图像工程——上册：图像处理（第5版）

本书内容体系连续贯通，依次学习能帮助读者全面、深入、系统地学习图像处理技术。相比于国内外同类教材，本书与最新科研成果结合比较紧密，每次再版均充实了最新研究成果和得到广泛使用的典型技术，新内容的引进比较早。在教材所引用和参考的文献中，作者自己发表的就有100多篇，科研成果的引入提高了内容的先进性。
从教学的角度考虑，本书具有以下特点：
（1）尽快进入主题：把先修或预备内容安排在需先修部分的同一章之前，没有安排专门的基础知识章，更加实用，也突出了课程主线的内容。
（2）内容模块化：正式内容分别结合进4个相关的学习单元，每个单元都围绕一个主题（自成体系），既加强了全书的系统性和结构性，也有利于复习考核。
（3）配套资源丰富：每章配套PPT课件、微课视频、随堂测试、扩展阅读等内容，便于课堂学习和课后自学。
（4）资源开放共享：总结和复习、部分思考题和练习题解答、参考文献、PPT课件、微课视频、随堂测试等资源均已电子化，扫描对应二维码即可下载。

 

本书为《图像工程》第5版的上册，主要介绍图像工程的第一层次———图像处理的基本概念、基本原理、典型方法、实用技术以及国际上有关研究的新成果。
本书第1章是绪论，介绍图像基础知识并概述全书。图像处理的主要内容分别在4个单元中介绍。第1单元（包含第2~5章）介绍图像增强技术；其中第2章介绍基于像素点操作的空域增强技术，第3章介绍基于模板操作的空域增强技术，第4章介绍频域增强技术，第5章介绍消除图像中噪声的增强技术。第2单元（包含第6~9章）介绍图像恢复技术，其中第6章介绍图像退化模型和恢复技术，第7章介绍图像校正和修补技术，第8章介绍图像去雾及评价技术，第9章介绍图像投影重建技术。第3单元（包含第10~12章）介绍图像编码技术，其中第10章介绍图像编码基础，第11章介绍变换编码技术，第12章介绍其他各种编码技术。
第4单元（包含第13~16章）介绍（图像）拓展技术，其中第13章介绍图像信息安全技术，第14章介绍彩色图像处理技术，第15章介绍视频图像处理技术，第16章介绍多尺度/多分辨率图像处理技术。书中的附录 A介绍了图像方面的一些国际标准，主要与第3单元相关。
本书可作为高等院校信号与信息处理、通信与信息系统、电子与通信工程、模式识别与智能系统、计算机视觉等本科和研究生专业基础课或专业课教材，也可供信息与通信工程、电子科学与技术、计算机科学与技术、测控技术与仪器、机器人自动化、生物医学工程、光学、电子医疗设备研制、遥感、测绘和军事侦察等领域的科技工作者参考。

章毓晋，1989年获比利时列日大学应用科学博士学位。1989—1993年为荷兰德尔夫特大学博士后及研究人员。1993年到中国北京清华大学工作，1997年被聘为教授，1998年被评为博士生导师。2014年成为教学科研系列长聘教授。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，开出并讲授过研究生课程：“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，以及其他中英文图像工程教材约20本，还翻译出版了多本国外图像工程教材。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其积极倡导的图像工程（图像处理、图像分析、图像理解及其技术应用）和相关学科。从1996年起已连续二十八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版和第2版）和《图像工程技术选编》，主编了《Advances in Image and Video Segmentation》，《Semantic-Based Visual Information Retrieval》，《Advances in Face Image Analysis: Techniques and Technologies》。
 现为中国图象图形学学会名誉监事长，会士；国际光学工程协会（SPIE）会士（因在图像工程方面的成就）。

