多數據源圖象點變換論文

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關鍵詞多源圖象，查找表，直方圖，灰度變換，圖象處理系統，地理信息系統.

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

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

在常規的圖象處理中，空間域點變換處理［1，2］是一種最基本的圖象處理操作.大多數的空間域點變換處理算法是以常規圖象數據為處理對象，圖象數據通常是8位的整數數據.還有一類專業圖象數據，在本文中稱為多源圖象數據，包括遙感數據、航測數據、航空雷達數據、各種攝影的圖象數據，以及通過數字化和網格化的地質圖、地形圖，各種地球物理、地球化學數據、高程數據和其他專業圖象數據.它們的取值范圍變化很大，需要用不同的數據類型來表示，如遙感數據通常用8位的整數表示，地球物理數據通常用32位的浮點數表示.為處理多源圖象數據，常規圖象處理系統通常采用的方法是對多源圖象數據進行量化處理，將數據的取值范圍歸一到8位整數范圍內，但是這種量化處理是以損失專業圖象數據的精度為代價的，有時這種損失專業圖象數據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變換處理的速度，本文提出了多源圖象點變換的快速可視化算法(FVAMSIPT).它能處理所有可能的數據類型，包括8位的常規灰度圖象到64位的雙精度浮點專業圖象數據.

圖1多源圖象點變換的快速可視化

Fig.1Fastvisualizationofmultisourceimagepointtransformation

1FVAMSIPT流程圖

在FVAMSIPT中引入了二級查找表，分別稱為重映射表(trmap)和彩色查找表(tclut).利用重映射表(trmap)，可進行圖象的快速點變換處理，并記錄點變換的變換關系；利用彩色查找表(tclut)，可進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).下面給出整個算法的流程圖，流程圖分兩部分，如圖1和圖2所示.根據點變換的方式、輸入范圍和統計的圖象直方圖，點變換處理只需對重映射表進行處理.

圖2多源圖象數據空間域快速點變換

Fig.2Fastpointtransformationofmultisourceimage

2FVAMSIPT描述

(1)求最大值、最小值.掃描圖象文件，計算圖象的最大值、最小值，并用雙精度數據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)統計直方圖.考慮到圖象的最大可能尺寸，定義直方圖為無符號4字節的數組.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，按以下方式確定.

對8位有符號數據和8位無符號數據，由于有256個灰度級，定義直方圖的表項(nmax)為256項；對8位無符號數據nmax表示0至255灰度級的象元個數，對8位有符號數據表示－128至127灰度級的象元個數.對8位數據的直方圖而言，統計結果無信息損失，所占內存空間較小.

對16位有符號數據和16位無符號數據，由于有65536個灰度級，定義直方圖的表項(nmax)為65536項；對16位無符號數據nmax表示0至65535灰度級的象元個數，對16位有符號數據表示－32768至32767灰度級的象元個數.對16位數據的直方圖而言，統計結果無信息損失，所占內存空間較大.

對32位有符號數據、32位無符號數據、32位浮點數據和64位浮點數據，由于灰度級太多，尤其32位浮點數據和64位浮點數據，灰度級可看作是連續量，所以對這4類數據類型無法按通常直方圖意義來定義表項的數目.考慮到精度和空間的矛盾以及顯示設備為256級，定義直方圖的表項(nmax)為65536項；根據最大值和最小值，將各通道的數據按線性量化的方式量化為0至65535灰度級，并按量化的灰度級統計直方圖.對灰度圖象的象元，按下式統計直方圖

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.對32位和64位數據的的直方圖而言，統計結果是原始數據量化后的結果，有信息損失，內存空間的開銷較大.

(3)建重映射表.重映射表是一類查找表，利用重映射表(trmap)，可進行圖象的快速點變換處理.在缺省時，重映射表記錄的是原始的線性變換關系，即重映射表的映射值等于映射表的表項索引值(trmap［wrmi］=wrmi).這時，對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果.

