Dieses Buch ist eine Einführung in die digitale Bildverarbeitung, die sowohl als Referenz für den Praktiker wie auch als Grundlagentext für die Ausbildung gedacht ist. Es bietet eine Übersicht über die wichtigsten klassischen Techniken in moderner Form und damit einen grundlegenden "Werkzeugkasten" für dieses spannende Fachgebiet. Das Buch sollte daher insbesondere für folgende drei Einsatzbereiche gut geeignet sein:

• Für Wissenschaftler und Techniker, die digitale Bildverarbeitung als Hilfsmittel für die eigene Arbeit einsetzen oder künftig einsetzen möchten und Interesse an der Realisierung eigener, maßgeschneiderter Verfahren haben.
• Als umfassende Grundlage zum Selbststudium für ausgebildete IT-Experten, die sich erste Kenntnisse im Bereich der digitalen Bildverarbeitung und der zugehörigen Programmiertechnik aneignen oder eine bestehende Grundausbildung vertiefen möchten.
• Als einführendes Lehrbuch für eine ein- bis zweisemestrige Lehrveranstaltung im ersten Studienabschnitt, etwa ab dem 3. Semester. Die meisten Kapitel sind auf das Format einer wöchentlichen Vorlesung ausgelegt, ergänzt durch Einzelaufgaben für begleitende Übungen.

Inhaltlich steht die praktische Anwendbarkeit und konkrete Umsetzung im Vordergrund, ohne dass dabei auf die notwendigen formalen Details verzichtet wird. Allerdings ist dies kein Rezeptbuch, sondern Lösungsansätze werden schrittweise in drei unterschiedlichen Formen entwickelt: (a) in mathematischer Schreibweise, (b) als abstrakte Algorithmen und (c) als konkrete Java-Programme. Die drei Formen ergänzen sich und sollen in Summe ein Maximum an Verständlichkeit sicherstellen.

Voraussetzungen

Wir betrachten digitale Bildverarbeitung nicht vorrangig als mathematische Disziplin und haben daher die formalen Anforderungen in diesem Buch auf das Notwendigste reduziert - sie gehen über die im ersten Studienabschnitt üblichen Kenntnisse nicht hinaus. Als Einsteiger sollte man daher auch nicht beunruhigt sein, dass einige Kapitel auf den ersten Blick etwas mathematisch aussehen. Die durchgehende, einheitliche Notation und ergänzenden Informationen im Anhang tragen dazu bei, eventuell bestehende Schwierigkeiten leicht zu überwinden. Bezüglich der Programmierung setzt das Buch gewisse Grundkenntnisse voraus, idealerweise (aber nicht notwendigerweise) in Java. Elementare Datenstrukturen, prozedurale Konstrukte und die Grundkonzepte der objektorientierten Programmierung sollten dem Leser vertraut sein. Da Java mittlerweile in vielen Studienplänen als erste Programmiersprache unterrichtet wird, sollte der Einstieg in diesen Fällen problemlos sein. Aber auch Java-Neulinge mit etwas Programmiererfahrung in ähnlichen Sprachen (insbesondere C/C++) dürften sich rasch zurechtfinden.

Softwareseitig basiert dieses Buch auf ImageJ, einer komfortablen, frei verfügbaren Programmierumgebung, die von Wayne Rasband am U.S. National Institute of Health (NIH) entwickelt wird. ImageJ ist vollständig in Java implementiert, läuft damit auf vielen Plattformen und kann durch eigene, kleine"Plugin"-Module leicht erweitert werden. Die meisten Programmbeispiele sind jedoch so gestaltet, dass sie problemlos in andere Umgebungen oder Programmiersprachen portiert werden können.

Einsatz in Forschung und Entwicklung

Dieses Buch ist zwar vorwiegend für den Einsatz in der Lehre konzipiert, bietet jedoch an vielen Stellen Grundlagen und Details, die anderswo nur schwer zu finden sind, und sollte daher auch für den interessierten Praktiker eine Hilfe sein. Es ist aber nicht als umfassender Ausgangspunkt zur Forschung gedacht und erhebt v.a. auch keinen Anspruch auf wissenschaftliche Vollständigkeit. Im Gegenteil, es wurde versucht, die Fülle der möglichen Literaturangaben auf die wichtigsten und (für Studierende) zugreifbaren Quellen zu beschränken. Darüber hinaus konnten einige weiterführende Techniken, wie etwa hierarchische Methoden, Wavelets, Eigenimages oder Bewegungsanalyse, aus Platzgründen nicht berücksichtigt werden. Auch Themenbereiche, die mit "Intelligenz" zu tun haben, wie Objekterkennung oder Bildverstehen, wurden bewusst ausgespart, und Gleiches gilt für alle dreidimensionalen Problemstellungen aus dem Bereich "Computer Vision". Die in diesem Buch gezeigten Verfahren sind durchweg "blind und dumm", wobei wir aber glauben, dass gerade die technisch saubere Umsetzung dieser scheinbar einfachen Dinge eine essentielle Grundlage für den Erfolg aller weiterführenden (vielleicht sogar "intelligenteren") Ansätze ist.