第1章绪论

1．1图像基本概念

1．1．1图像表示和显示

1．1．2空间分辨率和幅度
分辨率

1．1．3图像质量

1．2图像工程简介

1．2．1图像技术和图像
工程

1．2．2图像工程的3个
层次

1．2．3图像工程相关学科
和领域

1．2．4图像工程的技术
应用

1．2．5图像工程文献统计
分类

1．3图像处理系统

1．3．1系统构成框图

1．3．2图像采集

1．3．3图像显示和打印

1．3．4图像存储

1．3．5图像处理

1．4内容框架和特点

总结和复习*

随堂测试*

第1单元图 像 增 强

第2章点操作空域增强 

2．1图像坐标变换

2．1．1基本坐标变换

2．1．2坐标变换扩展

2．2图像间运算

2．2．1算术和逻辑运算

2．2．2图像间算术运算的
应用

2．3图像灰度映射

2．3．1灰度映射原理

2．3．2典型灰度映射
函数

2．3．3针对性灰度映射

2．4直方图变换

2．4．1直方图均衡化

2．4．2直方图规定化

总结和复习*

随堂测试*

第3章模板操作空域增强 

3．1像素间联系

3．1．1像素的邻域和
邻接

3．1．2像素间的连接和
连通

3．1．3像素间距离

3．2模板运算

3．3线性滤波

3．3．1线性平滑滤波

3．3．2线性锐化滤波

3．4非线性滤波

3．4．1非线性平滑滤波

3．4．2非线性锐化滤波

3．4．3线性和非线性混合
滤波

3．5局部增强

总结和复习*

随堂测试*

第4章频域图像增强

4．1频域技术原理

4．2傅里叶变换

4．2．12D傅里叶变换

4．2．2傅里叶变换定理

4．2．3快速傅里叶变换

4．3低通和高通滤波

4．3．1低通滤波

4．3．2高通滤波

4．4带通和带阻滤波

4．5同态滤波

4．5．1亮度成像模型

4．5．2同态滤波增强

4．5．3同态滤波改进

总结和复习*

随堂测试*

第5章图像噪声消除

5．1噪声概述

5．1．1噪声描述

5．1．2噪声概率密度
函数

5．2典型噪声滤波器

5．2．1均值类滤波器

5．2．2排序类统计滤
波器

5．2．3选择性滤波器

5．3开关中值滤波器

5．3．1开关中值滤波
原理

5．3．2基于开关的自适应
加权均值滤波器

5．3．3进一步的改进

5．4结合深度学习的图像去噪

5．4．1非开关随机值脉冲
噪声消除

5．4．2强噪声图像去噪

5．4．3基于多通道GAN的
图像去噪

5．4．4地震图像中噪声滤波
结果的分类

总结和复习*

随堂测试*

第2单元图 像 恢 复

第6章图像退化和恢复

6．1图像退化及模型

6．1．1图像退化示例

6．1．2图像退化模型

6．2无约束恢复

6．2．1无约束恢复公式

6．2．2逆滤波

6．3有约束恢复

6．3．1有约束恢复公式

6．3．2维纳滤波器

6．3．3有约束最小平方
恢复

6．4交互式恢复

6．5估计运动模糊核

6．5．1快速盲反卷积

6．5．2基于CNN的方法

6．6低分辨率图像去模糊

6．6．1生成对抗网络
结构

6．6．2损失函数设计

6．6．3多类生成对抗
网络

总结和复习*

随堂测试*

第7章图像校正和修补

7．1图像仿射变换

7．1．1一般仿射变换

7．1．2特殊仿射变换

7．1．3变换间的联系

7．2几何失真校正

7．2．1空间变换

7．2．2灰度插值

7．3图像修补

7．3．1图像修补原理

7．3．2图像修补技术的
分类

7．4图像修复

7．4．1全变分模型

7．4．2混合模型

7．5图像补全

7．5．1基于范例的方法

7．5．2结合稀疏表达的
方法

7．6加权稀疏非负矩阵分解
算法

7．6．1加权非负矩阵
分解

7．6．2区域填充

7．6．3基于EM算法的
WSNMF

7．7上下文驱动的混合方法

7．7．1总体流图

7．7．2预处理步骤

7．7．3基于范例修补
步骤

7．7．4结合扩散修补

7．8图像修补中的AE和
GAN

7．8．1基于AE的技术

7．8．2基于GAN的技术

7．8．3上下文编码器

7．8．4技术比较

