導(dǎo)語：多數(shù)據(jù)源圖象點(diǎn)變換論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

關(guān)鍵詞多源圖象，查找表，直方圖，灰度變換，圖象處理系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng).

AbstractAsmultisourceimageshaveverylargedatarange,howtocompletequicklypointtransformationisdifficultinimageprocessingsystem.Byintroducingconceptofre_mappingtable,colorlook_up_tableandtwo_levelcolorlook_up_table,thispaperputsforwardanarithmeticcalledFVAMSIPT.Bythisalgorithm,theimagepointtransformationofmultisourceimagedatacanbetimelycompleted.

Keywordsmultisourceimage,look_up_table,histogram,graytransformation,imageprocessingsystem,geographicinformationsystem.

在常規(guī)的圖象處理中，空間域點(diǎn)變換處理［1，2］是一種最基本的圖象處理操作.大多數(shù)的空間域點(diǎn)變換處理算法是以常規(guī)圖象數(shù)據(jù)為處理對(duì)象，圖象數(shù)據(jù)通常是8位的整數(shù)數(shù)據(jù).還有一類專業(yè)圖象數(shù)據(jù)，在本文中稱為多源圖象數(shù)據(jù)，包括遙感數(shù)據(jù)、航測(cè)數(shù)據(jù)、航空雷達(dá)數(shù)據(jù)、各種攝影的圖象數(shù)據(jù)，以及通過數(shù)字化和網(wǎng)格化的地質(zhì)圖、地形圖，各種地球物理、地球化學(xué)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和其他專業(yè)圖象數(shù)據(jù).它們的取值范圍變化很大，需要用不同的數(shù)據(jù)類型來表示，如遙感數(shù)據(jù)通常用8位的整數(shù)表示，地球物理數(shù)據(jù)通常用32位的浮點(diǎn)數(shù)表示.為處理多源圖象數(shù)據(jù)，常規(guī)圖象處理系統(tǒng)通常采用的方法是對(duì)多源圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，將數(shù)據(jù)的取值范圍歸一到8位整數(shù)范圍內(nèi)，但是這種量化處理是以損失專業(yè)圖象數(shù)據(jù)的精度為代價(jià)的，有時(shí)這種損失專業(yè)圖象數(shù)據(jù)精度的方法是不可接受的.

為了保證精度不丟失和提高空間域點(diǎn)變換處理的速度，本文提出了多源圖象點(diǎn)變換的快速可視化算法(FVAMSIPT).它能處理所有可能的數(shù)據(jù)類型，包括8位的常規(guī)灰度圖象到64位的雙精度浮點(diǎn)專業(yè)圖象數(shù)據(jù).

圖1多源圖象點(diǎn)變換的快速可視化

Fig.1Fastvisualizationofmultisourceimagepointtransformation

1FVAMSIPT流程圖

在FVAMSIPT中引入了二級(jí)查找表，分別稱為重映射表(trmap)和彩色查找表(tclut).利用重映射表(trmap)，可進(jìn)行圖象的快速點(diǎn)變換處理，并記錄點(diǎn)變換的變換關(guān)系；利用彩色查找表(tclut)，可進(jìn)行顯示器的伽碼校正和彩色映射(如假彩色變換：灰度值映射為彩色RGB值).下面給出整個(gè)算法的流程圖，流程圖分兩部分，如圖1和圖2所示.根據(jù)點(diǎn)變換的方式、輸入范圍和統(tǒng)計(jì)的圖象直方圖，點(diǎn)變換處理只需對(duì)重映射表進(jìn)行處理.

圖2多源圖象數(shù)據(jù)空間域快速點(diǎn)變換

Fig.2Fastpointtransformationofmultisourceimage

2FVAMSIPT描述

(1)求最大值、最小值.掃描圖象文件，計(jì)算圖象的最大值、最小值，并用雙精度數(shù)據(jù)類型保存圖象的最大值、最小值.若是灰度圖象只需保存灰度通道的最大值、最小值，記為dmax，dmin；若是RGB圖象則需分別保存R，G，B三通道的最大值、最小值，分別記為drmax，drmin，dgmax，dgmin，dbmax，dbmin.

(2)統(tǒng)計(jì)直方圖.考慮到圖象的最大可能尺寸，定義直方圖為無符號(hào)4字節(jié)的數(shù)組.若是灰度圖象，定義灰度通道的直方圖為unsignedlongdhist［nmax］，若是RGB圖象則分別定義R，G，B通道的直方圖為unsignedlongdrhist［nmax］，unsignedlongdghist［nmax］，unsignedlongdbhist［nmax］，nmax為直方圖的最大表項(xiàng)，按以下方式確定.

