Красильников Н.Н. Цифровая обработка 2D и 3D изображений

Учеб. пособие. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 608 с.Изложены теоретические основы цифровой обработки 2D- и 3D-изображений. Подробно
рассмотрены статистические характеристики изображений и помех, колориметрические системы и управление цветом, зрительная система и восприятие изображений, оцифровка изображений, линейная и нелинейная обработка изображений, геометрические преобразования изображений, морфологические операции и их применение, сегментация изображений, компрессия изображений без потери и с потерей информации, объемные изображения, виртуальная реальность и трехмерное сканирование, цифровое видео и телевидение. Наряду с традиционными методами обработки и компрессии неподвижных изображений и видеопоследовательностей, рассмотрены новейшие.
Для студентов, аспирантов и специалистов, изучающих методы цифровой обработки изображений и занимающихся разработкой алгоритмов и прикладных программ их обработки.Введение.
Изображения и помехи.
Объекты реального мира и их свойства.
Двумерная растровая модель изображения сцен и составляющих их объектов.
Векторная модель представления двумерных изображений.
Виды изображений.
Модели изображений.
Пространственные спектры изображений.
Спектральные интенсивности изображений.
Функции автоковариации изображений.
Плотность вероятности распределения яркости в изображениях.
Коэффициент автокорреляции оболочек трёхмерных объектов.
Вывод формулы для коэффициента автокорреляции оболочек трёхмерных объектов.
Приближённый способ измерения коэффициентов автокорреляции оболочек трёхмерных объектов.
Зависимость коэффициента автокорреляции оболочек от угла θ.
Зависимость коэффициента автокорреляции оболочек от их взаимного смещения вдоль оси z на величину ζ.
Гистограммы оболочек реальных трёхмерных изображений.
Характеристики цвета.
Помехи и их статистические характеристики.
Источники флуктуационного шума в цифровых фото- и видеокамерах на ПЗС.
Модель флуктуационного шума матрицы ПЗС.
Технология маркирования изображений.
Воспроизведение цвета на изображениях и управление цветом.
Аксиомы Грассмана и законы смешения цветов.
Опыты по уравниванию цветов.
Аксиомы уравнивания цветов.
Принципы построения колориметрической системы.
Колориметрическая система RGB.
Колориметрическая система XYZ.
Цветовые расчёты в колориметрической системе XYZ.
Определение цвета смеси двух цветов, заданных координатами цвета.
Определение цвета смеси трёх цветов, заданных цветовыми коэффициентами.
Определение цвета смеси трёх цветов, заданных координатами цветностей и величинами яркостей.
Определение доминирующей длины волны и чистоты цвета.
Цветовая температура.
Другие колориметрические системы.
Колориметрическая система Манселла.
Колориметрическая система Мак-Адама.
Колориметрическая система L*a*b*.
Колориметрические системы HLS и HSB.
Колориметрические системы CMY и CMYK.
Вывод на экран и печать цветных изображений.
Управление цветом, калибровка, основы систем CMS.
Баланс белого.
Автоматический способ установки баланса белого.
Способ с использованием ручной предустановки.
Ручная установка баланса белого.
Каналы, слои и изображения с прозрачным фоном.
Каналы.
Изобразительные слои изображения.
Изображения с прозрачным фоном.
Цветовая обработка изображения в области, ограниченной произвольным контуром.
Работа с цветом в графических редакторах.
Зрительная система и восприятие изображений.
Проблема оценки качества воспроизведения изображений.
Краткие сведения о строении зрительной системы.
Оптика глаза.
Адаптация зрительной системы к освещённости и контрастная чувствительность.
Разрешающая способность зрительной системы в пространстве (острота зрения).
Инерционность зрения.
Восприятие движения.
Восприятие цвета.
Восприятие объёма.
Обнаружение и опознавание изображений объектов в пороговых условиях наблюдения.
Функциональные модели зрительной системы.
Обобщённая функциональная модель зрительной системы.
Особенности восприятия семантических изображений зрительной системой человека.
Методы оценки качества воспроизведения изображений.
Корреляционно-энергетический критерий качества изображения, кодированного по стандарту MPEG-2.
Оцифровка изображений.
Представление изображений в памяти компьютера.
Теорема Котельникова.
Помеха пространственной дискретизации.
Метод уменьшения помехи пространственной дискретизации.
Структуры расположения отсчетов при дискретизации изображений.
Интерполяция при воспроизведении изображений.
Квантование изображений по яркости.
Ложные контуры и методы их ослабления.
Моды представления изображений.
Контраст, детальность, разрешение принтера и частота пространственной дискретизации.
Сканеры.
Цифровые фото- и видеокамеры.
Линейная фильтрация изображений.
Цели применения линейной фильтрации изображений.
Метод фильтрации цифровых изображений путем их свёртки с импульсной характеристикой.
Метод фильтрации цифровых изображений в спектральной области.
Апертурные искажения изображений.