总结和复习*

随堂测试*

第8章图像去雾

8．1图像去雾方法分类

8．1．1非学习型图像
去雾

8．1．2学习型图像去雾

8．2暗通道先验去雾算法及
改进

8．2．1基本方法

8．2．2尺度自适应

8．2．3透射率估计

8．2．4大气光区域确定

8．2．5大气光值校正

8．2．6浓雾图像去雾

8．3改善失真的综合去雾算法

8．3．1算法流程框图

8．3．2T空间转换

8．3．3透射率空间的大气
散射图

8．3．4天空区域检测

8．3．5对比度增强

8．4夜间图像去雾

8．4．1受摄影负片成像启发
的方法

8．4．2结合亮通道和暗通道
先验

8．4．3基于深度学习
网络

8．5去雾效果评价

8．5．1可见边缘梯度法

8．5．2基于视觉感知的
评价

8．5．3主客观结合的评价
实例

总结和复习*

随堂测试*

第9章图像投影重建

9．1投影重建方式

9．1．1透射断层成像

9．1．2发射断层成像

9．1．3反射断层成像

9．1．4电阻抗断层成像

9．1．5磁共振成像

9．2投影重建原理

9．2．1基本模型

9．2．2拉东变换

9．3傅里叶反变换重建

9．4逆投影重建

9．4．1逆投影重建原理

9．4．2卷积逆投影重建

9．4．3其他逆投影重建
方法

9．5迭代重建

9．5．1迭代重建模型

9．5．2代数重建技术

9．5．3最大似然最大期望
重建算法

9．6综合重建方法

9．74D锥束CT重建

9．7．1锥束CT重建

9．7．2从3D到4D锥束
CT

9．7．3基于深度学习的
重建

9．8金属伪影消除

9．8．1金属伪影失真

9．8．2经典的MAR方法

9．8．3基于深度学习的MAR
方法

总结和复习*

随堂测试*

第3单元图 像 编 码

第10章图像编码基础

10．1图像压缩原理

10．1．1数据冗余

10．1．2图像编解码

10．1．3图像保真度和
质量

10．2编码定理

10．2．1信息单位和信源
描述

10．2．2无失真编码
定理

10．2．3率失真编码
定理

10．3位平面编码

10．3．1位平面分解
方法

10．3．2位平面编码
方法

10．4变长编码

10．4．1哥伦布编码

10．4．2哈夫曼编码

10．4．3香农法诺编码

10．4．4算术编码

总结和复习*

随堂测试*

第11章图像变换编码

11．1可分离和正交图像变换

11．2离散余弦变换

11．3正交变换编码

11．3．1正交变换编码
系统

11．3．2子图像尺寸
选择

11．3．3变换选择

11．3．4比特分配

11．4小波变换

11．4．1小波变换基础

11．4．21D小波变换

11．4．3快速小波变换

11．4．42D小波变换

11．5小波变换编码

11．5．1小波变换编解码
系统

11．5．2基于提升小波的
编码

总结和复习*

随堂测试*

第12章更多图像编码方法

12．1基于符号的编码

12．2LZW编码

12．3预测编码

12．3．1无损预测编码

12．3．2有损预测编码

12．4矢量量化

12．5准无损编码

12．6比较和评述

12．6．1不同方法特性的
比较

12．6．2其他编码方法

总结和复习*

随堂测试*

第4单元拓 展 技 术

第13章图像信息安全

13．1水印原理和特性

13．1．1水印的嵌入和
检测

13．1．2水印特性

13．1．3水印分类

13．2DCT域图像水印

13．2．1无意义水印
算法

13．2．2有意义水印
算法

13．3DWT域图像水印

13．3．1人眼视觉特性

13．3．2小波水印算法

13．4零水印

13．4．1原理和步骤

13．4．2特征提取

13．5水印性能评判

13．5．1失真测度

13．5．2基准测量和
攻击

13．5．3水印性能测试
示例

13．6特定媒体和领域的水印

13．6．1数据库水印

13．6．23D网格水印

13．6．3生物医学数据
水印

13．6．4特殊应用领域中
的水印

13．7图像认证和取证

13．7．1基本概念

13．7．2图像被动取证