對(duì)8位有符號(hào)數(shù)據(jù)和8位無符號(hào)數(shù)據(jù)，由于有256個(gè)灰度級(jí)，定義直方圖的表項(xiàng)(nmax)為256項(xiàng)；對(duì)8位無符號(hào)數(shù)據(jù)nmax表示0至255灰度級(jí)的象元個(gè)數(shù)，對(duì)8位有符號(hào)數(shù)據(jù)表示－128至127灰度級(jí)的象元個(gè)數(shù).對(duì)8位數(shù)據(jù)的直方圖而言，統(tǒng)計(jì)結(jié)果無信息損失，所占內(nèi)存空間較小.

對(duì)16位有符號(hào)數(shù)據(jù)和16位無符號(hào)數(shù)據(jù)，由于有65536個(gè)灰度級(jí)，定義直方圖的表項(xiàng)(nmax)為65536項(xiàng)；對(duì)16位無符號(hào)數(shù)據(jù)nmax表示0至65535灰度級(jí)的象元個(gè)數(shù)，對(duì)16位有符號(hào)數(shù)據(jù)表示－32768至32767灰度級(jí)的象元個(gè)數(shù).對(duì)16位數(shù)據(jù)的直方圖而言，統(tǒng)計(jì)結(jié)果無信息損失，所占內(nèi)存空間較大.

對(duì)32位有符號(hào)數(shù)據(jù)、32位無符號(hào)數(shù)據(jù)、32位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)和64位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，由于灰度級(jí)太多，尤其32位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)和64位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，灰度級(jí)可看作是連續(xù)量，所以對(duì)這4類數(shù)據(jù)類型無法按通常直方圖意義來定義表項(xiàng)的數(shù)目.考慮到精度和空間的矛盾以及顯示設(shè)備為256級(jí)，定義直方圖的表項(xiàng)(nmax)為65536項(xiàng)；根據(jù)最大值和最小值，將各通道的數(shù)據(jù)按線性量化的方式量化為0至65535灰度級(jí)，并按量化的灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)直方圖.對(duì)灰度圖象的象元，按下式統(tǒng)計(jì)直方圖

wi=［(draw-dmin)/(dmax-dmin)］×65536，

dhist［wi］=dhist［wi］+1.

其中：draw為象元的值，wi為量化的灰度級(jí).對(duì)32位和64位數(shù)據(jù)的的直方圖而言，統(tǒng)計(jì)結(jié)果是原始數(shù)據(jù)量化后的結(jié)果，有信息損失，內(nèi)存空間的開銷較大.

(3)建重映射表.重映射表是一類查找表，利用重映射表(trmap)，可進(jìn)行圖象的快速點(diǎn)變換處理.在缺省時(shí)，重映射表記錄的是原始的線性變換關(guān)系，即重映射表的映射值等于映射表的表項(xiàng)索引值(trmap［wrmi］=wrmi).這時(shí)，對(duì)原始圖象未作任何處理，按顯示流程圖可知，最終顯示的原始圖象是按最大值和最小值線性拉伸的結(jié)果.

(4)計(jì)算重映射表.根據(jù)點(diǎn)變換的方式、輸入范圍和統(tǒng)計(jì)的直方圖，點(diǎn)變換處理只需對(duì)重映射表進(jìn)行處理.點(diǎn)變換包括有多源數(shù)據(jù)灰度線性拉伸、多源數(shù)據(jù)灰度分段線性拉伸、多源數(shù)據(jù)灰度直方圖均衡化、多源數(shù)據(jù)灰度正規(guī)化、多源數(shù)據(jù)平方變換等.下面給出灰度線性拉伸變換和灰度直方圖均衡化變換的算法.

①多源數(shù)據(jù)灰度線性拉伸.根據(jù)線性拉伸處理的累加直方圖的范圍(fb開始范圍，fe結(jié)束范圍)，如fb=0.01，fe＝0.99表示處理落入累加直方圖范圍在0.01～0.99的象元值，由直方圖的統(tǒng)計(jì)表dhist［］，計(jì)算需處理的重映射表的范圍lb，le.按以下公式對(duì)重映射表進(jìn)行變換處理

②灰度直方圖均衡化變換的算法.定義累加直方圖hsum，由統(tǒng)計(jì)的直方圖計(jì)算累加直方圖，然后按以下公式對(duì)重映射表進(jìn)行變換處理

trmap［li］=hsum［li］×

(nmax-1)/hsum［nmax-1］.

其中hsum［nmax-1］記錄的是圖象的象元總數(shù).

3FVAMSIPT分析

3.1時(shí)間復(fù)雜度分析

由上面的流程圖和算法描述可知，本算法需要圖象的最大值dmax和最小值dmin，并在需要時(shí)計(jì)算圖象的直方圖.這是本算法最費(fèi)時(shí)的操作，因?yàn)榍笞畲笾礵max、最小值dmin必須對(duì)全圖掃描一遍才能求出.通常對(duì)最大值dmax、最小值dmin可采用在生成原始圖象文件時(shí)保留在圖象文件頭中，這樣在顯示和空間域點(diǎn)變換中就不考慮這一費(fèi)時(shí)的操作.

