文献459

3 波动光学460

3.1 波动的数学表示和基本性质460

3.1.1 波动的数学表示460

3.1.2 波动的强度、相位差和光学长度463

3.1.3 相干463

3.1.4 散斑464

3.2 衍射466

3.2.1 衍射与波传播的基本式466

3.2.2 菲涅耳衍射及其性质467

3.2.3 夫琅禾费衍射及其性质470

3.3 衍射和成像475

3.3.1 使用透镜的光学成像系统的振幅分布响应475

3.3.2 光学成像系统的空间频率响应480

3.3.3 衍射限度484

3.3.4 超分辨与切趾487

3.4 特殊的像形成法505

3.4.1 利用波带片的像形成505

3.4.2 全息摄影术508

3.5 合成孔径雷达514

3.5.1 用于相干波的像形成过程的合成孔径雷达514

3.5.2 像形成的原理514

3.5.3 再生处理的原理521

3.5.4 合成孔径雷达的光学表述523

3.5.5 合成孔径雷达和全息摄影术526

3.5.6 合成孔径雷达中的散斑528

3.5.7 合成孔径雷达图像的噪声529

引用文献534

参考文献535

4 辐射传递理论536

4.1 辐射传递的理论536

4.1.1 辐射亮度与辐射通量539

4.1.2 辐射传递方程式540

4.1.3 平行平面大气层问题542

4.2 多重散射的计算方法543

4.2.1 Doubling and adding法543

4.2.2 蒙特卡罗法546

4.3 大气层、地表体系中的辐射传导549

4.3.1 标准大气层模型549

4.3.2 地表上的反射553

4.4 大气层-海洋体系中的辐射传递554

4.4.1 海水的光学特性554

4.4.2 海面上辐射的反射及折射555

4.4.3 静止海面的场合556

4.4.4 有风速的海面558

4.5 热红外的辐射理论559

引用文献560

5 图像、统计与概率563

5.1 统计与概率的基础563

5.1.1 术语定义563

5.1.2 大数定律与中心极限定理567

5.1.3 属于正态总体的各种分布568

5.1.4 其他具有代表性的概率分布571

5.2 统计估计573

5.2.1 点估计573

5.2.2 区间估计587

5.3 统计检验589

5.3.1 等方差假设的检验589

5.3.2 等均值假设的检验589

5.3.3 关于分布的适应度的检验591

5.3.4 随机性检验591

5.3.5 独立性检验592

5.4 随机过程592

5.4.1 马尔可夫过程593

5.4.2 矩函数594

5.4.3 平稳过程（stationary process）594

5.4.4 维纳过程594

5.4.5 泊松过程595

5.4.6 遍历过程596

5.5 随机过程的一般化597

5.5.1 随机场597

5.5.2 随机场的均值、自相关及自方差597

5.5.3 功率谱密度598

5.5.4 马尔可夫随机场599

5.6 主成分分析605

5.6.1 主成分分析的概念605

5.6.2 主成分计算605

5.6.3 方差协方差矩阵与相关矩阵606

5.6.4 贡献比及累积贡献比607

5.6.5 主成分分析的几何学解释609

5.7 正则分析610

5.7.1 概念610

5.7.2 正则变量的计算611

5.8 重回归分析613

5.8.1 概念613

5.8.2 重回归式的计算613

5.8.3 标准偏回归系数616

5.8.4 回归平方和与重相关系数617

引用文献618

参考文献619

6 图像线性变换620

6.1 傅里叶变换与正交变换620

6.1.1 傅里叶变换620

6.1.2 各种正交变换626

6.2 滤波与窗函数634

6.2.1 滤波634

6.2.2 窗函数及其频率特性640

6.3 小波变换645

6.3.1 连续小波变换645

6.3.2 正交小波变换647

6.3.3 双正交小波变换653

6.3.4 二维小波变换661

引用文献664

参考文献664

7 计算几何学与数学形态学665

7.1 计算几何学及其应用665

