电子工业出版社：《数字图像处理》书籍教材PDF电子版（中译第三版）第1章绪论（冈萨雷斯 Rafael C.Gonzalez、Richard E. Woods）.pdf_大学文库

序 2001年7月间，电子工业出版社的领导同志邀请各高校十儿位通信领域方面的老师，商量引进国外教材问题。与会同志对出版社提出的计划十分赞同，大家认为，这对我国通信事业、特别是对高等院校通信学科的教学工作会很有好处」教材建设是高校教学建设的主要内容之 ,编写、出版一本好的教材，意味着开设了一门好的课程，甚至可能预示着一个崭新学科的诞生。20世纪40年代MT林肯实验室出版的一套28本雷达从书，对近代电子学科、特别是对雷达技术的推动作用，就是个很好的例子。我国领导部门对教材建设一直非常重视。20世纪80年代，在原教委教材编审委员会的领导下汇集了高等院校儿百位富有教学经验的专家，编写、出版了一大批教林：很多院校还根据学校的特点和需要，陆续编写了大量的讲义和参考书。这些教材对高校的数学工作发挥了极好的作用。近年来随着教学改革不断深人和科学技术的飞速进步，有的教材内容已比较陈旧、落后，难以适应教学的要求，特别是在电子学和通信技术发展神速、可以讲是日新月异的今天，如何适应这种情况，更是必须认真考虑的问题。解决这个问题，除了依靠高校的老师和专家撰写新的符合要求的教科书外，引进和出版一些国外优秀电子与通信教材，尤其是有选择地引进一批英文原版教材，是会有好处的。一年多来，电子工业出版社为此做了很多工作。他们成立了一个“国外电子与通信教材系列项目组，选派了富有经验的业务骨干负责有关工作，收集了230余种通信教材和参考书的详细资料调来了100余种原版教材样书，依靠由20余位专家组成的出版委员会，从中精选了40多种，内容丰富，覆盖了电路理论与应用、信号与系统、数字信号处理、微电子、通信系统、电磁场与微波等方面，既可作为通信专业本科生和研究生的教学用书，也可作为有关专业人员的参考材料。此这批教材，有的翻译为中文，还有部分教材直接影印出版，以供教师用英语直接授课。希望这些教材的引进和出版对高校通信教学和教材改革能起一定作用。在这里，我还要感谢参加工作的各位教授、专家、老师与参加翻译、编辑和出版的同志们。各位专家认真负责、严谨细致、不辞辛劳、不怕琐碎和精益求精的态度，充分体现了中国教育工作者和出版工作者的良好美德随着我闲经济建设的发展和科学技术的不断进步，对高校数学工作会不斯提出新的要求和希望。我想，无论如何，要做好引进国外教材的工作定要联系我国的实际。教材和学术专著不同既要注意科学性、学术性，也要重视可读性，要深入浅出，便于读者自学；引进的教材要适应高校教学改革的需要，针对目前一些教材内容较为陈旧的问题，有目的地引进一些先进的和正在发展中的交义学科的参考书：要与利内出版的数材相配套，安排好出板英文原版数材和翻译教材的比例我们努力使这套教材能尽量满足上述要求希望它们能放在学生们的课桌上发挥一定的作用最后，预祝“国外电子与通信教材系列”项目取得成功，为我国电子与通信教学和通信产业的发展培土施肥。也恳切希望读者能对这些书籍的不足之处、特别是翻译中存在的问题，提出意见和建议。以便再版时更正中国工程院院士、清华大学教授 “国外电子与通信教材系列”出版委员会主任 3