當(dāng)點(diǎn)變換需要圖象的直方圖信息時(shí)，通常也需對(duì)全圖掃描一遍才能求出.考慮到圖象的局部象元的空間

圖3多數(shù)據(jù)源圖象空間域點(diǎn)變換交互式可視化控制界面

Fig.3Interfaceoffastvisualalgorithmofmultisourceimagepointtransformation

相關(guān)性，可采用規(guī)則采樣或隨機(jī)采樣的方式來減少統(tǒng)計(jì)時(shí)間，具體的采樣間隔可根據(jù)圖象的大小和圖象類型確定.采用這一方法后，統(tǒng)計(jì)直方圖的時(shí)間大大減少.

本算法的顯示速度與圖象的大小無關(guān)，圖象可能是數(shù)據(jù)量在幾百兆到幾千兆的大圖象，而實(shí)際的顯示屏幕是有限的；顯示時(shí)只需將顯示屏幕對(duì)應(yīng)的原始圖象數(shù)據(jù)取出(根據(jù)縮放比例，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)重采樣)，按顯示流程圖所示，經(jīng)過線性拉伸、二級(jí)查找表變換后，就得到RGB顯示數(shù)據(jù).本顯示過程可達(dá)到實(shí)時(shí)交互瀏覽的程度.

點(diǎn)變換處理的數(shù)據(jù)是重映射表和直方圖表，這兩個(gè)表的最大表項(xiàng)為65536項(xiàng)，與圖象的大小無關(guān)，故點(diǎn)變換處理的時(shí)間是一很小的常數(shù)O(65536)，這個(gè)時(shí)間可忽略不計(jì).

綜上所述，本算法的時(shí)間復(fù)雜度在于計(jì)算一次最大值dmax和最小值dmin的時(shí)間.在計(jì)算后，就可達(dá)到實(shí)時(shí)交互點(diǎn)變換和交互瀏覽的程度.

3.2空間復(fù)雜度分析

(1)本算法需要為各個(gè)通道直方圖分配256K字節(jié)(每表項(xiàng)4字節(jié)，共65636表項(xiàng))，對(duì)一個(gè)通道的灰度圖象需要256K字節(jié)，對(duì)RGB三通道的彩色圖象需要768K字節(jié)；(2)本算法需要為各個(gè)通道的重映射表分配128K字節(jié)(每表項(xiàng)2字節(jié)，共65636表項(xiàng))，對(duì)一個(gè)通道的灰度圖象需要128K字節(jié)，對(duì)RGB三通道的彩色圖象需要384K字節(jié)；(3)本算法需要為RGB彩色查找表分配192K字節(jié)的空間(每表項(xiàng)1字節(jié)，每表65636表項(xiàng)，共3表).

4FVAMSIPT實(shí)現(xiàn)

MSIMAGES是一個(gè)32位專業(yè)圖象處理分析軟件，以多源圖象數(shù)據(jù)為處理分析對(duì)象.在MSIMAGES中，作者實(shí)現(xiàn)了FVAMSIPT.

圖3為多數(shù)據(jù)源圖象空間域點(diǎn)變換交互式可視化控制界面，其中左側(cè)的圖象h301451.msi為高程矩陣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為4字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，dmax=198.151，dmin=12.7481；右側(cè)的查找表編輯對(duì)話框?yàn)榻换ナ娇刂平缑?，由兩部分組成：直方圖控制組和查找表控制組.在本查找表編輯對(duì)話框中，顯示的是紅色通道的所有直方圖(包括變換前和變換后的直方圖)，變換前的直方圖以深灰色繪制，呈雙峰狀，變換后的直方圖以紅色繪制，呈水平狀(這由均衡化點(diǎn)變換決定)，曲線表示重映射表曲線，對(duì)重映射表曲線可用鼠標(biāo)繪制.

交互式查找表編輯體現(xiàn)在兩方面：(1)通過選定變換通道、點(diǎn)變換方式和輸入范圍，然后按“應(yīng)用變換方式和輸入范圍”按鈕；(2)直接在查找表、直方圖顯示控制區(qū)修改重映射表曲線，用這兩種方式修改重映射表曲線后，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)更新顯示圖象.

5結(jié)論

多數(shù)據(jù)源圖象點(diǎn)變換的快速可視化算法(FVAMSIPT)是對(duì)常規(guī)的圖象查找表(LUT)變換算法的發(fā)展.利用本算法，可對(duì)多源圖象數(shù)據(jù)的各類點(diǎn)變換進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互處理并實(shí)時(shí)顯示.

參考文獻(xiàn)

1周孝寬，曹曉光，陳建革等.實(shí)用微機(jī)圖象處理.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.191～204

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