7.1.1 计算几何学的基本算法665

7.1.2 计算几何学的应用684

7.2 基于数学形态学的图像分析693

7.2.1 形态滤波器694

7.2.2 形态骨架及其性质701

7.2.3 基于数学形态学的图形分解703

7.2.4 模式谱及其性质705

7.2.5 小结708

引用文献708

8 模糊理论和图像处理711

8.1 模糊集合712

8.1.1 概念712

8.1.2 模糊集合的基本运算714

8.1.3 对于模糊集合的其他运算718

8.1.4 对于模糊集合的水平集合719

8.2 模糊关系720

8.2.1 2元关系720

8.2.2 模糊关系的运算721

8.2.3 模糊关系的合成723

8.2.4 类似关系724

8.2.5 模糊距离727

8.2.6 模糊排序（fuzzy ordering）729

8.3 模糊推理（fuzzy inference）732

8.3.1 多值逻辑与模糊推理732

8.3.2 模糊推理733

8.3.3 较为复杂的推理736

8.3.4 利用模糊推理的图像处理737

8.4 模糊统计分类738

8.4.1 模糊概率738

8.4.2 模糊熵（fuzzy entropy）739

8.4.3 模糊贝叶斯判别法740

8.5 模糊聚类741

8.5.1 c-means法741

8.5.2 模糊c-means法741

8.6 模糊测度和Dempster-Shafer理论743

8.6.1 置信测度和plausibility测度744

8.6.2 基本概率分配745

8.6.3 Dempster结合规则746

8.6.4 Dempster-Shafer理论向模糊集合的扩展748

8.6.5 集合关系中的Dempster-Shafer理论749

8.6.6 概率测度751

8.6.7 可能性测度及必然性测度751

8.6.8 可能性／概率调和原理755

8.6.9 次正规模糊测度756

8.6.10 模糊测度在图像处理中的应用757

8.7 模糊理论在图像处理中的应用758

8.7.1 概述758

8.7.2 应用实例759

8.8 模糊系统和神经网络的结合763

引用文献765

参考文献767

应用篇第1部分 投影770

1 图像重建770

1.1 计算机层析成像770

1.1.1 计算机层析成像的原理770

1.1.2 投影测量法772

1.1.3 重建处理774

1.1.4 三维重建和显示783

1.2 SAR图像重建789

1.2.1 重建处理的分类789

1.2.2 SAR原始数据790

1.2.3 距离多普勒法796

1.2.4 其他的SAR图像重建法813

1.2.5 基于SAR观测模式的处理方法的差异818

引用文献818

参考文献821

2 图像恢复822

2.1 图像劣化模型823

2.2 恢复问题所需要的事前信息826

2.3 不适定问题与正则化827

2.4 混淆现象828

2.5 恢复问题的统一处理830

2.6 恢复问题与希尔伯特空间832

2.7 线性恢复滤波器833

2.7.1 摩尔-彭罗斯一般逆矩阵833

2.7.2 矩阵的满秩分解834

2.7.3 逆矩阵的辅助定理835

2.7.4 维纳滤波器835

2.7.5 一般逆滤波器838

2.7.6 约束最小二乘滤波器840

2.7.7 参数维纳滤波器841

2.7.8 古典恢复滤波器的问题点与评价基准应该具备的条件841

2.7.9 投影滤波器843

2.7.10 部分投影滤波器846

2.7.11 参数投影滤波器848

2.7.12 参数局部投影滤波器849

2.7.13 小结850

2.8 超分辨851

2.9 非线性恢复滤波器854

引用文献856

参考文献857

3 校正858

3.1 几何校正858

3.1.1 图像的几何校正858

3.1.2 基于中心投影方式传感器的图像几何校正870

3.1.3 斜距图像的几何校正881

3.2 辐射量校正883

3.2.1 传感器的校正884

3.2.2 可视和近红外区域的大气校正896

3.2.3 红外域的大气校正914

