2D 计算机视觉：原理、算法及应用

本书主要内容围绕2D计算机视觉展开，介绍了相关的基础概念、基本原理、典型算法、实用技术和应用成果。本书可在其姊妹篇《3D计算机视觉：原理、算法及应用》前学习。 本书将从客观场景出发到后提取出目标信息的全过程分为4 个部分进行介绍。第1 部分是图像采集，介绍了基础的图像采集表达技术；第2 部分是图像（预）处理，介绍了一些基本的图像处理技术；第3 部分是目标提取，介绍了从图像处理到图像分析的转换技术；第4 部分是目标分析，介绍了扩展的图像分析技术。书中除提供大量应用示例外，还针对每章的内容提供了自我检测题（含提示并附有答案），并且给出了相关的参考文献和术语索引（包括英文）。

本书主要内容围绕2D计算机视觉展开，介绍了相关的基础概念、基本原理、典型算法、实用技术和应用成果。本书可在其姊妹篇《3D计算机视觉：原理、算法及应用》前学习。 本书将从客观场景出发到后提取出目标信息的全过程分为4 个部分进行介绍。第1 部分是图像采集，介绍了基础的图像采集表达技术；第2 部分是图像（预）处理，介绍了一些基本的图像处理技术；第3 部分是目标提取，介绍了从图像处理到图像分析的转换技术；第4 部分是目标分析，介绍了扩展的图像分析技术。书中除提供大量应用示例外，还针对每章的内容提供了自我检测题（含提示并附有答案），并且给出了相关的参考文献和术语索引（包括英文）。

章毓晋，于1989年获比利时列日大学应用科学博士学位。1989—1993年，先后在荷兰德尔夫特大学从事博士后研究工作并担任专职研究员。于1993年到清华大学任教，1997年被聘为教授，1998年被聘为博士生导师，2014年成为教学科研系列长聘教授。在2003年学术休假期间，同时被聘为新加坡南洋理工大学访问教授。在清华大学，先后开出并讲授10多门本科生和研究生课程。在南洋理工大学，开出并讲授研究生课程“现代图像分析（英语）”。已编写出版了图像工程系列教材第1版、第2版、第3版和第4版，《图像工程问题解析》、《图像处理和分析基础》、《图像处理和分析技术》（第2版和第3版）、《图像处理和分析教程》（第1版、第2版和第3版）、《计算机视觉教程》（第1版、第2版和第3版）和《图像处理基础教程》，以及Image Engineering: Processing, Analysis, and Understanding，Image Engineering, Vol.1, Image Processing，Image Engineering, Vol.2, Image Analysis，Image Engineering, Vol.3, Image Understanding，翻译出版了《彩色数字图像处理》、《图像处理基础》（第2版）、《MATLAB图像和视频处理》、《计算机视觉基础》和《彩色计算机视觉》，研制出版了《“图像处理和分析’’多媒体计算机辅助教学课件》和《图像处理和分析网络课程》。已在国内外发表了30多篇教学研究论文。主要科学研究领域为所提出的图像工程（图像处理、图像分析、图像理解及其技术应用）。自1996年起，已连续26年对中国图像工程的研究及主要文献进行了系统的年度分类和总结综述。已在国内外发表了500多篇图像工程研究论文，出版了专著《图象分割》《基于内容的视觉信息检索》《基于子空间的人脸识别》，编著了《英汉图像工程辞典》（第1版、第2版和第3版）、《图像工程技术选编》和《图像工程技术选编（二）》，主持编著了Advances in Image and Video Segmentation，Semantic-Based Visual Information Retrieval，Advances in Face Image Analysis: Techniques and Technologies，出版了Handbook of Image Engineering和A Selection of Image Processing Techniques.曾任第24届国际图像处理学术会议（ICIP‘2017）等20多个国内外学术会议的程序委员会主席。现为中国图象图形学学会名誉监事长和会士、国际电气电子工程师协会（IEEE）高级会员、国际光学工程协会（SPIE）会士（因在图像工程方面的成就）。

第1章 计算机视觉基础 1 
1.1 视觉基础 1 
1.1.1 视觉 1 
1.1.2 视感觉和视知觉 2 
1.1.3 视觉过程 3 
1.2 视觉和图像 5 
1.2.1 图像和数字图像 6 
1.2.2 图像和像素表示 7 
1.2.3 图像存储与文件格式 8 
1.2.4 图像显示和打印方法 12 
1.3 视觉系统和图像技术 14 
1.3.1 视觉系统流程 15 
1.3.2 图像技术层次 15 
1.3.3 图像技术类别 16 
