Предисловие редактора перевода

В экспериментальных физических исследованиях, астрономии, астрофизике в настоящее время все возрастающую роль играет проблема автоматизации извлечения информации из изображений, получаемых с помощью различных физических приборов. Потенциальные возможности уникальных приборов, таких, например, как большие оптические, радио-, рентгеновские, гамма-телескопы, электронные и ультразвуковые микроскопы, зачастую не реализуются, если не снабдить их надлежащими средствами обработки получаемых изображений. Именно здесь сейчас узкое место в развитии средств экспериментальной физики.

Этот факт находит свое выражение, в частности, и в том, что в последние годы многие зарубежные издательства в число своих изданий по физическим наукам, регулярно включают монографии, посвященные вопросам обработки изображений. Некоторые из них переведены на русский язык и изданы издательством «Мир» и пользуются большим спросом.

Настоящая монография существенно дополняет вышедшие ранее книги по крайней мере в двух отношениях. Во-первых, в ней достаточно подробно рассматриваются новейшие аспекты проблемы обработки изображений, такие, как фазовая задача в случае изображений конечных размеров, встречающаяся в астрономии, радиотехнике, микроскопии высокого разрешения и т. д., задача наблюдения изображений через турбулентную искажающую среду (спекл-изображения), интерферометрическая трактовка трансмиссионной вычислительной томографии. Во-вторых, это «системные» вопросы обработки изображений — структура и особенности ее аппаратурного и программного обеспечения, отражающие высокий уровень современной вычислительной техники.

Все это позволяет считать, что данная книга будет полезна советским специалистам в области оптики, оптической и радиоастрономии, кристаллографии и других разделов экспериментальной физики, связанных с оптической и цифровой обработкой изображений различной физической природы. Кроме того, ее можно будет использовать и как пособие для студентов старших курсов и аспирантов соответствующих специальностей и для самостоятельного изучения начинающими специалистами.

Читатель, желающий познакомиться по книге с цифровыми методами реконструкции изображений по искаженному вследствие тех или иных причин сигналу и техническими средствами решения этой

задачи, найдет здесь не только достаточно наглядное и зачастую весьма образное изложение основных идей, но и много практических подробностей, так сказать, кухни цифровой обработки изображений, чего в сущности не было до сих пор ни в одной книге. Опытный читатель, который сам что-то сделал в этой области, несомненно, получит удовольствие, найдя в рассуждениях авторов, приводимых технических подробностях, приемах обработки, мотивациях много созвучного собственным мыслям и опыту.

В обработке изображений еще не успела сложиться общепринятая терминология и рубрикация: знания, добытые в разных частях света, еще как следует не перемешались. У авторов имеются свои воззрения, и мы постарались при переводе верно их передать. Постарались мы, насколько это возможно, передать и эмоциональную манеру изложения, принятую авторами, но непривычную для нашей научной литературы. Надеемся также, что читателю окажется полезным дополнительный список литературы на русском языке по вопросам цифровой обработки изображений. По технологическим причинам в книге иногда начертание одних и тех же символов оказывается несколько различным в формулах и тексте, но это не должно приводить к непониманию.

Перевод книги выполнен кандидатом физ.-мат. наук Б. С. Кругликовым (предисловие, гл. 1—6, 9, список обозначений и терминов, литература) и С. Л. Ярославским (гл. 7, 8).

Доктор физ.-мат. наук Л. П. Ярославский

Посвящается и человеку небес Э. Мак-Доннеллу

Предисловие

Обработка изображений — новая область науки, хотя литература, посвященная ей, уже огромна. Формы этой области еще не полностью обозначились, так что рано было бы пытаться дать законченное изложение. Наш труд представляет собой обзор по всем аспектам данного предмета, с которыми мы сами знакомы, причем основной упор в нем делается на те вопросы, которые мы по своему опыту считаем более существенными в плане теории и в плане практических технических приложений. Хотя по большей части излагаемый материал можно рассматривать как хорошо обоснованный, многое в книге носит предварительный характер. Своей вины в этом мы не видим — очень уж велик объем нового, отраженного в нашей книге. Успехи науки и техники часто проистекают из случайных ассоциаций идей. Поэтому мы решили, что нужно во всех подходящих случаях делиться с читателем своими интуитивными догадками, «внутренней убежденностью», предвзятыми мнениями (называйте как хотите!). Так что изложение надежно проверенных результатов у нас усеяно замечаниями в скобках, советами и рекомендациями, которые, как мы надеемся, могут подсказать читателю пути решения тех или иных из интереснейших задач, которыми изобилует наша наука.

