Question

数字图像处理的基本概念

Answer 1

(一)数字图像

数字图像,又称数字化图像,是一种以二维数组(矩阵)形式表示的图像。该数组由对连续变化的空间图像作等间距抽样所产生的抽样点——像元(像素)组成,抽样点的间距取决于图像的分辨率或服从有关的抽样定律抽样点(像元)的量值,通常为抽样区间内连续变化之量物的均值化量值,一般称作亮度值或灰度值,它们的最大、最小值区间代表该数字图像的动态范围。数字图像的物理含义取决于抽样对象的性质。对于遥感数字图像,就是相应成像区域内地物电磁辐射强度的二维分布。

在数字图像中,像元是最基本的构成单元。每一个像元的位置可由行、列(x,y)坐标确定;亮度值(z)通常以0(黑)到255(白)为取值范围。因此,任何一幅数字图像都可以通过X、Y、Z的三维坐标系表示出。例如,陆地卫星的MSS图像(图4-8),便可看作x=2340(行),y=3240(列),z=0-255的三维坐标系。TM、HRV等亦然,只是行、列数不同而已。

图4-8 陆地卫星MSS数字图像的构成原理

数字图像可以有各种不同的来源:大多数卫星遥感,如MSS、TM、HRV、AVERR等等,地面景像的遥感信息都直接记录在数字磁带上,有关的接收系统(遥感卫星地面站、气象卫星接收站等)均可提供相应的计算机兼容数字磁带(CCT)及其记录格式。应用人员只要按记录格式将CCT数据输入计算机图像处理系统,即可获得数字图像,并进行各种图像处理;对于胶片影像,则可通过透射密度计、飞点扫描器、鼓形扫描器及摄像扫描器等,将影像密度转换为数值,进而形成数字图像;对于非遥感的地学图件,如地形图、地质图、航磁图、重力图、化探元素异常图等等,也可通过数字化仪,转换为数字图像。同一地区不同来源的数字图像都可精确配准,并作复合处理。

与光学图像相比,数字图像量化等级高(256级)、失真度小、不同图像的配准精度高、传输及储存方便,尤为重要的是可由计算机进行各种灵活、可靠、有效的处理,使遥感图像获得更好的判读、分析等应用效果。

(二)数字图像处理

数字图像以不同亮度值像元的行、列矩阵组织数据,其最基本的特点就是像元的空间坐标和亮度取值都被离散化了,即只能取有限的、确定的值。所以,离散和有限是数字图像最基本的数学特征。所谓数字图像处理,就是依据数字图像的这一数字特征,构造各种数字模型和相应的算法,由计算机进行运算(矩阵变换)处理,进而获得更加有利于实际应用的输出图像及有关数据和资料。故数字图像处理通常也称为计算机增强处理。

数字图像处理在算法上基本可归为两类:一类为点处理,即施行图像变换运算时只输入图像空间上一个像元点的值,逐点处理,直到所有点都处理完毕,如反差增强、比值增强等;另一类为邻域处理,即为了产生一个新像元的输出,需要输入与该像元相邻的若干个像元的数值。这类算法一般用作空间特征的处理,如各种滤波处理。点处理和邻域处理有各自不同的适应面,在设计算法时,需针对不同的处理对象和处理目标加以选择。

遥感数字图像处理,数据量一般很大,往往要同时针对一组数字图像(多波段、多时相等)作多种处理,因此,需要依据遥感图像所具有的波谱特征、空间特征和时间特性,按照不同的对象和要求构造各种不同的数学模型,设计出不同的算法,不仅处理方法非常丰富,而且形成了自身的特色,已发展为一门专门的技术。根据处理目的和功能的不同,目前遥感数字图像处理主要包括以下四方面的内容。

1.图像恢复处理:旨在改正或补偿成像过程中的辐射失真、几何畸变、各种噪声以及高频信息的损失等。属预处理范畴,一般包括辐射校正、几何校正、数字放大、数字镶嵌等。

2.图像增强处理:对经过恢复处理的数据通过某种数学变换,扩大影像间的灰度差异,以突出目标信息或改善图像的视觉效果,提高可解译性。主要包括有反差增强、彩色增强、运算增强、滤波增强、变换增强等方法。