Апертурные искажения, обусловленные неточной фокусировкой оптической системы.
Апертурные искажения изображения, обусловленные смазом вследствие недостаточно короткой экспозиции при съёмке движущегося объекта.
Апертурные искажения изображения, обусловленные несовершенством преобразователей изображения в сигнал.
Апертурные искажения изображения, обусловленные несовершенством воспроизводящих устройств.
Искажения, обусловленные турбулентностью атмосферы.
Фильтрация изображений, искаженных гауссовым белым шумом.
Коррекция апертурных искажений в изображениях при наличии шума.
Принципы обработки изображений, основанные на учёте особенностей их восприятия зрительной системой.
Ослабление шума на изображениях методом адаптивной анизотропной фильтрации.
Фильтрация изображений в ограниченной пространственной области.
Подчёркивание световых границ на изображениях.
Метод нерезкого маскирования.
Другие линейные методы подчёркивания границ на изображениях.
Ослабление дефектов изображения путём размытия.
Пределы увеличения разрешения.
Линейная фильтрация изображений в графических редакторах.
Нелинейная обработка изображений.
Искажения воспроизведения градаций яркости.
Фотоматериалы.
Преобразователи изображения в видеосигнал.
Воспроизводящие устройства.
Коррекция искажений воспроизведения градаций яркости.
Видоизменение гистограмм.
Методы согласования динамического диапазона изображений с динамическим диапазоном дисплея.
Проблема разрежения шкалы квантования при коррекции световых характеристик.
Тоновая коррекция.
Фотографирование сцен с большим динамическим диапазоном яркостей.
Методы отображения сцен с большим динамическим диапазоном яркостей на дисплеях с ограниченным динамическим диапазоном.
Билатеральная фильтрация изображений.
Применение билатеральной фильтрации для улучшения воспроизведения небольших малоконтрастных деталей на изображениях сцен с большим динамическим диапазоном на носителях, у которых динамический диапазон сравнительно невелик.
Применение билатеральной фильтрации для ослабления заметности ложных контуров на проквантованном изображении.
Применение билатеральной фильтрации для ослабления заметности гауссова шума на изображении.
Применение билатеральной фильтрации для выделения текстур из изображений.
Методы коррекции апертурных искажений изображений, основанные на использовании их семантической структуры.
Гомоморфная фильтрация изображений.
Ослабление искажений фотокопии, обусловленных неравномерностью освещённости поверхности фотографируемого оригинала.
Медианная и ранговая фильтрация изображений.
Адаптивная медианная фильтрация изображений.
Некоторые другие виды нелинейной фильтрации изображений.
Среднегеометрический фильтр.
Среднегармонический фильтр.
Контргармонический фильтр.
Методы фильтрации гауссова шума, основанные на учёте особенностей восприятия семантических изображений зрительной системой.
Метод, базирующийся на использовании кусочно-гладкой модели изображения.
Метод, базирующийся на регенерации контурных, градиентных и фактурных компонентов.
Нелинейные преобразования изображений в области, ограниченной произвольным контуром.
Методы нелинейной обработки изображений в графических редакторах.
Геометрические преобразования изображений.
Геометрические искажения изображений.
Аффинные преобразования изображений.
Сдвиг изображения.
Поворот изображения относительно начала координат.
Изменение масштаба изображения.
Дисторсия и методы её коррекции.
Перспективные искажения изображений и их коррекция.
Коррекция геометрических искажений изображений в общем случае.
Метод определения функций, описывающих геометрические искажения.
Наложение текстуры на полигональную оболочку объекта.
Увеличение изображений.
Интерполяция нулевого порядка.
Билинейная интерполяция.
Бикубическая интерполяция.
Интерполяция посредством функций sin x/x.
Метод триангуляции.
Уменьшение изображений.
Интерполяция при использовании матриц Байера.
Морфологические операции и их применение.
Морфологические операции.
Бинарные изображения и их характеристики.
Логические операции над бинарными изображениями.
Понятие связности.
Логическая апертура.
Морфологические операции дилатации и эрозии бинарных изображений.
Использование шаблонов при выполнении морфологических операций.
Морфологические операции бинарного открытия и бинарного закрытия.
Морфологические операции утончения и утолщения бинарных изображений.
Морфологические операции: усечение, мост и удаление центрального пиксела в конфигурациях с H-связностью бинарных изображений.
Заполнение (заливка) областей бинарных изображений.
Построение скелета объекта на бинарном изображении.
Производные морфологические операции над бинарными изображениями.
Использование "интегральных" шаблонов при выполнении морфологических операций над бинарными изображениями.
Морфологические операции дилатации, эрозии, открытия и закрытия полутоновых изображений.
Морфологические операции tophat, bothat и морфологический градиент при фильтрации полутоновых изображений.
Фильтрация полутоновых изображений посредством логической апертуры.
Глава 9. Сегментация изображений.
Сегментация изображений на отдельные области.
