目 錄
第1章 數字圖像處理概述 1
1.1 數字圖像處理的主要研究內容 1
1.2 圖像的數字化和數字圖像的實質 3
1.2.1 圖像的數字化 3
1.2.2 數字圖像的實質 4
1.3 數字圖像的類型 4
1.4 數字圖像的顯示 6
1.4.1 數字圖像的顯示特性 6
1.4.2 數字圖像的打印 7
1.5 彩色模型 8
1.5.1 RGB彩色模型 9
1.5.2 CMY和CMYK彩色模型 10
1.5.3 HSI彩色模型 10
1.6 圖像的統計特征 12
1.6.1 灰度圖像的統計特征 12
1.6.2 灰度圖像的直方圖 12
1.6.3 多波段圖像的統計特征 13
1.7 Matlab圖像處理基礎 13
1.7.1 圖像文件的讀/寫與顯示 14
1.7.2 圖像類型的轉換 18
1.7.3 圖像統計特征的計算 24
1.8 本章小結 27
第2章 數字圖像處理基本運算 28
2.1 點運算 28
2.1.1 線性點運算 28
2.1.2 非線性點運算 30
2.2 代數運算與邏輯運算 31
2.2.1 加運算 32
2.2.2 減運算 33
2.2.3 乘運算 34
2.2.4 除運算 35
2.2.5 圖像邏輯運算 35
2.3 圖像幾何運算 36
2.3.1 齊次坐標 36
2.3.2 圖像平移 37
2.3.3 圖像縮放 37
2.3.4 圖像鏡像 38
2.3.5 圖像旋轉 39
2.3.6 圖像復合變換 40
2.3.7 控制點法 40
2.4 圖像插值運算 41
2.4.1 近鄰插值法 42
2.4.2 雙線性插值法 42
2.4.3 雙三次插值法 43
2.5 圖像運算的Matlab實現 43
2.5.1 代數運算的Matlab實現 44
2.5.2 幾何運算的Matlab實現 48
2.6 本章小結 50
第3章 圖像變換 51
3.1 傅裡葉變換 51
3.1.1 一維傅裡葉變換 51
3.1.2 二維傅裡葉變換 53
3.1.3 離散傅裡葉變換的快速算法 58
3.2 離散餘弦變換 59
3.2.1 一維離散餘弦變換 59
3.2.2 二維離散餘弦變換 60
3.2.3 離散餘弦變換的快速算法 60
3.3 離散沃爾什-哈達瑪變換 61
3.3.1 離散沃爾什變換 62
3.3.2 離散哈達瑪變換 63
3.3.3 快速沃爾什-哈達瑪變換 64
3.4 離散K-L變換 66
3.5 小波變換 68
3.5.1 連續小波變換 68
3.5.2 離散小波變換 70
3.5.3 小波基函數 71
3.5.4 圖像的小波分解與重構 72
3.6 小波閾值去噪分析 74
3.6.1 基本思路 74
3.6.2 小波閾值去噪 74
3.6.3 閾值設置 75
3.6.4 閾值函數 76
3.7 圖像變換的Matlab實現 76
3.7.1 傅裡葉變換的Matlab實現 77
3.7.2 離散餘弦變換的Matlab實現 79
3.7.3 哈達瑪變換的Matlab實現 82
3.7.4 小波變換的Matlab實現 84
3.8 本章小結 87
第4章 圖像空間域增強 88
4.1 直接灰度變換 88
4.1.1 線性變換 89
4.1.2 分段線性變換 89
4.1.3 非線性變換 89
4.2 直方圖修正法 90
4.2.1 直方圖均衡化 90
4.2.2 直方圖規定化 93
4.3 平滑濾波 95
4.3.1 鄰域平均濾波 96
4.3.2 中值濾波 97
4.4 銳化濾波 100
4.4.1 一階差分算子 100
4.4.2 拉普拉斯算子 102
4.4.3 Canny算子 103
4.5 偽彩色增強 104
4.5.1 密度分割法 104
4.5.2 灰度級彩色變換 105
4.6 圖像空間域增強的Matlab實現 105
4.6.1 直方圖修正法的Matlab實現 105
4.6.2 平滑濾波的Matlab實現 109
4.6.3 銳化濾波的Matlab實現 112
4.6.4 偽彩色增強的Matlab實現 114
4.7 本章小結 116
第5章 圖像頻域增強 118
5.1 頻域濾波基礎 118
5.2 低通濾波器 119
5.2.1 理想低通濾波器 119
5.2.2 巴特沃斯低通濾波器 119
5.2.3 指數低通濾波器 120
5.2.4 梯形低通濾波器 120
5.3 高通濾波器 121
5.3.1 理想高通濾波器 121
5.3.2 巴特沃斯高通濾波器 122
5.3.3 指數高通濾波器 122
5.3.4 梯形高通濾波器 122
5.4 帶通或帶阻濾波器 123
5.4.1 帶通濾波器 123
5.4.2 帶阻濾波器 123
5.5 其他頻域的增強方式 124
5.5.1 同態濾波 124
5.5.2 頻域偽彩色增強 125
5.6 圖像頻域增強的Matlab實現 126
5.6.1 低通濾波處理的Matlab實現 126
5.6.2 高通濾波處理的Matlab實現 133
5.6.3 帶通或帶阻濾波處理的Matlab實現 138
5.6.4 同態濾波處理和頻域偽彩色增強的Matlab實現 140
5.7 本章小結 142
第6章 圖像編碼 144
6.1 圖像冗餘信息及圖像質量評價 144
6.1.1 圖像冗餘信息 144
6.1.2 圖像編碼效率的定義 144
