本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材、全國電子信息類優秀教材一等獎、江蘇省精品教材、 “十二五” 江蘇省重點教材、江蘇省研究生優秀課程的參考書。共11章，主要內容：數字圖像的發展簡史、基本圖像處理系統、圖像數字化與顯示、圖像變換與二維數字濾波、圖像編碼與壓縮、圖像增強、圖像復原、圖像分割、數學形態學圖像處理、彩色圖像處理、圖像的數字水印、圖像分析系統、圖像數據庫與基于內容的檢索、圖像存檔與通信系統、圖像融合、圖像處理軟件的開發等。配套電子課件、習題參考答案、課程網站和MOOC微視頻。
胡學龍，教授，揚州大學重點學科帶頭人，IEEE信號處理學會會員、中國圖像圖形學會常務理事、中國儀器儀表學會虛擬儀器與網絡化系統副理事長、中國電子學會電子測量與儀器分會委員、江蘇省電子學會線路與信息處理副主任委員、揚州市電子學會理事長。長期從事圖像處理與多媒體技術、現代信號處理的教學與研究工作。
第1章 緒論 1.1 圖像、像素及數字圖像處理 1.2 數字圖像處理發展簡史 1.3 圖像處理的目的、任務與特點 1.3.1 圖像處理的目的 1.3.2 圖像處理的任 第1章 緒論 1.1 圖像、像素及數字圖像處理 1.2 數字圖像處理發展簡史 1.3 圖像處理的目的、任務與特點 1.3.1 圖像處理的目的 1.3.2 圖像處理的任務 1.3.3 數字圖像處理的特點 1.4 數字圖像處理的應用 本章小結 思考題與習題第2章 圖像處理基本知識 2.1 人類視覺與色度學基礎 2.1.1 人類的基本視覺特性 2.1.2 三基色原理 2.1.3 光度學基本知識 2.2 連續圖像的數學描述 2.3 基本的圖像處理系統 2.3.1 圖像處理硬件 2.3.2 圖像處理軟件 2.4 圖像的統計特征 2.5 實驗：圖像的基本操作和基本統計指標計算 本章小結 思考題與習題第3章 圖像的數字化與顯示 3.1 圖像數字化的基本過程 3.1.1 圖像的采樣和量化 3.1.2 數字圖像的數據量 3.1.3 采樣和量化參數的選擇 3.1.4 二維采樣定理 3.2 圖像的量化方法 3.2.1 量化方法分類 3.2.2 標量量化 3.2.3 向量量化 3.3 圖像輸入/輸出設備 3.3.1 圖像輸入設備 3.3.2 圖像輸出設備 3.4 實驗：圖像的數字化 本章小結 思考題與習題第4章 圖像變換與二維數字濾波 4.1 二維離散傅里葉變換（DFT） 4.1.1 二維連續傅里葉變換 4.1.2 二維離散傅里葉變換 4.1.3 二維離散傅里葉變換的性質 4.2 二維離散余弦變換（DCT） 4.2.1 一維離散余弦變換 4.2.2 二維離散余弦變換 4.2.3 二維DCT的應用 4.3 二維離散沃爾什-哈達瑪變換（DHT） 4.3.1 沃爾什變換 4.3.2 哈達瑪變換 4.4 卡胡南-列夫變換（K-L變換） 4.5 二維離散小波變換 4.5.1 小波分析的思想來源 4.5.2 連續小波變換 4.5.3 一維離散小波變換 4.5.4 二維離散小波變換 4.6 二維數字濾波器 4.7 實驗：圖像變換與二維數字濾波 本章小結 思考題與習題第5章 圖像編碼與壓縮 5.1 概述 5.1.1 數據壓縮的基本概念 5.1.2 圖像編碼壓縮的必要性 5.1.3 圖像編碼壓縮的可能性 5.1.4 圖像編碼壓縮的技術指標 5.1.5 數據壓縮方法的分類 5.2 統計編碼 5.2.1 Huffman編碼 5.2.2 算術編碼 5.3 預測編碼 5.3.1 預測編碼基本原理 5.3.2 線性預測編碼 5.3.3 自適應預測編碼 5.4 變換編碼 5.4.1 變換編碼的基本原理 5.4.2 變換編碼的系統結構 5.4.3 變換編碼方案的選取 5.4.4 整數小波變換與圖像壓縮 5.5 二值圖像編碼 5.5.1 跳躍空白編碼 5.5.2 游程長度編碼 5.6 圖像壓縮編碼標準 5.6.1 彩色與灰度圖像壓縮標準 5.6.2 二值圖像壓縮標準 5.6.3 JPEG2000靜態圖像壓縮標準 