图像处理、分析与机器视觉（第4版）

1）涵盖十分广泛的领域，包括人工智能、信号处理、人工神经网络、模式识别、机器学习、模糊数学等一系列相关学科。（2）图将复杂的概念通过具体示例用易于理解的算法来描述，提供了大量包含图示和处理结果的插图，特别有助于读者的学习和理解。（3）提供了丰富的参考文献，既列出了经过时间考验的经典论文，也列出了能反映未来发展方向的*进展，适于读者进一步深入探索。

本书是英文第4版的中文翻译，大约有五分之一的内容更新。主要更新的内容包括：增加了一些*的算法，增加了习题部分，重写了部分内容。更为具体的内容更新请参考作者序。 本书是在第3版中文翻译的基础上，按照直译的原则进行翻译的，与英文版形成完全的对照。对于英文版中明显存在的排印或疏忽类的错误，都进行了更正。由于这些错误一般都很明显，因此译文中没有专门声明，读者如果对照英文版，不难看出其出处。

目    录

第1章  引言 1
1.1  动机 1
1.2  计算机视觉为什么是困难的 2
1.3  图像表达与图像分析的任务 4
1.4  总结 7
1.5  习题 7
1.6  参考文献 8
第2章  图像及其表达与性质 9
2.1  图像表达若干概念 9
2.2  图像数字化 11
2.2.1  采样 11
2.2.2  量化 12
2.3  数字图像性质 13
2.3.1  数字图像的度量和拓扑性质 13
2.3.2  直方图 17
2.3.3  熵 18
2.3.4  图像的视觉感知 18
2.3.5  图像品质 20
2.3.6  图像中的噪声 21
2.4  彩色图像 22
2.4.1  色彩物理学 22
2.4.2  人所感知的色彩 23
2.4.3  彩色空间 26
2.4.4  调色板图像 28
2.4.5  颜色恒常性 28
2.5  摄像机概述 29
2.5.1  光敏传感器 29
2.5.2  黑白摄像机 30
2.5.3  彩色摄像机 32
2.6  总结 32
2.7  习题 33
2.8  参考文献 35
第3章  图像及其数学与物理背景 37
3.1  概述 37
3.1.1  线性 37
3.1.2  狄拉克（Dirac）分布和卷积 37
3.2  积分线性变换 38
3.2.1  作为线性系统的图像 39
3.2.2  积分线性变换引言 39
3.2.3  1D傅里叶变换 39
3.2.4  2D傅里叶变换 43
3.2.5  采样与香农约束 45
3.2.6  离散余弦变换 47
3.2.7  小波变换 48
3.2.8  本征分析 52
3.2.9  奇异值分解 53
3.2.10  主分量分析 54
3.2.11  Radon变换 56
3.2.12  其他正交图像变换 56
3.3  作为随机过程的图像 57
3.4  图像形成物理 59
3.4.1  作为辐射测量的图像 59
3.4.2  图像获取与几何光学 60
3.4.3  镜头像差和径向畸变 63
3.4.4  从辐射学角度看图像获取 65
3.4.5  表面反射 67
3.5  总结 69
3.6  习题 70
3.7  参考文献 71
第4章  图像分析的数据结构 73
4.1  图像数据表示的层次 73
4.2  传统图像数据结构 74
4.2.1  矩阵 74
4.2.2  链 76
4.2.3  拓扑数据结构 76
4.2.4  关系结构 77
4.3  分层数据结构 78
4.3.1  金字塔 78
4.3.2  四叉树 79
4.3.3  其他金字塔结构 80
4.4  总结 81
4.5  习题 82
4.6  参考文献 83
第5章  图像预处理 85
5.1  像素亮度变换 85
5.1.1  位置相关的亮度校正 85
5.1.2  灰度级变换 86
5.2  几何变换 88
5.2.1  像素坐标变换 88
5.2.2  亮度插值 89
5.3  局部预处理 91
5.3.1  图像平滑 91
5.3.2  边缘检测算子 97
5.3.3  二阶导数过零点 100
5.3.4  图像处理中的尺度 104
5.3.5  Canny边缘提取 105
5.3.6  参数化边缘模型 107
5.3.7  多光谱图像中的边缘 107
5.3.8  频域的局部预处理 108