1.4 本书架构和内容概况 17 
1.4.1 结构框架和主要内容 17 
1.4.2 各章概况 18 
1.4.3 先修基础 19 
1.5 各节要点和进一步参考 20 
第2章 2D图像采集 22 
2.1 采集装置和性能指标 23 
2.1.1 CCD传感器 23 
2.1.2 CMOS传感器 24 
2.1.3 常用性能指标 25 
2.1.4 图像采集流程 25 
2.2 图像亮度成像模型 26 
2.2.1 光度学基础 26 
2.2.2 均匀照度 27 
2.2.3 简单亮度成像模型 29 
2.3 图像空间成像模型 30 
2.3.1 投影成像几何 30 
2.3.2 基本成像模型 32 
2.3.3 一般成像模型 34 
2.4 采样和量化 37 
2.4.1 空间和幅度分辨率 37 
2.4.2 图像数据量与质量 39 
2.5 像素之间的关系 43 
2.5.1 像素邻域及连通 43 
2.5.2 像素间距离 44 
2.6 各节要点和进一步参考 46 
第3章 空域增强 47 
3.1 图像间运算 47 
3.1.1 算术运算 48 
3.1.2 逻辑运算 50 
3.2 图像灰度映射 51 
3.2.1 图像求反 51 
3.2.2 对比度拉伸 52 
3.2.3 动态范围压缩 53 
3.3 直方图均衡化 53 
3.3.1 图像直方图 53 
3.3.2 原理和步骤 55 
3.4 直方图规定化 57 
3.4.1 原理和步骤 57 
3.4.2 单映射规则和组映射规则 59 
3.5 空域卷积增强 62 
3.5.1 模板卷积 62 
3.5.2 空域滤波 63 
3.6 各节要点和进一步参考 67 
第4章 频域增强 69 
4.1 傅里叶变换和频域增强 70 
4.1.1 傅里叶变换 70 
4.1.2 傅里叶变换特性 71 
4.1.3 频域增强 72 
4.2 频域低通滤波器 73 
4.2.1 理想低通滤波器 73 
4.2.2 巴特沃斯低通滤波器 74 
4.3 频域高通滤波器 75 
4.3.1 理想高通滤波器 76 
4.3.2 巴特沃斯高通滤波器 76 
4.4 带通带阻滤波器 77 
4.4.1 带通滤波器 78 
4.4.2 带阻滤波器 79 
4.4.3 带通滤波器和带阻滤波器的联系 80 
4.4.4 陷波滤波器 81 
4.4.5 交互消除周期噪声 82 
4.5 同态滤波器 84 
4.5.1 同态滤波流程 84 
4.5.2 同态滤波消噪 86 
4.6 各节要点和进一步参考 86 
第5章 图像恢复 88 
5.1 图像退化模型 88 
5.1.1 图像退化模型 89 
5.1.2 图像退化模型性质 90 
5.2 逆滤波 91 
5.2.1 无约束恢复 91 
5.2.2 逆滤波模型 92 
5.3 维纳滤波 93 
5.3.1 有约束恢复 93 
5.3.2 维纳滤波器 94 
5.4 几何失真校正 95 
5.4.1 空间变换 95 
5.4.2 灰度插值 97 
5.5 图像修补 99 
5.5.1 图像修补原理 99 
5.5.2 图像修补示例 100 
5.6 各节要点和进一步参考 103 
第6章 彩色增强 105 
6.1 彩色视觉 105 
6.1.1 三基色和颜色表示 106 
6.1.2 色度图 107 
6.2 彩色模型 109 
6.2.1 RGB模型 109 
6.2.2 HSI模型 110 
6.2.3 从RGB转换到HSI 111 
6.2.4 从HSI转换到RGB 111 
6.3 伪彩色增强 113 
6.3.1 亮度切割 113 
6.3.2 从灰度到彩色的变换 114 
6.3.3 频域滤波 115 
6.4 真彩色增强 115 
6.4.1 单分量真彩色增强 116 
6.4.2 全彩色增强 118 
6.5 各节要点和进一步参考 119 
第7章 图像分割 121 
7.1 定义和算法分类 122 
7.1.1 图像分割定义 122 
7.1.2 图像分割算法分类 123 
7.2 微分边缘检测 124 
7.2.1 微分边缘检测原理 124 
7.2.2 空域微分算子 125 
7.3 主动轮廓模型 129 
7.3.1 主动轮廓 129 
7.3.2 能量函数 130 
7.4 阈值化分割 134 
7.4.1 原理步骤 134 
7.4.2 阈值选取 135 
7.5 基于过渡区选取阈值 138 
7.5.1 过渡区和有效平均梯度 138 
7.5.2 有效平均梯度的极值点和过渡区边界 139 
7.5.3 阈值选取 140 
7.6 区域生长 141 
7.6.1 基本方法 141 
7.6.2 问题和改进 143 
7.7 各节要点和进一步参考 144 