5.7 實驗：圖像編碼與壓縮 本章小結 思考題與習題第6章 圖像增強 6.1 概述 6.1.1 圖像增強的目的 6.1.2 圖像增強技術的分類 6.1.3 直方圖的概念 6.2 灰度修正 6.2.1 灰度級校正 6.2.2 灰度變換 6.2.3 灰度直方圖變換 6.3 同態增晰 6.3.1 問題的由來 6.3.2 增晰原理 6.3.3 增晰算法 6.4 平滑 6.4.1 圖像噪聲 6.4.2 鄰域平均法 6.4.3 中值濾波 6.4.4 邊界保持類濾波 6.5 銳化 6.5.1 空間域差分法 6.5.2 頻率域高通濾波法 6.6 實驗：圖像增強 本章小結 思考題與習題第7章 圖像復原 7.1 圖像退化原因與復原技術分類 7.1.1 連續圖像退化的數學模型 7.1.2 離散圖像退化的數學模型 7.2 逆濾波復原 7.3 約束復原 7.3.1 約束復原的基本原理 7.3.2 維納濾波方法 7.3.3 平滑度約束最小平方濾波 7.4 非線性復原方法 7.4.1 最大后驗復原 7.4.2 最大熵復原 7.4.3 投影復原 7.4.4 同態濾波復原 7.5 盲圖像復原 7.5.1 直接測量法 7.5.2 間接估計法 7.6 幾何失真校正 7.6.1 典型的幾何失真 7.6.2 空間幾何坐標變換 7.6.3 校正空間像素點灰度值的確定 7.6.4 魚眼圖像校正方法簡介 7.7 圖像修復技術簡介 7.8 實驗：圖像復原 本章小結 思考題與習題第8章 圖像分割 8.1 概述 8.1.1 圖像分割的目的和任務 8.1.2 圖像分割的集合定義 8.1.3 圖像分割的分類 8.2 像素的鄰域和連通性 8.3 圖像的閾值分割技術 8.3.1 基本原理 8.3.2 全局閾值分割 8.3.3 局部閾值分割 8.4 圖像的邊緣檢測 8.4.1 邊緣檢測的基本原理 8.4.2 梯度算子 8.4.3 拉普拉斯算子 8.4.4 拉普拉斯-高斯算子 8.4.5 坎尼邊緣檢測算子 8.4.6 方向算子 8.4.7 邊緣跟蹤 8.5 霍夫變換 8.5.1 直角坐標系中的霍夫變換 8.5.2 極坐標系中的霍夫變換 8.6 區域生長法 8.7 圖像分割方法的比較 8.7.1 邊緣檢測的優缺點 8.7.2 區域分割的優缺點 8.8 實驗：圖像分割 本章小結 思考題與習題第9章 形態學圖像處理 9.1 概述 9.1.1 數學形態學的發展簡史及基本思想 9.1.2 幾個基本概念 9.2 二值形態學 9.2.1 二值腐蝕 9.2.2 二值膨脹 9.2.3 二值開運算 9.2.4 二值閉運算 9.3 灰值形態學 9.3.1 灰值腐蝕 9.3.2 灰值膨脹 9.3.3 灰值開運算 9.3.4 灰值閉運算 9.3.5 灰值形態學梯度 9.3.6 高帽變換和低帽變換 9.3.7 開-閉運算和閉-開運算 9.4 實驗：形態學圖像處理 本章小結 思考題與習題第10章 彩色圖像處理 10.1 彩色圖像處理的基本問題 10.2 顏色空間的表示及其轉換 10.2.1 RGB模型 10.2.2 Munsell模型 10.2.3 HSV模型 10.2.4 HSI模型 10.2.5 YUV模型 10.2.6 CMYK模型 10.2.7 L*a*b*模型 10.2.8 RGB與HSV空間的相互轉換 10.2.9 RGB與YUV空間的相互轉換 10.2.10 RGB與HSI空間的相互轉換 10.2.11 真彩色、索引色和灰度圖像轉換成二值圖像 10.3 顏色空間的量化 10.4 抖動技術 10.5 假彩色處理 10.6 彩色圖像增強 10.6.1 真彩色增強 10.6.2 偽彩色增強 10.7 彩色圖像形態學 10.7.1 彩色圖像形態學的基本方法 10.7.2 基于數學形態學的彩色圖像濾波 10.8 實驗：彩色圖像處理 本章小結 思考題與習題第11章 數字圖像處理的應用 11.1 圖像處理在數字水印上的應用 11.1.1 概述 11.1.2 數字水印的衡量標準 11.1.3 數字水印的分類 11.1.4 實現數字水印的一般步驟 