5.3.9  用局部预处理算子作线检测 112
5.3.10  角点（兴趣点）检测 113
5.3.11  稳定极值区域检测 116
5.4  图像复原 117
5.4.1  容易复原的退化 118
5.4.2  逆滤波 118
5.4.3  维纳滤波 118
5.5  总结 120
5.6  习题 121
5.7  参考文献 126
第6章  分割Ⅰ 130
6.1  阈值化 130
6.1.1  阈值检测方法 132
6.1.2  阈值化 133
6.1.3  多光谱阈值化 135
6.2  基于边缘的分割 136
6.2.1  边缘图像阈值化 137
6.2.2  边缘松弛法 138
6.2.3  边界跟踪 139
6.2.4  作为图搜索的边缘跟踪 143
6.2.5  作为动态规划的边缘跟踪 149
6.2.6  Hough变换 152
6.2.7  使用边界位置信息的边界
???检测 157
6.2.8  从边界构造区域 157
6.3  基于区域的分割 159
6.3.1  区域归并 160
6.3.2  区域分裂 161
6.3.3  分裂与归并 162
6.3.4  分水岭分割 165
6.3.5  区域增长后处理 167
6.4  匹配 167
6.4.1  模版匹配 168
6.4.2  模版匹配的控制策略 170
6.5  分割的评测问题 170
6.5.1  监督式评测 171
6.5.2  非监督式评测 173
6.6  总结 174
6.7  习题 176
6.8  参考文献 178
第7章  分割Ⅱ 185
7.1  均值移位分割 185
7.2  活动轮廓模型——蛇行 190
7.2.1  经典蛇行和气球 191
7.2.2  扩展 193
7.2.3  梯度矢量流蛇 194
7.3  几何变形模型——水平集和测地
?? 活动轮廓 198
7.4  模糊连接性 203
7.5  面向基于3D图的图像分割 208
7.5.1  边界对的同时检测 208
7.5.2  次优的表面检测 211
7.6  图割分割 212
7.7  单和多表面分割 217
7.8  总结 227
7.9  习题 228
7.10  参考文献 229
第8章  形状表示与描述 237
8.1  区域标识 239
8.2  基于轮廓的形状表示与描述 241
8.2.1  链码 241
8.2.2  简单几何边界表示 242
8.2.3  边界的傅里叶变换 245
8.2.4  使用片段序列的边界描述 246
8.2.5  B样条表示 249
8.2.6  其他基于轮廓的形状描述
???方法 250
8.2.7  形状不变量 251
8.3  基于区域的形状表示与描述 253
8.3.1  简单的标量区域描述 254
8.3.2  矩 257
8.3.3  凸包 259
8.3.4  基于区域骨架的图表示 262
8.3.5  区域分解 266
8.3.6  区域邻近图 267
8.4  形状类别 268
8.5  总结 268
8.6  习题 270
8.7  参考文献 272
第9章  物体识别 278
9.1  知识表示 278
9.2  统计模式识别 281
9.2.1  分类原理 282
9.2.2  近邻 283
9.2.3  分类器设置 285
9.2.4  分类器学习 287
9.2.5  支持向量机 288
9.2.6  聚类分析 291
9.3  神经元网络 293
9.3.1  前馈网络 294
9.3.2  非监督学习 295
9.3.3  Hopfield神经元网络 296
9.4  句法模式识别 297
9.4.1  语法与语言 298
9.4.2  句法分析与句法分类器 300
9.4.3  句法分类器学习与语法推导 301
9.5  作为图匹配的识别 302
9.5.1  图和子图的同构 303
9.5.2  图的相似度 305
9.6  识别中的优化技术 306
9.6.1  遗传算法 307
9.6.2  模拟退火 308
9.7  模糊系统 309
9.7.1  模糊集和模糊隶属函数 310
9.7.2  模糊集运算 311
9.7.3  模糊推理 312
9.7.4  模糊系统设计与训练 314
