Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений (3-е изд., 2012), страница 6

В русскоязычном изданииустранены многие из них: как те, которые были отмечены авторами, так и те, которые встретились уже при переводе. Переводчиками была проделана большаяработа по проверке значительной части формулировок, алгоритмов и выкладок. Насколько было возможно, переводчики старались сохранить стиль авторов; однако книга написана не строго формально, в результате чего в некоторыхместах для достижения большей точности и ясности изложения приходилосьнесколько отклоняться от текста оригинала. В тех случаях, когда по мнениюпереводчиков полезным являлось дать некоторые разъяснения, были написаныдополнительные примечания. Нумерация всех примечаний сделана сплошнаяпо каждой из глав: т.

е. по умолчанию ссылка указывает на примечание внутритой же самой главы.Предыдущее издание настоящей книги (в том числе и его перевод на русский язык) вызвало большой интерес читателей. Хочется надеяться, что переводтретьего издания также будет востребован.Перевод книги выполнен канд. техн. наук Л. И.

Рубановым (вводная часть,гл. 1, 2, 9—12) и канд. техн. наук П. А. Чочиа (гл. 3—8). Данный перевод в значительной степени основан на переводе второго издания той же книги. В нем,кроме двух указанных переводчиков, принимал участие канд. физ.-мат. наукД. В. Сушко (гл. 4—7), который кроме того оказал существенную помощь припереводе гл. 5 настоящего издания.П.

А. ЧочиаÃËÀÂÀ 1ÂÂÅÄÅÍÈÅЛучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.ПословицаИнтерес к методам цифровой обработки изображений происходит из двухосновных областей ее применения, которыми являются повышение качестваизображений для улучшения его визуального восприятия человеком и обработка изображений для их хранения, передачи и представления в автономныхсистемах машинного зрения. Эта глава преследует несколько целей: (1) определить границы области, называемой «обработка изображений»; (2) нарисоватьисторическую перспективу развития этой области; (3) дать представление о современном состоянии предмета, рассмотрев несколько важнейших областей,где применяется обработка изображений; (4) кратко обсудить основные подходы, используемые в цифровой обработке изображений; (5) дать общее представление о компонентах типичной многоцелевой системы обработки изображенийи (6) указать книги и периодические издания, в которых публикуются работыпо тематике обработки изображений.1.1.

×òî òàêîå öèôðîâàÿ îáðàáîòêà èçîáðàæåíèé?Изображение можно определить как двумерную функцию f(x, y), где x и y — координаты в пространстве (конкретно на плоскости) и значение f которой в любой точке, задаваемой парой координат (x, y), называется интенсивностью илиуровнем серого1 изображения в этой точке. Если величины x, y и f принимают конечное число дискретных значений, то говорят о цифровом изображении. Цифровой обработкой изображений называется обработка цифровых изображенийс помощью цифровых вычислительных машин (компьютеров).

Заметим, чтоцифровое изображение состоит из конечного числа элементов, каждый из которых расположен в конкретном месте и принимает определенное значение.Эти элементы называются элементами изображения или пикселями2. Чаще всегодля элементов цифрового изображения используется термин «пиксель». Болеестрогие формальные определения будут даны в главе 2.1В отечественной литературе для этого понятия широко распространен терминяркость, который мы и будем использовать во всех случаях, когда это не приводит к недоразумениям. — Прим.

перев.2Слово pixel образовано от английского словосочетания picture element — «элементизображения». В англоязычной литературе также широко употребляется сокращенноенаписание pel. — Прим. перев.1.1. Что такое цифровая обработка изображений?23Зрение является наиболее совершенным из наших органов чувств, поэтомунеудивительно, что зрительные образы играют важнейшую роль в человеческомвосприятии.

Однако, в отличие от людей, способных воспринимать электромагнитное излучение лишь в видимом диапазоне, машинная обработка изображений охватывает практически весь электромагнитный спектр от гаммаизлучения до радиоволн. Обрабатываемые изображения могут порождатьсятакими источниками, которые для человека непривычно связывать с наблюдаемыми изображениями. Таковы, например, ультразвуковые изображения,изображения, получаемые в электронной микроскопии или генерируемые компьютером.

Таким образом, цифровая обработка изображений охватывает широкие и разнообразные области применения.Не существует общепринятой точки зрения, где заканчивается обработкаизображений и начинаются другие смежные области, например анализ изображений и машинное зрение. Иногда разграничение делается здесь по томупринципу, что обработка изображений определяется как дисциплина, в которой на входе и на выходе процесса присутствуют изображения.