3.3 马赛克926

3.3.1 系统性灰度校正927

3.3.2 位置对应及坐标系的统一928

3.3.3 灰度校正（颜色校正）929

3.3.4 探索结合点930

3.3.5 结合点周围的平滑932

引用文献934

参考文献938

4 灰度和颜色信息的变换939

4.1 对比度变换939

4.1.1 使用函数的变换939

4.1.2 统计变换（statistical con-version）942

4.1.3 直方图变换943

4.1.4 查找表948

4.2 颜色空间的变换949

4.2.1 伪彩色表示949

4.2.2 假彩色合成951

4.2.3 HSI变换及其逆变换951

4.3 图像间运算960

4.3.1 通道间运算961

4.3.2 时间系列图像间运算961

4.4 图像的疑似灰度表示961

4.4.1 灰度图案法962

4.4.2 抖动法963

4.4.3 像素分配法967

4.5 限色表示算法970

4.5.1 均匀量化法972

4.5.2 细分量化法972

4.5.3 最接近色搜索法974

引用文献975

参考文献976

5 空间信息的变换977

5.1 平滑化977

5.1.1 局部操作处理977

5.1.2 使用松弛法的平滑化983

5.1.3 基于在频域内处理的平滑化986

5.2 鲜明化986

5.2.1 使用局部算子的处理986

5.2.2 基于在频域内处理的锐化987

5.3 边缘和线的提取987

5.3.1 边缘要素的提取987

5.3.2 线要素的提取1002

5.3.3 边缘及线要素的结合1011

5.4 纹理特征的提取1013

5.4.1 统计特征的提取1013

5.4.2 基于局部几何学特征的分析1018

5.4.3 基于模板匹配的分析1019

5.4.4 规则纹理的结构分析1021

5.4.5 基于不规则碎片形维的分析1022

引用文献1030

6 几何学信息的变换1036

6.1 几何变换1036

6.1.1 二维几何变换1036

6.1.2 三维几何变换1053

6.2 三维测量1062

6.2.1 使用图像处理技术的三维测量法1062

6.2.2 利用中心投影方式进行传感器图像的三维测量1068

6.2.3 利用斜距图像的三维测量1083

6.2.4 波纹地形法1085

6.3 补间和内插1088

6.3.1 一维数据的补间1088

6.3.2 图像数据的内插1097

6.4 曲线和曲面的表现1108

6.4.1 等高线、随机、格子变换1108

6.4.2 曲线和曲面的表现1132

引用文献1159

7 图像的数据压缩1161

7.1 图像数据压缩的概念和图像编码方法的分类1161

7.1.1 图像数据压缩的概念1161

7.1.2 图像编码方法的分类1163

7.1.3 针对有损编码的量化方法1167

7.1.4 符号表示1168

7.2 图像编码模型1172

7.2.1 2值图像编码模型1173

7.2.2 多值与自然图像编码模型1178

7.2.3 运动图像编码模型1206

7.3 熵编码法1209

7.3.1 霍夫曼编码1209

7.3.2 Golomb编码1211

7.3.3 算术编码1213

7.4 图像编码的国际标准方式1215

7.4.1 静止图像编码的国际标准方式1215

7.4.2 2值图像编码的国际标准方式1218

7.4.3 运动图像编码的国际标准方式1219

引用文献1222

8 2值图像处理1227

8.1 阈值决定法及2值化1227

8.1.1 阈值处理1227

8.1.2 阈值自动决定法1228

8.1.3 动态阈值处理1229

8.2 几何学性质1230

8.2.1 连接性1230

8.2.2 距离1232

8.3 2值图像的操作1232

8.3.1 区域标记1232

8.3.2 膨胀和腐蚀1234

8.3.3 距离变换1234

8.3.4 细线化1236

8.3.5 境界线的追踪1238

8.3.6 形状特征的测量方法1239

8.3.7 2值图像中的内外判定1241

8.4 2值图像的编码1243

8.4.1 游程长度编码1243