第1章绪论百闻不如一见一无名氏引言数字图像处理方法的重要性源于两个主要应用领域：改善图示信息以便人们解释；为存储、传输和表示而对图像数据进行处理，以便于机器自动理解。本章有几个主要目的：(1)定义我们称之为图像处理领域的范围：（②）从历史观点回顾图像处理的起源：(3)通过考察一些主要的应用领域，给出图像处理技术状况的概念：(4)简要讨论数字图像处理中所用的主要方法：（⑤）概述通用目的的典型图像处理系统的组成：(6⑥)列出公开发表的数字图像处理领域的一些图书和文献。 1.1什么是数字图像处理一幅图像可定义为一一个二维函数f化)，其中x和y是空间（平面）坐标，面在任何一对空间坐标x) 处的幅值∫称为图像在该点处的强度或灰度。当xy和灰度值∫是有限的离散数值时，我们称该图像为数字图像。数字图像处理是指借助于数字计算机来处理数字图像。注意，数字图像是由有限数量的元素组成的，每个元素都有一个特定的位置和幅值。这些元素称为图画元素、图像元素或像素。像素是广泛用于表示数字图像元素的术语。在第2章，我们将用更正式的术语来考虑这些定义。视觉是人类最高级的的感知，所以，图像在人类感知中扮演着最重要的角色并不奇怪。然而。人类的感知仅限于电磁波谱的视觉波段，与人类不同，成像机器几乎可以覆盖从伽马射线到无线电波的整个电磁波谱。它们可以对非人类所习惯的那些图像源进行加工，这些图像源包括超声波、电子显微镜和计算机产生的图像。因而，数字图像处理涉及很宽泛的各种各样的应用领城。关于图像处理止于哪里或其他相关领域（如图像分析和计算机视觉）从哪里开始，在创造人之间并没有一致的看法。有时，用处理的输入和输出内容都是图像这一规范来界定图像处理的范围。我们认为这有点局限，是人为的界定。例如，在这种定义下，甚至像计算一辐图像的平均灰度（结果为个数字这样简单的任务都不能算是图像处理。另一方面，有些领域（如计算机视觉）的最终目标是使用计算机来模拟人的视觉，包括理解并根据视觉输人采取行动等。该领域本身是人工智能(AD的一个分支，其目的是模仿人类智能。人工智能领域处在其发展过程的初级阶段，它的发展比预期的慢得多图像分析（也称为图像理解）领域则处在图像处理和计算机视觉之间每真下方影中的数学表示译文对应的晾书爽到。素引中的爽码为原书码一编者出

2 数字图像处理（第三版）从图像处理到计算机视觉的这个连续统一体内并没有明确的界限。然而，一种有用的范例是在这个连续的统一体中考虑三种典型的计算处理即低级、中级和高级处理。低级处理涉及初级操作如降低噪声的图像预处理、对比度增强和图像尖锐化。低级处理以输入，输出都是图像为特征。中级处理涉及诸多任务，摩如（把一辐图像分为不同区域或目标的）分割，减少这些目标物的描述，以使其更适合计算机处理及对不同目标的分类（识别。中级图像处理以输入为图像但输出是从这些图像中提取的特征（如边缘、轮廓及各物体的标识等）为特点。最后，高级处理涉及“理解”已识别日标的总体就像在图像分析中那样，以及在连续统一体的远端执行与视觉相关的认知功能基于上述讨论我们可以看到，图像处理和图像分析之间合平逻辑的重叠部分就是图像中各个区域或目标的识别这一领域。这样。在本书中，我们就将数字图像处理界定为其输入和输出都是图像的处理，另外，包含从图像中提取特征的处理，直至包括各个目标的识别。作一个澄清这些概念的明，我们考虑文本自动分析这一领域。获取包含有文本的区域的一幅图像，对该图像进行预处理，以提取（分割）各个字符，以适合于计算机处理的形式描述这些字符，识别这些个别字符，这些都在本料界定的数字图像处理范畴内。理解一页的内容可能要根据“理解”词句的复杂度从图像分析领城甚至计算机视觉来考虑。这很快就会变得很明显，就像我们已定义的那样，数字图像处理可成功地用于具有特殊社会和经济价值的广泛领域。后面各章中给出的概念是这些应用领域中所用方法的基础 1.2数字图像处理的起源数字图像的最早应用之一是在报纸业，当时，图片第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约。早在20 世纪20年代曾引入巴特兰(Bartlane)电缆图片传输系统，把横跨大西洋传送一幅图片所需的时间从个多星期减少到了3小时。为了用电缆传输图片，首先使用特殊的打印设备对图片编码，然后，在接收端重构这些图片。图1.】就是用这种方法传送并利用装有打印机字体的电报打印机模拟中间色调还原出来的图像这些早期数字图片视觉质量的改进中的初始问题涉及打印过程的选择和亮度等级的分布。用于得到图1.1所示图像的打印方法到1921年底就被彻底淘汰了，转而支持一种基于照相还原的技术，即在电报接收端使用穿孔纸带来还原图片。图1.2显示了使用这种方法得到的一幅图像。与图1.1相比它在色调质量和分辨率方面的改进都很明显。图111921年由电报打印机采用特殊字体在编码纸带图121922年在信号两次穿越大西洋后，由穿孔纸上产生的数字图片（原图像由McFarlane提供带得到的数字图片（原图像由MeFarlane提供早期的巴特兰系统可以使用5个不同的灰度级来编码图像。到1929年，这一能力已增大到15级图13所示的这种典型图像就是用15级色调设备得到的。在这一时期。由于引人了一种使用编码图片纸带调制光束而使底片感光的系统，因而明显地改善了还原过程 ①本书后面提供的参考文献按作者姓氏的字母确序列出