3.图像复合处理:对同一地区各种不同来源的数字图像按统一的地理坐标作空间配准叠合,以进行不同信息源之间的对比或综合分析。通常也称多元信息复合,既包括遥感与遥感信息的复合,也包括遥感与非遥感地学信息的复合。

4.图像分类处理:对多重遥感数据,根据其像元在多维波谱空间的特征(亮度值向量),按一定的统计决策标准,由计算机划分和识别出不同的波谱集群类型,据以实现地质体的自动识别分类。有监督和非监督两种分类方法。

遥感数字图像处理的过程和各部分内容的关系如图4-9。本节将从遥感地质应用的角度简要介绍其中几种常用的处理方法,有一些方法(如复合处理)将在有关的应用章节讨论。

数字图像处理既可在专用的图像处理系统上进行,也可自编程序在通用计算机或微机上进行;处理结果既可打印成数符图(图4-10),也可以在彩色显示器上作彩色显示;既可以输出单波段的黑白图像,也可以输出多波段合成或各种运算处理结果的彩色图像(参见图版③);既可以内拍或扫描到胶片上成像,也可以外摄翻拍成像;既可以直接形成成果图件,给出各种统计数据,也可以再记录到CCT上转存……。总之,十分灵活、方便,比光学图像处理有更强的适应性,越来越得到广泛的应用。

图4-9 遥感图像数字处理基本流程

(三)数字图像处理系统

遥感数字图像处理不仅数据量大,而且数据传输频繁,专业性强,因此,一般都要在专门的处理设备上进行。用以进行数字图像处理的专门计算机设备及其功能软件即称之为数字图像处理系统,通通由硬件系统和软件系统两大部分组成。

其中,硬件系统,按目前国内外的发展趋势可分为大型的专用机系统(如目前国内使用的I²S公司的S600系统)和微机图像处理系统两类。一般情况下,它们都包括以下一些基本的部件(图4-11):

1.主机:进行各种运算、预处理、统计分析和协调各种外围设备运转的控制中心,是最基本的设备。一般为速度快、内存大的计算机,如VAX-11、VAX-3600等。随着微机的内存日渐扩大、运算速度越来越快,已可以用微机取代,如PC386、PC486及各种工作站等。

图4-10 杭州三潭印月TM5波段数符图

图4-11 数字图像处理系统基本结构示意图

2.磁带机和磁盘机:连结数字磁带(CCT)和主机的数据传输装置,既可以输入CCT数据,也可以将中间处理和最终处理的结果再转存记录到CCT上;对于微机系统,图像数据的传输一般用软磁盘,但对大数据量的卫星CCT则需用具微机接口的磁带机(如F880);

3.图像处理机:数字图像处理专用的核心设备,既具体承担各种图像处理功能,如图像复原、几何校正、增强和分类等各种变换处理等等,也是主机和各种输出输入设备的纽带。就前者而言,它实际上是各种图像处理软件的硬件化。目前国内使用较多的M75图像处理机即是,它可以快速处理显示512×512或1024×1024的图像;对于微机系统,则可以用图像处理板(MVP-AT板)代替。

4.输出设备:用作处理结果的监视分析(彩色监视器或彩显)及记录、成图(包括宽行打印机、彩色喷墨打印机、绘图仪、胶片记录扫描仪等等)。

对于功能齐全的系统,除上述外,通常还包括有胶片影像的摄像或扫描数字化仪、图形数字化仪等输入设备。

软件系统系指与硬件系统配套的用于图像处理及操作实施的各种软件。一般包括系统软件和应用软件两部分。前者又包括操作系统和编译系统,主要用于输入指令、参数及与计算机“对话”;后者则是以某种语言编制的应用软件,存于硬件系统的应用程序库中,用户可按研究任务采用对话方式或菜单方式,发出相应的指令使用这些程序,由主机作运算处理,获得所需的结果。不同专业往往设计有各自的应用软件系统,故国际上已涌现出各种各样的软件系统,如JPL的VICAR系统、LARSYS系统等等;目前微机上则普遍采用C语言编程,也已开发了一系列的微机图像处理的应用软件。