8.4.2 阶层表示1244

8.4.3 链编码1245

8.5 线图形的矢量化1245

8.5.1 简单方法1246

8.5.2 圆锥交叉法1247

引用文献1248

应用篇第2部分 识别1250

1 分类1250

1.1 分类的处理过程及其设计1250

1.1.1 处理内容的设定、调整（分类系统的设计）概述1252

1.1.2 分类的处理过程（分类系统）的概述1257

1.1.3 分类系统的实例1259

1.1.4 主要符号的定义1262

1.2 训练数据的抽取1263

1.2.1 教师指导的学习1263

1.2.2 无教师指导的学习1264

1.2.3 层次聚类（融合法）1265

1.2.4 非层次聚类（再配置法）1269

1.2.5 层次模式法1272

1.2.6 直方图模式法1272

1.3 相似性1274

1.3.1 引言1274

1.3.2 距离测度1275

1.3.3 类之间的距离1278

1.3.4 光谱距离测度（spectral distance measure）1282

1.3.5 离散对象之间的距离1283

1.4 特征选择1284

1.5 识别法1286

1.5.1 最大似然法1286

1.5.2 最短距离法1289

1.5.3 k近邻法1291

1.5.4 多层切片1291

1.5.5 决策树法1293

1.5.6 使用松弛法的识别1294

1.5.7 使用神经网络的识别1301

1.5.8 分层识别法1311

1.6 分类结果的后处理1313

1.6.1 分类结果的平滑处理1313

1.6.2 分类类和范畴的对应1315

1.7 分类精度评价1319

1.7.1 测试区域1319

1.7.2 分类效率表1319

1.7.3 分类精度的实验估计1323

引用文献1326

参考文献1328

2 区域分割1330

2.1 综合法1330

2.1.1 单纯区域扩充法1330

2.1.2 反复型区域扩充法1331

2.1.3 统计假设检验法1331

2.1.4 Brice和Fennema的启发法1331

2.2 分离归并法1332

2.3 像素结合法1333

2.3.1 基于横矢的相对相似性区域分割1333

2.4 特征空间中分组化的区域分割1334

2.4.1 Oglander等人的递归阈值处理1334

2.4.2 小区域的分类化1334

2.5 使用松弛法的区域分割1335

2.5.1 概率松弛法的区域分割1337

2.5.2 梯度松弛法的区域分割1342

引用文献1345

3 匹配1346

3.1 模板匹配1346

3.1.1 相关系数的方法1347

3.1.2 SSDA法1348

3.1.3 最小二乘匹配1349

3.1.4 从粗到细处理方法1353

3.2 结构匹配1356

3.2.1 分支点主导型方法1357

3.2.2 线段主导型方法1358

3.3 使用松弛法的匹配1359

3.3.1 点模式匹配1360

3.3.2 线模式匹配1365

3.3.3 形状匹配1370

3.4 依据迭代运算的图形分离1380

3.4.1 算法1380

3.4.2 实例1385

3.4.3 和其他方法的比较1386

3.5 不变量1387

3.5.1 灰度调节操作（线性变换）下的不变量1387

3.5.2 几何操作（平行移动、相似扩大或缩小、旋转）下的不变量1388

引用文献1391

应用篇第3部分 专题1396

1 图像的特殊效果1396

1.1 计算机图形表示的特殊效果1396

1.2 基于灰度信息变换的特殊效果1397

1.2.1 高对比度效果1397

1.2.2 底片效果1398

1.2.3 2值化1398

1.2.4 海报化效果1398

1.2.5 负感作用效果1399

1.2.6 图像合成1400

1.3 基于空间信息变换的特殊效果1403

1.3.1 模糊效果1403

1.3.2 马赛克效果1405

1.3.3 浮雕效果1405

1.3.4 纹理效果1408

1.3.5 绘画效果1409

1.3.6 去阶梯效应1409

1.4 基于几何学信息变换的特殊效果1410