第1章绪论 3 吊然风刚才引用的例子中涉及数字图像.但并不认为它们就是我们定义的数字图像处理，因为创建这些图像时并未涉及计算。因此，数字图像处理的历史与数字计算机的发展密切相关。事实上，数字图像要求非常大的存储和计算能力，因此数字图像处理领域的发展必须依靠数字计算机及数据存储、显示和传输等相关支撑技术的发展。计算机的概念可追溯到5000多年前亚洲算盘的发明。更近一些，过去两个世纪以来已有的发展也奠定了我们今天之为十值机的基础。状而.我们称之为现代十管机的基础还要回溯到20世纪40年代由约·冯·诺依曼图13美国将军潘兴和法国元帅福熙的照片该照片未加修饰。提出的两个重要概念：(1)保存程序和数据的存储器：敦到纽约使用15级色调设备通过电 (2)条件分支。这两个概念是中央处理单元(CPU)的基值传送的（闲像由McFarlane提其础.今天，它是计算机的心脏。从码·诺依超开始，已有的一系列重要的讲展使得算机强大到足以用于数字图像处理简单地说这些进展可归纳为如下儿点：()1948年美国贝尔实验室发明了品体管；(2)20世纪 50年代和20世纪6O年代高级编程语言COBOL(Common Business-Oriented Language)和FORTRAN (Formula Translator)的开发：(3)1958年美国德州仪器公司发明了集成电路IC)；(4)20世纪60年代早期操作系统的开发；（⑤）20世纪70年代早期td公司开发了微处理器（由中央处理单元、存储器利输入输出控制组成的单一芯片)：(6)1981年BM公司推出了个人计算机：(7)元器件的逐步小型化，随着20世纪70年代末大规模集成电路①)开始出现，20世纪80年代出现了甚大规模集成电路(1S 现在出现了超大规模集成电路(U几S。伴随着这些进展.数字图像处理的两个基本需求一大容量有储和显示系统领域也随之快速发展第一台功能强大到足以执行有意义图像处理任务的大型计算机出现在20世纪60年代初。我们今天称之为数字图像处理的诞生可追溯至这一时期这些机器的使用和空间项目的开发。这两大发展的结合把人们的注意力集中到数字图像处理概念的潜能上。利用计算机技术改善空间探测器发回的图像的工作始于1964年美国加利福尼亚的喷气推进实验室（加里福尼亚，帕萨第那）。当时由“徘问者7号卫星传送的月球图像由一台计算机进行了处理.以校正航天器上电视摄像机中各种类型的图像踏变图1.4显示了由“徘徊者7号”于1964年7月31日上午（东部白天时间)9点09分在幢击月球表面前约17分钟相时摄取的第一张月球图像[网状标记用于第2章讨论的几何校正]。这也是由美国航天器拍摄的第一幅月球图像。“徘徊者 7号”积累的图像处理方法可作为增强和复原图像方法的基础，譬如“探索者”登月飞行 “水手号”火星飞越任务及 “和波罗”载人脊月和其他任务在空间应用的同时，数字图像处理技术在20世纪60年代末和20世纪70年代初开始用于医学成像、地球资源遥感监测和天文学等领域。早在20世纪70年代发明的计算机图14美国航天器传回的第一张月球照片轴向断层术，简称为计算机断层(CT),是图像处理在医学它是由“徘徊者 7号”探测器在诊断领域最重要的应用之一。计算机轴向断层术是一种处击月球表面前7分钟于美国东理方法，在这种处理中，拾测器环围绕着一一个物体（成病间1964年7月31日上午9点09 26 人)，并且一个与该环同心的X射线源（与检测器环同心）绕分拍摄的（原图像由NASA提供） 28