第8章 基元检测 146 
8.1 兴趣点检测 146 
8.1.1 利用二阶导数检测角点 147 
8.1.2 哈里斯兴趣点算子 148 
8.1.3 积分角点检测 150 
8.2 椭圆目标检测 155 
8.2.1 直径二分法 155 
8.2.2 弦?切线法 156 
8.2.3 椭圆的其他参数 156 
8.3 哈夫变换 158 
8.3.1 点?线对偶性 158 
8.3.2 计算步骤 159 
8.3.3 极坐标方程 162 
8.4 广义哈夫变换 164 
8.4.1 推广原理 164 
8.4.2 完整广义哈夫变换 166 
8.5 各节要点和进一步参考 168 
第9章 目标表达 170 
9.1 轮廓的链码表达 170 
9.1.1 链码表达 171 
9.1.2 链码归一化 172 
9.2 轮廓标志 173 
9.2.1 距离?角度标志 173 
9.2.2 切线角?弧长标志 174 
9.2.3 斜率?密度标志 174 
9.2.4 距离?弧长标志 175 
9.3 轮廓的多边形近似 175 
9.3.1 小周长多边形 176 
9.3.2 聚合多边形 176 
9.3.3 分裂多边形 177 
9.4 目标的层次表达 178 
9.4.1 四叉树表达法 178 
9.4.2 二叉树表达法 180 
9.5 目标的围绕区域 180 
9.5.1 外接盒 181 
9.5.2 小包围长方形 182 
9.5.3 凸包 182 
9.6 目标的骨架表达 183 
9.6.1 骨架和骨架点 183 
9.6.2 骨架算法 184 
9.7 各节要点和进一步参考 186 
第10章 目标描述 188 
10.1 轮廓基本描述参数 189 
10.1.1 轮廓长度 189 
10.1.2 轮廓直径 190 
10.1.3 斜率、曲率和角点 190 
10.2 区域基本描述参数 191 
10.2.1 区域面积 191 
10.2.2 区域重心 192 
10.2.3 区域灰度特性 192 
10.3 轮廓的傅里叶描述 193 
10.3.1 傅里叶轮廓描述符 193 
10.3.2 傅里叶描述随轮廓的变化 195 
10.4 轮廓的小波描述 196 
10.4.1 小波变换基础 196 
10.4.2 小波轮廓描述符 197 
10.5 区域不变矩描述 199 
10.5.1 中心矩 200 
10.5.2 区域不变矩 201 
10.5.3 区域仿射不变矩 202 
10.6 目标关系描述 203 
10.6.1 字符串描述 203 
10.6.2 树结构描述 205 
10.7 各节要点和进一步参考 206 
第11章 纹理描述 208 
11.1 纹理的统计描述 208 
11.1.1 共生矩阵 208 
11.1.2 基于共生矩阵的纹理描述符 210 
11.1.3 基于能量的纹理描述符 212 
11.2 纹理的结构描述 213 
11.2.1 结构法基础 213 
11.2.2 纹理镶嵌 215 
11.2.3 局部二值模式 216 
11.3 纹理的频谱描述 218 
11.3.1 傅里叶频谱 218 
11.3.2 贝塞尔?傅里叶频谱 220 
11.4 各节要点和进一步参考 222 
第12章 形状描述 223 
12.1 形状紧凑性描述符 223 
12.1.1 外观比 224 
12.1.2 形状因子 224 
12.1.3 偏心率 225 
12.1.4 球状性 227 
12.1.5 圆形性 228 
12.1.6 描述符比较 228 
12.2 形状复杂性描述符 229 
12.2.1 形状复杂性的简单描述符 230 
12.2.2 利用模糊图的直方图分析描述形状复杂度 230 
12.2.3 饱和度 231 
12.3 基于离散曲率的描述符 232 
12.3.1 曲率与几何特征 232 
12.3.2 离散曲率 233 
12.3.3 离散曲率的计算 234 
12.3.4 基于曲率的描述符 235 
12.4 拓扑结构描述符 237 
12.4.1 欧拉数 237 
12.4.2 交叉数和连接数 238 
12.5 各节要点和进一步参考 239 
第13章 目标分类 241 
13.1 不变量交叉比 241 
13.1.1 交叉比 241 
13.1.2 非共线点的不变量 244 
13.1.3 对称的交叉比函数 245 
13.1.4 交叉比应用示例 246 
13.2 统计模式分类 247 
13.2.1 模式分类原理 248 
13.2.2 小距离分类器 248 
13.2.3 统计分类器 250 
13.2.4 自适应自举 254 
13.3 支持向量机 256 
13.3.1 线性可分类 256 