1.4.1 利用函数的变形1411

1.4.2 扭曲1412

1.5 复合的特殊效果1412

1.5.1 渐变1412

参考文献1413

2 图形绘制1414

2.1 总体流程1414

2.2 坐标变换1415

2.2.1 平移1416

2.2.2 缩放及反转1416

2.2.3 剪切1417

2.2.4 旋转1417

2.3 射影变换1420

2.4 裁剪1421

2.4.1 多角形的裁剪1421

2.4.2 线段的裁剪1425

2.5 扫描转换1426

2.5.1 线段的描绘1426

2.5.2 圆的描绘1427

2.5.3 多角形的描绘1430

2.6 隐面消除1433

2.6.1 面的法线1433

2.6.2 Z排序法1434

2.6.3 Z缓存法1437

2.6.4 光线追踪法1437

2.7 描影法1439

2.7.1 Utah近似1439

2.8 纹理映射1441

引用文献1443

参考文献1443

3 序列图像处理1444

3.1 图像序列的结构1444

3.2 图像序列的分割处理1445

3.2.1 剪辑点检测1445

3.2.2 效果点检测1447

3.3 图像序列的分类处理1448

3.3.1 摄影技法的分类1448

3.3.2 被摄物体的分类1450

3.3.3 场景的分类1452

3.4 视觉化处理1453

3.4.1 剪辑点信息的利用1453

3.4.2 摄影技法信息的利用1454

3.4.3 被摄物体信息的利用1454

引用文献1455

4 文档图像解析1458

4.1 文档图像解析概要1458

4.2 倾斜校正1459

4.2.1 基于投影法的倾斜校正1460

4.2.2 利用表示连接成分的邻接关系图方法1462

4.2.3 图或照片区域、多段文档的对应处理1462

4.3 版面解析1463

4.3.1 版面结构1463

4.3.2 方法的分类1465

4.3.3 块提取及文字列区域提取1465

4.3.4 文字区域提取1472

4.3.5 灰度图像和彩色图像的解析1473

4.4 文字识别和单词处理1475

4.4.1 文字识别过程1475

4.4.2 文字识别方法的分类1475

4.4.3 基于文字识别的回归文字分割1476

4.4.4 单词处理1476

4.5 逻辑结构解析1477

4.5.1 文档的逻辑结构1478

4.5.2 方法的分类1478

4.5.3 逻辑结构的解析方法1479

4.6 文档图像数据库与检索1484

引用文献1485

5 三维图像处理1488

5.1 三维图像及其处理1488

5.1.1 三维数据图像1488

5.1.2 断面和投影1489

5.1.3 三维图像及其处理例1490

5.1.4 3D图像处理普及的主要因素1492

5.2 3D图像处理的算法1492

5.2.1 维数扩张性的分类1492

5.2.2 邻域、连接性和距离1493

5.2.3 主要方法的维数扩张性1495

5.3 2值图像处理（基本概念和局部特征）1497

5.3.1 2值图像1497

5.3.2 连接成分和贴标签1497

5.3.3 拓扑特征量1499

5.3.4 局部模型1502

5.3.5 像素状态的分类1504

5.3.6 局部特征量的计算方法1505

5.3.7 欧拉数的计算方法1508

5.3.8 可消去性的判定1510

5.3.9 路径和距离变换1511

5.3.10 边界面（轮廓面）1512

5.4 2值图像处理（实际算法）1513

5.4.1 图形收缩1513

5.4.2 薄面化和细线化1514

5.4.3 距离变换和逆变换1518

5.4.4 边界像素的提取1528

5.5 灰度图像的局部处理1529

5.5.1 局部处理1529

5.5.2 平滑化滤波1530

5.5.3 差分型滤波1530

5.5.4 局部曲面的镶嵌1532

5.5.5 形态学滤波1533

5.5.6 四维曲面的微分特征1533

5.5.7 区域扩张1536

5.5.8 灰度图像的面和线的结构提取1537

引用文献1539

参考文献1541

后记1543

索引1545