Мы убеждены,что такое вычленение является ограниченным и отчасти искусственным. Например, в рамках этого определения даже такая тривиальная задача, как определение средней интенсивности по полю изображения (при решении которойищется единственное число), не может рассматриваться как операция обработки изображения. С другой стороны, существуют такие области, как машинноезрение, где конечной целью является компьютерная имитация человеческого зрения, включая обучение, способность к умозаключениям и действиямна основе наблюдаемой информации. Эта область сама по себе образует лишьодно из направлений искусственного интеллекта, целью которого являетсяимитация интеллектуальной деятельности человека. Искусственный интеллект находится еще на начальной стадии своего развития, причем следует отметить, что прогресс идет значительно медленнее, чем первоначально ожидалось.Область, связанная с анализом изображений (иначе называемая «понимание»или «интерпретация» изображений), занимает промежуточное положение между обработкой изображений и машинным зрением.Во всем диапазоне от обработки изображений до машинного зрения нетчетких границ, тем не менее можно различать в нем компьютеризованные процессы низкого, среднего и высокого уровня.

Процессы низкого уровня касаютсятолько примитивных операций типа предобработки с целью уменьшения шума,повышения контраста или улучшения резкости изображений. Для низкоуровневых процессов характерен тот факт, что на входе и на выходе присутствуютизображения. Обработка изображений на среднем уровне охватывает такиезадачи, как сегментация (разделение изображения на области или выделениена нем объектов), описание объектов и сжатие их в удобную для компьютернойобработки форму, а также классификация (распознавание) отдельных объектов.

Для процессов среднего уровня характерно наличие изображений толькона входе, на выход же поступают признаки и атрибуты, извлекаемые из этих изображений (например границы областей, линии контуров, отличительные признаки конкретных объектов). Наконец, высокоуровневая обработка включаетв себя «осмысление» набора распознанных объектов, как это делается в анализе24Глава 1.

Введениеизображений, и в пределе осуществление познавательных функций, которыепринято связывать со зрением.Исходя из вышеприведенного замечания мы видим, что естественнымэтапом перехода от обработки изображений к их анализу выступает распознавание отдельных областей или объектов на изображении. Таким образом, то,что в этой книге называется «цифровой обработкой изображений», включаетпроцессы с изображениями на входе и на выходе, а также процессы извлеченияпризнаков из изображений, вплоть до (или включая) распознавания индивидуальных объектов. В качестве иллюстрации, разъясняющей указанные понятия,рассмотрим область автоматизированного анализа печатного или рукописноготекста. В сферу цифровой обработки изображений, которая рассматриваетсяв данной книге, входят процессы получения изображения области, содержащей этот текст, предварительной обработки полученного изображения, выделения (сегментации) отдельных символов текста, описания символов в подходящей для компьютерной обработки форме и, наконец, распознавания этихсимволов.

Что касается осмысления содержимого страницы, то оно может бытьотнесено уже к сфере анализа изображений или даже машинного зрения, в зависимости от уровня сложности, который подразумевается за словом «осмысление». Как мы вскоре увидим, определенная таким образом цифровая обработка изображений успешно применяется в широком круге областей, важныхс социально-экономической точки зрения. Концепции, развиваемые в последующих главах, служат основой для методов, которые используются в этих прикладных областях.1.2.

Èñòîêè öèôðîâîé îáðàáîòêè èçîáðàæåíèéОдно из первых применений цифровых изображений было опробовано в газетном деле для передачи иллюстраций по трансокеанскому подводному кабелюмежду Лондоном и Нью-Йорком. В начале 1920-х годов была внедрена система«Бартлейн» для передачи изображений по кабелю, что позволило уменьшитьвремя доставки иллюстраций через Атлантику с обычной недельной задержкидо менее чем трех часов. С помощью специального печатающего оборудованияосуществлялось кодирование исходного изображения для передачи по кабелю и последующее восстановление этого изображения на приемной стороне.На рис. 1.1 показано изображение, переданное таким образом и распечатанноезатем на телеграфном буквопечатающем аппарате со специальным шрифтом,имитирующим различные уровни почернения.Ряд начальных проблем, связанных с улучшением визуального качестваэтих первых цифровых изображений, относился к выбору процедуры печатии распределению уровней интенсивности.

Способ печати, использованныйдля получения рис. 1.1, в конце 1921 г. был отвергнут в пользу технологии фотографической репродукции с использованием перфоленты, формируемой телеграфным аппаратом на приемной стороне линии. На рис. 1.2 показано изображение, полученное таким способом. Улучшения по сравнению с рис. 1.1очевидны как в отношении качества передачи полутонов, так и в пространственном разрешении.1.2. Истоки цифровой обработки изображений25Рис. 1.1. Цифровое изображение, полученное в 1921 г. с кодовой ленты на телеграфном аппарате с особым шрифтом [McFarlane3]Ранние системы «Бартлейн» были способны кодировать изображения с помощью пяти градаций яркости.