6.1.3 圖像質量評價 145
6.2 統計編碼 146
6.2.1 霍夫曼編碼 147
6.2.2 算術編碼 148
6.2.3 行程長度編碼 149
6.3 預測編碼 150
6.3.1 線性預測編碼 151
6.3.2 非線性預測編碼 152
6.4 變換編碼 152
6.5 圖像編碼的主要國際標準 154
6.5.1 靜止圖像編碼國際標準（JPEG） 154
6.5.2 運動圖像編碼國際標準（MPEG） 156
6.6 圖像編碼的Matlab實現 157
6.6.1 霍夫曼編碼的Matlab實現 157
6.6.2 算術編碼的Matlab實現 159
6.6.3 行程長度編碼的Matlab實現 160
6.7 本章小結 162
第7章 圖像恢復 163
7.1 退化模型 164
7.1.1 連續退化模型 164
7.1.2 離散退化模型 165
7.2 代數恢復方法 167
7.2.1 非約束方法 167
7.2.2 約束方法 168
7.3 逆濾波恢復法 169
7.4 維納濾波恢復法 170
7.5 圖像恢復的Matlab實現 171
7.6 本章小結 176
第8章 數學形態學運算 177
8.1 預備知識 177
8.2 形態學基本運算 179
8.2.1 膨脹與腐蝕 179
8.2.2 開運算和閉運算 182
8.3 形態學其他處理 184
8.3.1 擊中或擊不中變換 184
8.3.2 邊界提取 185
8.3.3 區域填充 186
8.3.4 連通分量的提取 187
8.3.5 細化 188
8.3.6 粗化 189
8.4 灰度圖像中的形態學運算 190
8.4.1 膨脹 190
8.4.2 腐蝕 192
8.4.3 開運算和閉運算 193
8.4.4 Top-hat變換和Bottom-hat變換 194
8.5 數學形態學的Matlab實現 195
8.5.1 膨脹與腐蝕的Matlab實現 195
8.5.2 開運算與閉運算的Matlab實現 198
8.5.3 形態學其他處理的部分Matlab實現 201
8.6 本章小結 205
第9章 基於深度學習的圖像處理 206
9.1 機器學習基礎 206
9.1.1 BP神經網絡 206
9.1.2 支持向量機SVM 209
9.2 卷積神經網絡原理 211
9.2.1 卷積神經網絡的發展歷史 211
9.2.2 卷積神經網絡的結構 212
9.2.3 卷積神經網絡的訓練 221
9.3 圖像處理中常用的卷積神經網絡 222
9.3.1 AlexNet 222
9.3.2 GoogleNet 223
9.3.3 ResNet 224
9.4 卷積神經網絡的遷移學習 224
9.5 基於卷積神經網絡的圖像分類示例 226
9.5.1 創建用於圖像分類的簡單卷積神經網絡 227
9.5.2 基於遷移學習的卷積神經網絡訓練與圖像分類結果展示 232
9.6 本章小結 241
參考文獻 243

數字圖像處理是一個跨學科的前沿科技領域，在工程學、計算機科學、信息學、統計學、物理、化學、遙感、生物醫學、地質、海洋、氣像、農業、冶金等許多學科中的應用取得了巨大成功，成為計算機科學、信息科學、生物學、醫學等學科的研究熱點。如今，數字圖像已成為信息時代的重要信息來源，面對高速發展的數字信息時代，有必要培養和提高學生數字圖像處理技術的理論水平和動手能力，使學生能夠應用數字圖像處理技術解決學習、工作中遇到的相關問題。
本書結構安排合理，敘述清晰簡練，理論與實踐並重，使用Matlab作為實驗平臺，將數字圖像處理的理論與Matlab程序實現有機結合，加入的大量實驗示例和實驗圖片，對學生理解數字圖像處理技術有很大幫助。
全書共分9章：第1章是數字圖像處理概述；第2章介紹了數字圖像處理基本運算；第3章介紹了圖像變換；第4章介紹了圖像空間域增強；第5章介紹了圖像頻域增強；第6章介紹了圖像編碼；第7章介紹了圖像恢復；第8章介紹了數學形態學運算；第9章介紹了基於深度學習的圖像處理。本書各章節內容均由哈爾濱商業大學計算機與信息工程學院教師編寫。其中：第1章至第4章由孫華東編寫；第5章由孫華東和範智鵬共同編寫；第6章由範智鵬編寫；第7章由範智鵬和韓小為共同編寫；第8章由韓小為編寫；第9章由王冉編寫。參考文獻由韓小為整理。全書由孫華東統一彙總整理。
本書可用於高等院校電子信息工程、通信工程、信號與信息處理、計算機科學與技術、電氣工程和物聯網等相關專業的高年級本科生或低年級研究生數字圖像處理課程的教材或教學參考書，也可供從事圖像處理、圖像通信、多媒體通信、數字電視等領域的科技人員參考。
本書受到了兩項黑龍江省自然科學基金項目（項目編號：F2018020和LH2020F008）的資金支持，在編寫過程中得到了課題組趙志傑教授、張立志教授和金雪松副教授的大力支持與幫助。他們為本書的結構安排和內容安排提出了許多寶貴的建議。作者在此表示衷心的感謝，同時也對課題組的任聰、陶武超、劉良、王鼕雪和喬寶星等同學表示感謝，他們進行了資料搜集整理和文字校驗等工作。
本書在編寫過程中得到了電子工業出版社富軍編輯的認真審閱和精心修改，既使全書增色不少，也使作者受益匪淺，在此也一並表示感謝。
由於作者水平有限，書中難免有不足和疏漏之處，懇請讀者批評指正。
孫華東
2020年11月