13．7．3图像可逆认证

13．7．4图像取证示例

13．7．5图像反取证

13．8图像信息隐藏

13．8．1信息隐藏技术
分类

13．8．2基于迭代混合的
图像隐藏

总结和复习*

随堂测试*

第14章彩色图像处理

14．1彩色视觉和色度图

14．1．1彩色视觉基础

14．1．2三基色与色
匹配

14．1．3色度图

14．2彩色模型

14．2．1面向硬设备的彩色
模型

14．2．2面向视觉感知的彩
色模型

14．3伪彩色增强

14．4真彩色处理

14．4．1处理策略

14．4．2单分量变换
增强

14．4．3全彩色增强

14．4．4全彩色滤波和
消噪

总结和复习*

随堂测试*

第15章视频图像处理

15．1视频表达和格式

15．1．1视频基础

15．1．2彩色电视制式

15．2运动分类和表达

15．3运动检测

15．3．1利用图像差的运动
检测

15．3．2基于模型的运动
检测

15．3．3频域运动检测

15．4视频滤波

15．4．1基于运动检测的
滤波

15．4．2基于运动补偿的
滤波

15．4．3消除匀速直线运动
模糊

15．5视频编码

15．5．1视频预测编码

15．5．23D立体视频可
扩展编码

15．5．3基于深度学习的
视频编码

15．5．4多视点视频
编码

15．6视频水印

15．6．1视频水印与版权
保护

15．6．2视频零水印

总结和复习*

随堂测试*

第16章多尺度图像处理

16．1多尺度表达

16．2高斯和拉普拉斯金字塔

16．2．1高斯金字塔

16．2．2拉普拉斯金
字塔

16．2．3重建原始图像

16．3多尺度变换技术

16．3．1三类多尺度变换
技术

16．3．2多尺度变换技术
比较

16．4基于多尺度小波的处理

16．5超分辨率技术基础

16．5．1基本模型和技术
分类

16．5．2基于单幅图像的超
分辨率复原

16．5．3基于多幅图像的超
分辨率重建

16．6典型超分辨率方法

16．6．1传统超分辨率
方法

16．6．2基于示例的学习
方法

16．6．3结合全变分正则化
的超分辨率

16．6．4基于稀疏表达的超
分辨率重建

16．6．5基于局部约束线性
编码的超分辨率
重建

16．7基于深度学习的超分辨率
研究概况

总结和复习*

随堂测试*

附录A图像国际标准

A．1国际标准

A．2二值图像压缩国际标准

A．3静止图像压缩国际标准

A．4运动图像压缩国际标准

A．5多媒体国际标准

主题索引

部分思考题和练习题解答*

参考文献*

 

 

这是《图像工程》第5版，全套书仍分3册，分别为《图像工程（上册）——图像处理》、《图像工程（中册）——图像分析》和《图像工程（下册）——图像理解》。它们全面介绍图像工程的基础概念、基本原理、典型方法、实用技术以及国际上相关内容研究的新成果。

《图像工程》第4版也分3册，名称相同。上、中、下册均于2018年出版，《图像工程》第4版的3册合订本也在2018年出版。第4版至今已重印22次，总计印刷2万多册。另有电子版。

《图像工程》第3版也分3册，名称相同。上、中、下册均于2012年出版，2013年出版了《图像工程》第3版的3册合订本。第3版共重印13次，总计印刷3万多册。

《图像工程》第2版也分3册，名称相同。上、中、下册分别于2006年、2005年和2007年出版，2007年还出版了《图像工程》第2版的3册合订本。第2版共重印18次，总计印刷近7万册。

《图像工程》第1版也分3册，名称分别为《图像工程（上册）——图像处理和分析》、《图像工程（下册）——图像理解和计算机视觉》和《图像工程（附册）——教学参考及习题解答》。这三册分别于1999年、2000年和2002年出版。第1版共重印27次，总计印刷约11万册。

《图像工程》的多次重印表明作者一直倡导的，为了对各种图像技术进行综合研究、集成应用而建立的整体框架——图像工程——作为一门系统地研究各种图像理论、技术和应用的新的交叉学科得到了广泛的认可，相关教材也在教学中得到大量使用。同时，随着研究的深入和技术的发展，编写新版的工作也逐渐提上议事日程。