Обнаружение на изображении точек и отрезков прямых линий.
Обнаружение перепадов яркости на изображении.
Перекрёстный градиентный оператор Робертса.
Градиентный оператор Превитта.
Градиентный оператор Собела.
Методы выделения контуров на изображениях.
Метод сегментации путём связывания пирамиды.
Пороговая обработка.
Метод выращивания областей.
Метод разделения и слияния областей.
Метод сегментации на основе движения.
Сегментация, основанная на применении морфологических операций эрозии и наращивания.
Особенности сегментации изображений в случае, когда признак, по которому она выполняется, является векторной величиной.
K-метод сегментации изображений.
Сегментация изображений на основе статистических характеристик текстуры.
Интерактивная сегментация изображений.
Гранулометрия.
Обнаружение и различение на изображении объектов известной формы.
Объёмные изображения.
Стереоскопические изображения.
Методы получения стереоизображений.
Методы наблюдения стереоизображений.
2,5D-изображения.
Воксельная модель представления трёхмерных изображений.
Векторная полигональная модель представления трёхмерных изображений.
Модель освещения.
Определение нормали к поверхности и вектора отражения.
Методы закраски граней.
Метод Гуро.
Метод Фонга.
Трассировка лучей.
Метод прямой трассировки лучей.
Метод обратной трассировки лучей.
Проекции трёхмерных изображений на плоскость.
3D-сканеры.
Контактный метод сканирования и реализующие его сканеры.
Бесконтактные методы сканирования и реализующие их сканеры.
Трёхмерное сканирование, основанное на диффузном отражении света сканируемыми объектами.
Определение координаты глубины по 2D-изображению.
3D-печать.
Обработка оболочек трёхмерных изображений.
Цифровое видео и телевидение.
Динамические изображения.
Съёмка исходного материала.
Форматы растров цветных изображений.
Формат 4:4:4.
Формат 4:2:2.
Формат 4:2:0.
Формат 4:1:1.
Элементы нелинейного монтажа.
Разбивка видеоматериала на отдельные сцены.
Создание переходов.
Морфинг и варпинг.
Принципы анимации.
Спецэффекты.
Цифровая запись видеоданных.
Мобильное телевидение и видео.
Объёмное телевидение и видео.
Виртуальные студии.
Аппаратные средства и пакеты программ для работы с цифровым видео.
Сжатие изображений без потерь информации.
Проблема сжатия изображений.
Избыточность изображений.
Декорреляция сигнала изображения.
Кодирование длин серий.
Кодирование методом LZW.
Метод кодирования Хаффмена.
Арифметическое кодирование.
Некоторые детали алгоритмов арифметического кодирования.
Сжатие.
Протяжённость цепочек кодируемых символов.
Адаптивное арифметическое кодирование.
Разделение кодируемого сигнала изображения на контексты.
Проблема накопления ошибок преобразования при сжатии изображений.
Предварительная логическая фильтрация изображений для увеличения степени их сжатия кодерами без потерь информации.
Экспериментальное исследование метода предварительной обработки изображений.
Кодирование битовых плоскостей.
Сжатие изображений с потерями информации.
Дифференциальная кодово-импульсная модуляция.
Кодирование с использованием ортогональных преобразований.
Дискретное косинусное преобразование.
Метод оптимального распределения двоичных единиц кода между спектральными коэффициентами.
Сжатие изображений в формате JPEG.
Вейвлет-преобразование.
Сжатие изображений на основе вейвлет-преобразования.
Сжатие изображений в формате JPEG 2000.
Фрактальное кодирование.
Сжатие изображений в формате MPEG-2.
Определение векторов движения.
Сжатие изображений в формате MPEG-4.
Сжатие изображений в формате H.264.
Метод сжатия, основанный на использовании 3D-моделей, для представления движущихся объектов на 2D-изображениях.
Обзор форматов записи изображений.
Виртуальная реальность.
Виртуальная реальность и области её применения.
Объектно-ориентированный подход.
Простейшие сцены в виртуальном мире.
Более сложные сцены в виртуальном мире.
Объекты, обеспечивающие путешествие в виртуальном мире.
Объекты, обеспечивающие взаимодействие пользователя с объектами виртуального мира.
Алгоритмические языки, применяемые в системах виртуальной реальности.
Имитация искусственного интеллекта.
Тренажёры
Тренажёр NASA, имитирующий работу аэропортов.
Тренажёр, имитирующий взлёт шаттла.
Виртуальный тренажёр бензопилы, основанный на принципе смешанной реальности.
Тренажёр "комната виртуальной реальности".
Компьютерные игры.
Периферийные устройства.
Шлем виртуальной реальности.
Системы трекинга.
Джойстик и руль автомобиля.
Перчатки виртуальной реальности (VR Gloves).
Всенаправленная беговая дорожка.
Методы записи движений человеческого тела.
Заключение.
Литература.
Предметный указатель.