11.1.5 圖像水印舉例 11.2 基于數學形態學的圖像顆粒度分析系統 11.2.1 概述 11.2.2 求圖像中目標的面積和顆粒度 11.2.3 實驗結果與分析 11.2.4 小結 11.3 基于內容的圖像檢索（CBIR） 11.3.1 概述 11.3.2 基于內容圖像檢索的發展 11.3.3 圖像特征的概念 11.3.4 基于內容的圖像檢索系統的框架 11.3.5 相似度測量公式 11.3.6 基于內容的圖像檢索系統簡介 11.3.7 基于內容的圖像檢索技術的研究熱點 11.3.8 一種基于顏色和紋理特征的彩色圖像檢索算法 11.4 數字化醫院中的圖像存檔與通信系統（PACS） 11.4.1 概述 11.4.2 國內外發展現狀 11.4.3 主要解決的問題和技術要點 11.4.4 DICOM圖像格式 11.4.5 DICOM 3.0標準及其面向對象的實現 11.4.6 小結 11.5 基于多分辨率分析的圖像融合方法 11.5.1 圖像融合的層次 11.5.2 圖像融合的方法 11.6 數字圖像處理的發展趨勢 11.7 基于MATLAB GUI圖像處理軟件的開發 11.7.1 GUIDE基本操作 11.7.2 GUIDE圖像處理軟件設計實例 11.8 實驗：基于GUIDE的圖像處理軟件開發 本章小結 思考題與習題附錄A 常用詞匯中英文對照表附錄B 常用MATLAB圖像處理工具箱函數參考文獻
前言
在人類獲取外界信息的渠道中，由眼睛感受的視覺信息占據舉足輕重的地位。除了可視的自然景象外，宏觀和微觀影像及大量由計算機生成的圖像豐富了視覺的范疇，成為多媒體世界最重要的成員之一。圖像處理技術產生于20世紀初，其發展速度之快、應用范圍之廣、與其他學科交叉之緊密，令人矚目。它在科學技術、國民經濟的各個領域以及人們的工作和生活中發揮越來越重要的作用。
在21世紀，數字圖像處理正以強勁的發展態勢與后勁，朝著智能化、網絡化、個人化、實時化等方向發展，圖像信息已成為第四代移動通信、物聯網、大數據和云計算技術研究的重要對象。近年來，平板電腦和大屏智能手機普及，其高清拍照、在線視頻、二維碼識別、名片識別、視頻聊天等功能深受大眾歡迎。同時圖像處理技術在我國的科學研究與工程技術的振興中做出了顯著貢獻，特別在遙感遙測和宇航工程方面更是立下了汗馬功勞！“高分一號”衛星作為我國高分辨率對地觀測系統首發星的成功發射開啟了我國對地觀測的新時代。以近年來嫦娥工程為例，“嫦娥一號”和“嫦娥二號”衛星所攜帶的干涉成像光譜儀、激光高度計和CCD立體相機共同完成了月球表面三維立體影像的獲取工作。配備了降落相機的“嫦娥三號”在月面上實現了軟著陸，著陸器安裝了地形地貌相機、近紫外月基天文望遠鏡、極紫外相機等探測設備。月球車配備全景相機等成像設備，在月球表面進行巡視探測。在微觀世界，我國科學家在水科學領域取得重大突破，首次拍攝到了水分子的內部結構，使得在實驗中直接解析水的氫鍵網絡構型成為可能。
在本科階段“數字圖像處理”作為電子信息工程、電子信息科學與技術、通信工程、計算機科學與技術、自動化等專業的專業課，對提高學生認識世界和改造世界的能力大有裨益。雖然各專業對圖像的獲取、變換、編碼與壓縮、增強與復原、分割與目標識別等處理及硬件與軟件的實現要求不盡相同，學生的興趣點也有差異，但基本理論、基礎知識、基本技能對于不同專業都是不可缺少的。
圖像處理具有鮮明的學科交叉性。學習圖像處理涉及眾多知識領域。獲取圖像，要了解成像原理和光傳感器的結構，這涉及光學和電子學基礎；為了表示圖像，要用到數學分析、矩陣論、隨機過程；對圖像進行增強，要了解視覺的生理和心理特點；對圖像進行壓縮，必須了解信息論和編碼的基本理論和方法；在計算機中實際進行圖像處理時，對編程語言和軟件工具MATLAB、C++和Photoshop等也應該熟悉�，F代圖像處理技術更是將最新的理論和方法與本學科緊密結合，如數學形態學、人工神經網絡（ANN）、模糊集與粗糙集理論、遺傳算法等演化算法、人工生命等復雜性系統等，這些技術的引入使圖像處理更加智能化。