第5版的编写开始于2022年，是年暑假静心构思了全套书的整体框架。其后，根据框架陆续收集了一些最新的相关书籍和文献（包括印刷版和电子版），仔细进行了阅读并做了笔记。这为新版的编写打下了一个坚实的基础。其间，还结合以往课堂教学和学生反馈，对一些具体内容（包括习题）进行了整理和调整。第5版内容具有一定的深度和广度，希望读者通过本套书的学习，能够独立和全面地了解该领域的基本理论、技术、应用和发展。

第5版在编写方针上，仍如前4版那样力求突出理论性、实用性、系统性、实时性； 在内容叙述上，力求理论概念严谨，论证简明扼要。第5版在内容方面，基本保留了第4版中有代表性的经典内容，同时考虑到图像技术的飞速发展，认真选取了近年的一些最新研究成果和得到广泛使用的典型技术进行充实。这些新内容既参考了许多有关文献，也结合了作者的一些研究工作和成果以及这些年来的教学教案。除每册书均增加了一章全新内容外，还各增加了多个节和小节，使全书内容更加完整。总体来说，第5版的内容覆盖面更广，介绍更全面、细致，整体篇幅比第4版增加约20%。第5版的内容根据技术发展进行了很多更新，21世纪20年代以来的参考文献约为总数的20%。

第5版在具体结构和章节安排方面仍然保留了上一版的特点： 

第一，各册书均从第2章就开始介绍正式内容，更快进入主题。先修或预备内容分别安排在需要先修部分的同一章前部，从教学角度来说，更加实用，也突出了主线内容。

第二，除第1章绪论外，各册书的正式内容仍都结合成4个主题相关的单元（并画在封面上），每个单元都有具体说明，帮助选择学习。全书有较强的系统性和结构性，也有利于复习考核。

第三，各章中的习题均只有少部分给出了解答，使教师可以更灵活地选择布置。更多的习题和其余的习题解答将会放在出版社网站上，便于补充、改进。网址为https://www.tup.com.cn。

第四，各册书后均仍有主题索引（并给出了英文），这样既方便在书中查找有关内容，又方便在网上查找有关文献和解释。

第5版仍保留了第4版开始的举措，即可以扫描书中（黑白印刷的）图片旁的二维码，调出存放在出版社网站上对应的彩色图片，以获得更好的观察效果和更多的信息。

第5版还新增加了微课形式（对各章内容结合ppt进行讲解）及多选测试题(包括提示和解答)，可扫描书中相应位置处的二维码获得。

从1996年开始编写《图像工程》第1版以来至今已20多年。其间作者与许多读者（包括教师、学生、自学者等）有过各种形式的讨论和交流，除了与一些同行面谈外，许多人打来电话或发来电子邮件。这些讨论和交流给作者提供了许多宝贵的意见和建议，在编写这5版书中都起到了不可或缺的作用，特别是在解释和描述的详略方面都结合读者反馈意见进行了调整，从而更加容易理解和学习。值得指出的是，书中还汇集了多年来不少听课学生的贡献，许多例题和练习题是在历届学生作业和课堂讨论的基础上提炼出来的，一些图片还直接由学生帮助制作，在选材上也从学生的反馈中受到许多启发。借此机会向他们一并表示衷心的感谢。