Man wird auch enttäuscht sein, falls man sich ein Programmierhandbuch für ImageJ oder Java erwartet – dafür gibt es wesentlich bessere Quellen. Die Programmiersprache selbst steht auch nie im Mittelpunkt, sondern dient uns vorrangig als Instrument zur Verdeutlichung, Präzisierung und – praktischerweise – auch zur Umsetzung der gezeigten Verfahren.

Einsatz in der Ausbildung

An vielen Ausbildungseinrichtungen ist der Themenbereich digitale Signal- und Bildverarbeitung seit Langem in die Studienpläne integriert, speziell im Bereich der Informatik und Kommunikationstechnik, aber auch in anderen technischen Studienrichtungen mit entsprechenden formalen Grundlagen und oft auch erst in höheren ("graduate") Studiensemestern. Immer häufiger finden sich jedoch auch bereits in der Grundausbildung einführende Lehrveranstaltungen zu diesem Thema, vor allem in neueren Studienrichtungen der Informatik und Softwaretechnik, Mechatronik oder Medientechnik. Ein Problem dabei ist das weitgehende Fehlen von geeigneter Literatur, die bezüglich der Voraussetzungen und der Inhalte diesen Anforderungen entspricht. Die klassische Fachliteratur ist häufig zu formal für Anfänger, während oft gleichzeitig manche populäre, praktische Methode nicht ausreichend genau beschrieben ist. So ist es auch für die Lektoren schwierig, für eine solche Lehrveranstaltung ein einzelnes Textbuch oder zumindest eine kompakte Sammlung von Literatur zu finden und den Studierenden empfehlen zu können. Das Buch soll dazu beitragen, diese Lücke zu schließen.

Die Inhalte der einzelnen Kapitel sind für eine Lehrveranstaltung von 1-2 Semestern in einer Folge aufgebaut, die sich in der praktischen Ausbildung gut bewährt hat. Die Kapitel sind meist in sich so abgeschlossen, dass ihre Abfolge relativ flexibel gestaltet werden kann. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt dabei auf den klassischen Techniken im Bildraum, wie sie in der heutigen Praxis im Vordergrund stehen. Die Kapitel 13-15 zum Thema Spektraltechniken sind hingegen als grundlegende Einführung gedacht und bewusst im hinteren Teil des Buchs platziert. Sie können bei Bedarf leicht reduziert oder überhaupt weggelassen werden. Es bieten sich mehrere Varianten zur Gliederung von Lehrveranstaltungen über ein oder zwei Semester an:

• 1 Semester: Für einen Kurs über ein Semester könnte man je nach Zielsetzung zwischen den Themenschwerpunkten Bildverarbeitung und Bildanalyse wählen. Beide Lehrveranstaltungen passen gut in den ersten Abschnitt moderner Studienpläne im Bereich der Informatik oder Informationstechnik. Der zweite Kurs eignet sich etwa auch als Grundlage für eine einführende Lehrveranstaltung in der medizinischen Ausbildung.
• 2 Semester: Stehen zwei Semester zur Vermittlung der Inhalte zur Verfügung, wäre eine Aufteilung in zwei aufbauende Kurse (Grundlagen und Vertiefung) möglich, wobei die Themen nach ihrem Schwierigkeitsgrad gruppiert sind.

Ergänzungen zur 2. Auflage

Die vorliegende zweite Auflage der deutschen Ausgabe enthält neben zahlreichen kleineren Korrekturen und Verbesserungen zwei ergänzende Abschnitte zu den Themen Histogrammanpassung (Kap. 5) und Lanczos-Interpolation (Kap. 16). Soweit sinnvoll wurden die Beispielprogamme auf Java 5 aktualisiert. Dank der Unterstützung von Seiten des Verlags erhielt diese Ausgabe auch ein moderneres Layout, hochwertigeres Papier und einige wichtige Seiten in Farbe.

Online-Materialien

Auf der Website zu diesem Buch www.imagingbook.com (dieser Site) stehen zusätzliche Materialien in elektronischer Form frei zur Verfügung, u.a. Testbilder in Originalgröße und Farbe, Java-Quellcode für die angeführten Beispiele, aktuelle Ergänzungen und etwaige Korrekturen.
Für Lehrende gibt es außerdem den vollständigen Satz von Abbildungen und Formeln zur Verwendung in eigenen Präsentationen. Kommentare, Fragen, Anregungen und Korrekturen sind willkommen und sollten adressiert werden an imagingbook(at)gmail.com.