4 数宇像处理（第三版）着物体旋转。X射线穿过物体并由环中对面的检测器进行收集。当X射线源旋转时.，重复这一过程断层由一些算法组成。这些算法使用感知的数据来重建通过物体的“切片”图像。当物体沿垂直于检测器环的方向运时，就产生一系列这样的“切片”，这些切片组成该物体内部的三维再现。断层摄影术是由Godfrey N.Hounsfield先生和Allan M.Cormack教授分别发明的。由于这项发明，他们共同获得 1979年的诺贝尔医学奖。有趣的是，X射线是1895年由Wilhelm Conrad Roentgen(威廉·康拉德·伦琴发现的，由于这一发现.他获得了1901年的诺贝尔物理学奖。今天，这两个相差近100年的发明引领着图像处理的一些最重要的应用。从20世纪60年代至今，图像处理领域一直在生机勃勃地发展。除了医学和空间项目应用外，数字图像处理技术现在已用于更广泛的范围。计算机方法用于增强对比度或将灰度编码为彩色，以便于解释工业、医学及生物科学等领域中的X射线图像和其他图像。地理学者使用相同或相似的技术从航空和卫星成像中研究污染模式。图像增强和复原方法用于处理不可修复物体的退化图像，或太提贵以至于不可复制的实验结果。在考古学领域，使用图像处理方法已成功地复原了模糊的图片，这图片是丢失或损坏的稀有物品的唯一现有的记录。在物理学和相关领域，计算机技术通常用于增强如高能等离子和电子显微镜等领域的实验图像。类似地，图像处理技术也成功地应用在天文学、生物学核医学、法律实施、国防及工业领域中。这些例子说明图像处理的结果主要用于人类解译。本意开始时尊提到，数字图像处理技术的闻二个主要应用领域是解决机器感知的向题。在这种情况下，兴趣在于以更适合计算机处理的形式从图像中提取信息的过程。通常，该信息类似于人类用于解译一幅图像内容的视觉特性。例如，机器感知中使用的信息类型的例子有统计矩、傅里叶变换系数和多维距离度量。在机器感知中，使用图像处理技术的典型问题是自动字符识别、产品装配线和检测的工业机器视觉、军事识别、指纹的自动处理 X射线和血样分类、用于天气预报和环境评估的航空图像与卫星图像的机器处理。计算机价格性能比的不断下降、万维网和互联网规模的不断扩张及网络通信带宽的提高为数字图像处理技术的持续发展提供了前所未有的机会。下一节中将说明某些这样的应用领域。 1.3使用数字图像处理领域的实例今天，儿乎不存在与数字图像处理无关的技术领域。这里讨论的范围只能覆盖其应用领域的小部分。然而，由于篇幅的限制，本节的内容无疑将围绕数字图像处理的广度和重要性展开。本节将介绍一些应用领域。其中每个领域都要使用后续各章中讲解的常用数字图像处理技术。本节中所示的许多图像会在本书后面给出的多个例子中引用。所显示的所有图像都是数字图像数字图像处理的应用领域多种多样，所以本书在组织形式上力图覆盖该技术领域的广度。阐述数字图像处理应用范围的一种最简方法是根据信息源来分类（如可见光或X射线等）。在今天的应用中，量主要的图像能原是电磁能谱，其他主要图像能源包括声波、超声波和电子（以用于电子显微镇中的电子束形式)。用于建模和可视化的合成图像由计算机产生。本节简要讨论如何生成各种类别的图像及这些图像适用的领域。把图像变换为数字图像的方法则在下一章中讨论以电磁波谱辐射为基础的图像是我们最熟悉的，特别是X射线和可见光谱波段的图像。电磁波可定义为以各种波长传播的正弦波，或视为无质量的粒子流，每个粒子以波的形式传播并以光的速度运动。每个无质量的粒子包含一定的能量（或一束能量），每束能量称为一个光子。如果光谱波段根据光子能量进行分组，则可得到图1.5所示的光谱，范围从伽马射线（最高能量）到无线电波（最低能量）由一个波段平滑地过渡到另一个波段

电子工业出版社：《数字图像处理》书籍教材PDF电子版（中译第三版）第1章 绪论（冈萨雷斯 Rafael C.Gonzalez、Richard E. Woods）

电子工业出版社：《数字图像处理》书籍教材PDF电子版（中译第三版）第1章绪论（冈萨雷斯 Rafael C.Gonzalez、Richard E. Woods）