(4)計算重映射表.根據點變換的方式、輸入范圍和統計的直方圖，點變換處理只需對重映射表進行處理.點變換包括有多源數據灰度線性拉伸、多源數據灰度分段線性拉伸、多源數據灰度直方圖均衡化、多源數據灰度正規化、多源數據平方變換等.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多源數據灰度線性拉伸.根據線性拉伸處理的累加直方圖的范圍(fb開始范圍，fe結束范圍)，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，由直方圖的統計表dhist［］，計算需處理的重映射表的范圍lb，le.按以下公式對重映射表進行變換處理

②灰度直方圖均衡化變換的算法.定義累加直方圖hsum，由統計的直方圖計算累加直方圖，然后按以下公式對重映射表進行變換處理

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.

3FVAMSIPT分析

3.1時間復雜度分析

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，并在需要時計算圖象的直方圖.這是本算法最費時的操作，因為求最大值dmax、最小值dmin必須對全圖掃描一遍才能求出.通常對最大值dmax、最小值dmin可采用在生成原始圖象文件時保留在圖象文件頭中，這樣在顯示和空間域點變換中就不考慮這一費時的操作.

當點變換需要圖象的直方圖信息時，通常也需對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多數據源圖象空間域點變換交互式可視化控制界面

Fig.3Interfaceoffastvisualalgorithmofmultisourceimagepointtransformation

相關性，可采用規則采樣或隨機采樣的方式來減少統計時間，具體的采樣間隔可根據圖象的大小和圖象類型確定.采用這一方法后，統計直方圖的時間大大減少.

本算法的顯示速度與圖象的大小無關，圖象可能是數據量在幾百兆到幾千兆的大圖象，而實際的顯示屏幕是有限的；顯示時只需將顯示屏幕對應的原始圖象數據取出(根據縮放比例，可進行動態重采樣)，按顯示流程圖所示，經過線性拉伸、二級查找表變換后，就得到RGB顯示數據.本顯示過程可達到實時交互瀏覽的程度.

點變換處理的數據是重映射表和直方圖表，這兩個表的最大表項為65536項，與圖象的大小無關，故點變換處理的時間是一很小的常數O(65536)，這個時間可忽略不計.

綜上所述，本算法的時間復雜度在于計算一次最大值dmax和最小值dmin的時間.在計算后，就可達到實時交互點變換和交互瀏覽的程度.

3.2空間復雜度分析

(1)本算法需要為各個通道直方圖分配256K字節(每表項4字節，共65636表項)，對一個通道的灰度圖象需要256K字節，對RGB三通道的彩色圖象需要768K字節；(2)本算法需要為各個通道的重映射表分配128K字節(每表項2字節，共65636表項)，對一個通道的灰度圖象需要128K字節，對RGB三通道的彩色圖象需要384K字節；(3)本算法需要為RGB彩色查找表分配192K字節的空間(每表項1字節，每表65636表項，共3表).

4FVAMSIPT實現

MSIMAGES是一個32位專業圖象處理分析軟件，以多源圖象數據為處理分析對象.在MSIMAGES中，作者實現了FVAMSIPT.

圖3為多數據源圖象空間域點變換交互式可視化控制界面，其中左側的圖象h301451.msi為高程矩陣數據，數據類型為4字節的浮點數據，dmax=198.151，dmin=12.7481；右側的查找表編輯對話框為交互式控制界面，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(這由均衡化點變換決定)，曲線表示重映射表曲線，對重映射表曲線可用鼠標繪制.

交互式查找表編輯體現在兩方面：(1)通過選定變換通道、點變換方式和輸入范圍，然后按“應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，系統將實時更新顯示圖象.

5結論

多數據源圖象點變換的快速可視化算法(FVAMSIPT)是對常規的圖象查找表(LUT)變換算法的發展.利用本算法，可對多源圖象數據的各類點變換進行實時的交互處理并實時顯示.

參考文獻

1周孝寬，曹曉光，陳建革等.實用微機圖象處理.北京：北京航空航天大學出版社，1994.191～204

2畢厚杰，陳延標，鄭樹德等.圖象通信工程.北京：人民郵電出版社，1993.237～252