13.3.2 线性不可分类 258 
13.4 各节要点和进一步参考 260 
附录A 二值数学形态学 262 
A.1 基本集合定义 262 
A.2 二值数学形态学基本运算 264 
A.2.1 二值膨胀和腐蚀 264 
A.2.2 二值开启和闭合 268 
A.3 二值数学形态学组合运算 270 
A.3.1 击中?击不中变换 270 
A.3.2 二值组合运算 272 
A.4 二值数学形态学实用算法 277 
A.4.1 噪声滤除 277 
A.4.2 角点检测 278 
A.4.3 轮廓提取 279 
A.4.4 区域填充 279 
A.4.5 目标检测和定位 280 
A.4.6 连通组元抽取 280 
A.4.7 区域骨架提取 281 
A.5 各节要点和进一步参考 284 
附录B 视觉恒常性 285 
B.1 视觉恒常性理论 285 
B.1.1 各种恒常性 285 
B.1.2 视网膜皮层理论 287 
B.2 图像增强应用 288 
B.2.1 雾天图像增强 289 
B.2.2 红外图像增强 290 
B.3 各节要点和进一步参考 291 
自我检测题 292 
自我检测题答案 349 
参考文献 362 
术语索引 371

本书主要内容围绕2D计算机视觉展开，介绍了相关的基础概念、基本原理、典型算法、实用技术和应用成果。本书可在其姊妹篇《3D计算机视觉：原理、算法及应用》前学习。 本书将从客观场景出发到后提取出目标信息的全过程分为4 个部分进行介绍。第1 部分是图像采集，介绍了基础的图像采集表达技术；第2 部分是图像（预）处理，介绍了一些基本的图像处理技术；第3 部分是目标提取，介绍了从图像处理到图像分析的转换技术；第4 部分是目标分析，介绍了扩展的图像分析技术。书中除提供大量应用示例外，还针对每章的内容提供了自我检测题（含提示并附有答案），并且给出了相关的参考文献和术语索引（包括英文）。

章毓晋，于1989年获比利时列日大学应用科学博士学位。1989—1993年，先后在荷兰德尔夫特大学从事博士后研究工作并担任专职研究员。于1993年到清华大学任教，1997年被聘为教授，1998年被聘为博士生导师，2014年成为教学科研系列长聘教授。在2003年学术休假期间，同时被聘为新加坡南洋理工大学访问教授。在清华大学，先后开出并讲授10多门本科生和研究生课程。在南洋理工大学，开出并讲授研究生课程“现代图像分析（英语）”。已编写出版了图像工程系列教材第1版、第2版、第3版和第4版，《图像工程问题解析》、《图像处理和分析基础》、《图像处理和分析技术》（第2版和第3版）、《图像处理和分析教程》（第1版、第2版和第3版）、《计算机视觉教程》（第1版、第2版和第3版）和《图像处理基础教程》，以及Image Engineering: Processing, Analysis, and Understanding，Image Engineering, Vol.1, Image Processing，Image Engineering, Vol.2, Image Analysis，Image Engineering, Vol.3, Image Understanding，翻译出版了《彩色数字图像处理》、《图像处理基础》（第2版）、《MATLAB图像和视频处理》、《计算机视觉基础》和《彩色计算机视觉》，研制出版了《“图像处理和分析’’多媒体计算机辅助教学课件》和《图像处理和分析网络课程》。已在国内外发表了30多篇教学研究论文。主要科学研究领域为所提出的图像工程（图像处理、图像分析、图像理解及其技术应用）。自1996年起，已连续26年对中国图像工程的研究及主要文献进行了系统的年度分类和总结综述。已在国内外发表了500多篇图像工程研究论文，出版了专著《图象分割》《基于内容的视觉信息检索》《基于子空间的人脸识别》，编著了《英汉图像工程辞典》（第1版、第2版和第3版）、《图像工程技术选编》和《图像工程技术选编（二）》，主持编著了Advances in Image and Video Segmentation，Semantic-Based Visual Information Retrieval，Advances in Face Image Analysis: Techniques and Technologies，出版了Handbook of Image Engineering和A Selection of Image Processing Techniques.曾任第24届国际图像处理学术会议（ICIP‘2017）等20多个国内外学术会议的程序委员会主席。现为中国图象图形学学会名誉监事长和会士、国际电气电子工程师协会（IEEE）高级会员、国际光学工程协会（SPIE）会士（因在图像工程方面的成就）。