9.8  模式识别中的Boosting方法 315
9.9  随机森林 317
9.9.1  随机森林训练 318
9.9.2  随机森林决策 321
9.9.3  随机森林扩展 322
9.10  总结 322
9.11  习题 325
9.12  参考文献 330
第10章  图像理解 335
10.1  图像理解控制策略 336
10.1.1  并行和串行处理控制 336
10.1.2  分层控制 337
10.1.3  自底向上的控制 337
10.1.4  基于模型的控制 337
10.1.5  混合的控制策略 338
10.1.6  非分层控制 341
10.2  SIFT：尺度不变特征转换 342
10.3  RANSAC：通过随机抽样一致来
???拟合 344
10.4  点分布模型 347
10.5  活动表观模型 355
10.6  图像理解中的模式识别方法 362
10.6.1  基于分类的分割 362
10.6.2  上下文图像分类 364
10.6.3  梯度方向直方图-HOG 367
10.7  Boosted层叠分类器用于快速物体
???检测 370
10.8  基于随机森林的图像理解 372
10.9  场景标注和约束传播 377
10.9.1  离散松弛法 378
10.9.2  概率松弛法 379
10.9.3  搜索解释树 381
10.10  语义图像分割和理解 382
10.10.1  语义区域增长 383
10.10.2  遗传图像解释 384
10.11  隐马尔可夫模型 390
10.11.1  应用 394
10.11.2  耦合的HMM 394
10.11.3  贝叶斯信念网络 395
10.12  马尔科夫随机场 397
?10.12.1  图像和视觉的应用 398
10.13  高斯混合模型和期望化 399
10.14  总结 404
10.15  习题 407
10.16  参考文献 410
第11章  3D几何，对应，从亮度到3D 419
11.1  3D视觉任务 419
11.1.1  Marr理论 421
11.1.2  其他视觉范畴：主动和
有目的的视觉 422
11.2  射影几何学基础 423
11.2.1  射影空间中的点和超平面 424
11.2.2  单应性 426
11.2.3  根据对应点估计单应性 427
11.3  单透视摄像机 430
11.3.1  摄像机模型 430
11.3.2  齐次坐标系中的投影和
反投影 432
11.3.3  从已知场景标定一个
摄像机 432
11.4  从多视图重建场景 433
11.4.1  三角测量 433
11.4.2  射影重建 434
11.4.3  匹配约束 435
11.4.4  光束平差法 436
11.4.5  升级射影重建和自标定 437
11.5  双摄像机和立体感知 438
11.5.1  极线几何学——基本矩阵 438
11.5.2  摄像机的相对运动——本质
矩阵 440
11.5.3  分解基本矩阵到摄像机
矩阵 441
11.5.4  从对应点估计基本矩阵 441
11.5.5  双摄像机矫正结构 442
11.5.6  矫正计算 444
11.6  三摄像机和三视张量 445
11.6.1  立体对应点算法 446
11.6.2  距离图像的主动获取 451
11.7  由辐射测量到3D信息 453
11.7.1  由阴影到形状 453
11.7.2  光度测量立体视觉 455
11.8  总结 456
11.9  习题 457
11.10  参考文献 459
第12章  3D视觉的应用 464
12.1  由X到形状 464
12.1.1  由运动到形状 464
12.1.2  由纹理到形状 468
12.1.3  其他由X到形状的技术 469
12.2  完全的3D物体 471
12.2.1  3D物体、模型以及相关
问题 471
12.2.2  线条标注 472
12.2.3  体积表示和直接测量 474
12.2.4  体积建模策略 475
12.2.5  表面建模策略 476
12.2.6  为获取完整3D模型的面元
标注与融合 478
12.3  3D场景的2D视图表达 482