Здесь, в Новой Зеландии, казалось бы, на самом краю Земли, мы оказались вовлеченными в исследования по шести разным разделам обработки изображений. Это различные приложения голографии, вопросы визуализации в медицинских целях, обработка астрономических данных, восстановление искаженных фотоснимков, совсем недавно разработанный метол обработки с пекл-изображений, а также коррекция и представление изображений, получаемых с ИСЗ. Поэтому на протяжении всей книги мы часто ссылаемся на различные приложения этих областей обработки изображений. Кроме того, поскольку мы ставили себе задачей написать краткое руководство обзорного характера, то постарались хотя бы просто упомянуть все области науки и техники, в которых применение принципов и методов обработки изображений привело к новым ценным результатам.

Хотя данную книгу можно, конечно, классифицировать как научную монографию, она может служить и учебным пособием для аспирантов. Сейчас принято в таких изданиях перемежать изложение «задачами». Нам, вообще говоря, не очень нравится такой подход (если не говорить об элементарных учебниках по основным предметам), и мы думаем, что он совсем не годится, когда главная цель — выработать то интуитивное понимание, в котором вся суть обработки

изображений. Дело в том, что обработка изображений — это не только наука, но и в какой-то мере искусство, поскольку она опирается на интуицию, основанную на объективно устанавливаемой логической дедукции. По нашему мнению, единственный верный путь для читателя к овладению любым методом обработки изображений — испробовать его на практике сразу же после того, как изучены теоретические основы и рекомендации.

Соответственно этому в конце каждой главы мы приводим весьма обширный и подробный «пример», иллюстрирующий различные стороны изложенного в данной глазе материала. В качестве упражнения можно либо построить другой пример того же типа, либо (что сложнее) предложить аналогичный пример на основе другого метода из данной главы. Компьютерную программу, необходимую для такого упражнения, можно либо получить из источников, на которые даны ссылки в нашей книге, либо попросить написать научных сотрудников лаборатории, к которой прикреплен читатель-аспирант, либо составить самому.

Материал, охва тываемый практически любым другим из существующих учебников по обработке изображений, написанных на аспирантском уровне, у нас излагается в одной главе, а иногда и в одном параграфе. В этом еще одно основание, чтобы рассматривать данную книгу как учебное пособие общего характера. Предмет, которому посвящена каждая глава, кратко излагается в вводных замечаниях, в которых указывается соответствующая литература, в том числе и существующие учебники для аспирантов. Мы считаем, что аспиранту не потребуется другой литературы для «дальнейшего чтения».

Многое в данной книге — результат исследований студентов, коллег [как за границей, так и в Новой Зеландии — в Кентерберийском университете и в Физико-технической лаборатории Управления научных и промышленных исследований (УНПИ)], а также наших гостей, которым мы. как надеемся, в полной мере воздали, поместив их работы в список литературы. Особенно выдающийся вклад внесли Берзине (Лос-Аламосская лаборатория) и Ходгсон (Кентерберийский университет), на работы которых мы ссылаемся в нескольких своих статьях, приведенных в списке литературы. Эндри (Кентерберийский университет) детально ознакомился с рукописью нашей книги, и его замечания существенно помогли улучшить структуру книги. Мы признательны за постоянную поддержку Коллинсу и Эллису из Физико-технической лаборатории. Книга не была бы завершена без начального подбадривания и последующих «увещеваний» Каллена (Колледж Лондонского университета). Наша особая благодарность — аспирантам курсов но «обработке информации» 1984 г. при Кентерберийском университете, на которых курсовым заданием была подготовка изображений для примеров к гл. 4—6.

Кентерберийский упиверсит. Р. Бейтс

Новая Зеландия. М. Мак-Цоннелл

ноябрь I984 г.