书中有相当多的内容基于作者和他人共同研究的成果，特别是历年加入图像工程研究室的成员（按姓名拼音排）： 学生（本科生、硕士生、博士生）安浩田、敖腾隆、边辉、卜莎莎、蔡伟、陈达勤、陈权崎、陈挺、陈伟、陈正华、程正东、崔崟、达内什瓦（DANESHVAR Elaheh）、戴声扬、段菲、方慕园、冯上平、傅卓、高永英、葛菁华、侯乐天、胡浩基、黄祥耀、黄翔宇、黄小明、黄英、贾波、贾超、贾慧星、姜帆、李佳童、李娟、李乐、李孟栖、李品一、李勍、李睿、李硕、李闻天、李相贤（LEE Sang Hyun）、李小鹏、李雪、梁含悦、刘宝弟、刘晨阳、刘峰、刘锴、刘青棣、刘惟锦、刘晓旻、刘忠伟、陆海斌、陆志云、罗惠韬、罗沄、明祐愍（MING YouMin）、朴寅奎（PARK In Kyu）、钱宇飞、秦暄、秦垠峰、阮孟贵（NGUYEN Manh Quy）、赛义（BAGHERI Saeid）、沈斌、谭华春、汤达、王树徽、王宇雄、王志国、王志明、王钟绪、温宇豪、文熙安（VINCENT Tristan）、吴高洪、吴纬、夏尔雷（PAULUS Charley）、向振、徐丹、徐枫、徐洁、徐培、徐寅、许翔宇、薛菲、薛景浩、严严、杨劲波、杨翔英、杨忠良、姚玉荣、游钱皓喆、于信男、鱼荣珍（EO Young Jin）、俞天利、袁静、贠亮、张宁、赵雪梅、郑胤、周丹、朱施展、朱小青、朱云峰，博士后高立志、王怀颖，以及进修教师和科研人员陈洪波、崔京守（CHOI Jeong Swu）、郭红伟、石俊生、杨卫平、曾萍萍、张贵仓等。各版书中采用的图表除作者本人制作的外，也包括他们在研究工作中收集和实验得到的。该书应该说是多人合作成果的体现。

最后，感谢妻子何芸、女儿章荷铭在各方面的理解和支持！

章毓晋
2023年暑假于书房
通信： 北京清华大学电子工程系，100084
电邮： zhang[email protected]
主页： https://oa.ee.tsinghua.edu.cn/~zhangyujin/

 

 

上册书概况和使用建议

本书为《图像工程》第5版的上册，主要介绍图像工程的第一层次——图像处理的基本概念、基本原理、典型方法、实用技术以及国际上有关研究的新成果。

本书第1章是绪论，介绍图像基础知识并概述全书。图像处理的主要内容分别在4个单元中介绍。第1单元（包含第2~5章）介绍图像增强技术；其中第2章介绍基于像素点操作的空域增强技术，第3章介绍基于模板操作的空域增强技术，第4章介绍频域增强技术，第5章介绍消除图像中噪声的增强技术。第2单元（包含第6~9章）介绍图像恢复技术，其中第6章介绍图像退化模型和恢复技术，第7章介绍图像校正和修补技术，第8章介绍图像去雾及评价技术，第9章介绍图像投影重建技术。第3单元（包含第10~12章）介绍图像编码技术，其中第10章介绍图像编码基础，第11章介绍变换编码技术，第12章介绍其他各种编码技术。第4单元（包含第13~16章）介绍(图像)拓展技术，其中第13章介绍图像信息安全技术，第14章介绍彩色图像处理技术，第15章介绍视频图像处理技术，第16章介绍多尺度/多分辨率图像处理技术。书中的附录A介绍了图像方面的一些国际标准，主要与第3单元相关。

本书包括16章正文，1个附录，以及“主题索引”、“部分思考题和练习题解答”和“参考文献”。在这20个一级标题下共有110个二级标题（节），再下还有206个三级标题（小节）。全书折合文字（包括图片、绘图、表格、公式等）60多万。本书共有编了号的图388个（包括481幅图片）、表格71个、公式851个。为便于教学和理解，本书共给出各类例题115个。为便于检查教学和学习效果，各章后均有12个思考题和练习题，全书共有192个，对其中的32个（每章2个）提供了参考答案（更多的思考题和练习题解答将考虑另行提供）。另外，书后统一列出了直接引用和提供参考的560多篇文献的目录。最后，书末还给出了约800个主题索引（及英译）。

本书各章主要内容和可讲授长度基本平衡，根据学生的基础和背景，每章可用3～4个课堂学时讲授，另外可能还需要平均2～3个课外学时练习和复习。本书电子教案可在清华大学出版社网站https://www.tup.com.cn或作者主页http://oa.ee.tsinghua.edu.cn/~zhangyujin/下载。

本书每章均配有微课视频(在每章开头扫码即可下载并观看)和“随堂测试”(在每章末尾扫码即可下载并使用)。“总结和复习”(在每章末尾)、“部分思考题和练习题解答”(全书末尾)和参考文献(全书末尾)均已电子化，扫码即可下载。