12.3.1  观察空间 482
12.3.2  多视图表达和示象图 482
12.4  从无组织的2D视图集合进行
3D重建，从运动到结构 483
12.5  重建场景几何 485
12.6  总结 487
12.7  习题 487
12.8  参考文献 488
第13章  数学形态学 493
13.1  形态学基本概念 493
13.2  形态学四原则 494
13.3  二值膨胀和腐蚀 495
13.3.1  膨胀 495
13.3.2  腐蚀 497
13.3.3  击中击不中变换 498
13.3.4  开运算和闭运算 499
13.4  灰度级膨胀和腐蚀 499
13.4.1  顶面、本影、灰度级膨胀和
腐蚀 500
13.4.2  本影同胚定理和膨胀、腐蚀
及开、闭运算的性质 502
13.4.3  顶帽变换 502
13.5  骨架和物体标记 503
13.5.1  同伦变换 503
13.5.2  骨架、中轴和球 503
13.5.3  细化、粗化和同伦骨架 505
13.5.4  熄灭函数和终腐蚀 506
13.5.5  终腐蚀和距离函数 508
13.5.6  测地变换 509
13.5.7  形态学重构 510
13.6  粒度测定法 511
13.7  形态学分割与分水岭 513
13.7.1  粒子分割、标记和分水岭 513
13.7.2  二值形态学分割 513
13.7.3  灰度级分割和分水岭 515
13.8  总结 516
13.9  习题 517
13.10  参考文献 518
第14章  图像数据压缩 520
14.1  图像数据性质 521
14.2  图像数据压缩中的离散图像变换 521
14.3  预测压缩方法 523
14.4  矢量量化 525
14.5  分层的和渐进的压缩方法 525
14.6  压缩方法比较 526
14.7  其他技术 527
14.8  编码 527
14.9  JPEG和MPEG图像压缩 528
14.9.1  JPEG——静态图像压缩 528
14.9.2  JPEG-2000压缩 529
14.9.3  MPEG——全运动的视频
压缩 531
14.10  总结 532
14.11  习题 533
14.12  参考文献 535
第15章  纹理 537
15.1  统计纹理描述 539
15.1.1  基于空间频率的方法 539
15.1.2  共生矩阵 540
15.1.3  边缘频率 541
15.1.4  基元长度（行程） 542
15.1.5  Laws纹理能量度量 543
15.1.6  局部二值模式（LBPs） 544
15.1.7  分形纹理描述 547
15.1.8  多尺度纹理描述——小波
域方法 549
15.1.9  其他纹理描述的统计方法 551
15.2  句法纹理描述方法 552
15.2.1  形状链语法 553
15.2.2  图语法 554
15.2.3  分层纹理中的基元分组 555
15.3  混合的纹理描述方法 556
15.4  纹理识别方法的应用 557
15.5  总结 557
15.6  习题 559
15.7  参考文献 561
第16章  运动分析 566
16.1  差分运动分析方法 568
16.2  光流 571
16.2.1  光流计算 571
16.2.2  全局和局部光流估计 573
16.2.3  局部和全局相结合的光流
估计 575
16.2.4  运动分析中的光流 575
16.3  基于兴趣点对应关系的分析 578
16.3.1  兴趣点的检测 578
16.3.2  Lucas-Kanade点跟踪 578
16.3.3  兴趣点的对应关系 580
16.4  特定运动模式的检测 582
16.5  视频跟踪 585
16.5.1  背景建模 585
16.5.2  基于核函数的跟踪 588
16.5.3  目标路径分析 592
16.6  辅助跟踪的运动模型 596
16.6.1  卡尔曼滤波器 596
16.6.2  粒子滤波器 600
16.6.3  半监督跟踪——TLD 603
16.7  总结 605
16.8  习题 607
16.9  参考文献 608
词汇 613