本課程作為專業課，學時較少，但承接前面課程的概念較多，新概念也較多。近年來，本科畢業設計和研究生在圖像處理、圖像分析和機器視覺等方面的研究課題日趨增多。該課程產生的延伸影響越來越大。如何有效地組織教材，使之成為一個有機的整體，是擺在我們面前的難題。20多年來，對圖像處理技術的研習，使我們感到圖像處理技術博大精深。我們將教材編寫視為創新性的工作，盡管國內外類似的教材較多，但我們希望在立足于吸收眾多專家成果的基礎上，反映我們對圖像處理學習、講授、指導研究生和從事科研實踐的體會和感受。嚴謹、求實、創新，是我們編寫本書的基本原則。
在推進研究性教學、卓越工程師培養計劃和MOOC（大型開放式網絡課程）教學的時代背景下，對第2版教材進行了全面修訂，進一步提高教材的可讀性、實際教學效果，并為研究性圖像處理教學奠定堅實基礎，注重圖像處理理論和技術的實際應用，做到與時俱進，精益求精。第3版特別對原理的驗證、思路的拓展進行了深入的研究。新教材進一步完善了本學科的知識體系，按照學生的學習規律，在循序漸進的指導原則下，對部分章節重新編排，增加了不少可供實際操作的程序，對實驗內容、要求和步驟做了較大的更新，對習題進行了必要的增補和修訂。為了便于教學，我們在書后列出了在雙語教學實踐中選取的圖像處理專業英文詞匯和MATLAB圖像處理工具箱。本教材按照48學時（含實驗）編排，各校、各專業可根據人才培養方案，對學時和內容進行編排。
本書的第1、2版在讀者和專家們的關愛下，獲得了良好的社會聲譽：第1版2006年被評為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，2007年被評為江蘇省精品教材，2010年又成為江蘇省研究生優秀課程“圖像信號處理”的主要參考書，2012年榮獲全國電子信息類優秀教材（研究生、本科生教育優秀教材）一等獎。由中國電子教育學會、電子工業出版社和揚州大學共同舉辦的“數字圖像處理”及信號處理類課程教師培訓與研修班將本教材作為培訓教材，作者圍繞圖像處理學科前沿和課程改革、研究性教學、實踐教學等內容做了專題報告。同時，上百所高等學校的使用也在不斷推動著第3版的問世。2013年本書被評為江蘇省“十二五”重點教材立項再版建設項目。
本教材的多媒體互動教學資源庫建設入選國家新聞出版改革發展項目庫2013年度項目。為豐富教材內容和采用本教材的師生提供增值服務，本書提供免費的數字資源，包括電子課件、習題參考答案和配套課程網站，并以MOOC的形態和標準配套了微視頻。請登錄華信教育資源網（http://www.hxedu.com.cn）注冊下載。
本書的修訂工作由揚州大學胡學龍教授完成，孫磊、陳舒涵等老師，陸慧敏、范謙、周金龍、顏子越、陸李娜等幾位博碩士生也參與了修訂工作。本書的修訂工作得到了揚州大學、江蘇省高等學校現代教育技術研究會各級領導的支持。在與日本九州工業大學芹川圣一（SeiichiSERIKAWA）教授聯合培養研究生的過程中，本書的內容得到了不斷充實。電子工業出版社各級領導和相關編輯的精心組織、細心審閱和修改保證了本書高質量地如期出版。書中還參考了大量國內外期刊、專著、教材和圖片。在此一并表示衷心的感謝！
本書的編著工作得到揚州大學出版基金、江蘇省第七批“六大人才高峰”高層次人才項目、國家自然科學基金資助項目（61301220、51108402）、江蘇省卓越工程師培養計劃（軟件類）試點項目、江蘇省高等教育教改研究重中之重課題（2011JSJG012）及重點課題（2013JSJG069）、揚州大學教改重點課題（YZUJX2014-9A、YZUJX2014-56D）等項目的資助。
由于作者的教學和科研水平有限，書中難免有不當之處，敬請同行專家和讀者不吝指正。同行專家、讀者的寶貴意見將給作者更大的激勵，并有助于提高以后面世的新版本的內容質量和進一步提高該課程的教學質量。讀者意見請反饋至wyj@phei.com.cn。
胡學龍
2014年8月
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