多數(shù)據(jù)源圖象點變換的快速可視化算法

1、多數(shù)據(jù)源圖象點變換的快速可視化算法      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).中圖法分類號TP751第一作者簡介李軍，男，助教，1968年生，1996年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)研究生院，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事地理信息系統(tǒng)、圖象處理、遙感、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等研究工作. 在常規(guī)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(shù)的空間域點變換處理算法是以常規(guī)圖象數(shù)據(jù)為處理對象，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)、航測數(shù)據(jù)、航空雷

2、達數(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多源圖象數(shù)據(jù)進行量化處理，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)的精度為代價的，有時這種損失專業(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(shù)據(jù)類型

3、，包括8位的常規(guī)灰度圖象到64位的雙精度浮點專業(yè)圖象數(shù)據(jù).    圖1多源圖象點變換的快速可視化Fig.1Fast visualization of multisource image point transformation 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(guān)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，

4、流程圖分兩部分，如圖1和圖2所示.根據(jù)點變換的方式、輸入范圍和統(tǒng)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(shù)據(jù)空間域快速點變換Fig.2Fast point transformation of multisource image 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(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

5、，dgmin，dbmax，dbmin.(2)統(tǒng)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(jié)的數(shù)組.若是灰度圖象，定義灰度通道的直方圖為unsigned long dhistnmax，若是RGB圖象則分別定義R，G，B通道的直方圖為unsigned long drhistnmax，unsigned long dghistnmax，unsigned long dbhistnmax，nmax為直方圖的最大表項，按以下方式確定.對8位有符號數(shù)據(jù)和8位無符號數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)nmax表示0至255灰度級的象元個數(shù)，對8位有

6、符號數(shù)據(jù)表示128至127灰度級的象元個數(shù).對8位數(shù)據(jù)的直方圖而言，統(tǒng)計結(jié)果無信息損失，所占內(nèi)存空間較小.對16位有符號數(shù)據(jù)和16位無符號數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)nmax表示0至65535灰度級的象元個數(shù)，對16位有符號數(shù)據(jù)表示32768至32767灰度級的象元個數(shù).對16位數(shù)據(jù)的直方圖而言，統(tǒng)計結(jié)果無信息損失，所占內(nèi)存空間較大.對32位有符號數(shù)據(jù)、32位無符號數(shù)據(jù)、32位浮點數(shù)據(jù)和64位浮點數(shù)據(jù)，由于灰度級太多，尤其32位浮點數(shù)據(jù)和64位浮點數(shù)據(jù)，灰度級可看作是連續(xù)量，所以對這4類數(shù)據(jù)類型無法按通常直方圖意義來定義表項的數(shù)

7、目.考慮到精度和空間的矛盾以及顯示設(shè)備為256級，定義直方圖的表項(nmax)為65536項；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，并按量化的灰度級統(tǒng)計直方圖.對灰度圖象的象元，按下式統(tǒng)計直方圖wi=(draw-dmin)/(dmax-dmin)×65536，dhistwi=dhistwi+1.其中：draw為象元的值，wi為量化的灰度級.對32位和64位數(shù)據(jù)的的直方圖而言，統(tǒng)計結(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)，可進行圖象的快速點變換處理.在缺省時，重

8、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索引值(trmapwrmi=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(jié)果.(4)計算重映射表.根據(jù)點變換的方式、輸入范圍和統(tǒng)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(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.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，fe0.9

9、9表示處理落入累加直方圖范圍在0.010.99的象元值，由直方圖的統(tǒng)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    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 trmapli=hsumli×(nmax-1)/hsumnmax-1.其中hsumnmax-1記錄的是圖象的象元總數(shù). 3FVAMSIPT分析3.1時間復(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，并在需要時計算圖象的直方圖.

10、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(dāng)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(shù)據(jù)源圖象空間域點變換交互式可視化控制界面Fig.3Interface of fast visual algorithm of multisource image point transformation 相關(guān)性，可采用規(guī)則采樣或隨機采

11、樣的方式來減少統(tǒng)計時間，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(guān)，圖象可能是數(shù)據(jù)量在幾百兆到幾千兆的大圖象，而實際的顯示屏幕是有限的；顯示時只需將顯示屏幕對應(yīng)的原始圖象數(shù)據(jù)取出(根據(jù)縮放比例，可進行動態(tài)重采樣)，按顯示流程圖所示，經(jīng)過線性拉伸、二級查找表變換后，就得到RGB顯示數(shù)據(jù).本顯示過程可達到實時交互瀏覽的程度.點變換處理的數(shù)據(jù)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(guān)，故點變換處理的時間是一很小的常數(shù)O(65536)，這個時間可忽略不計.綜上所述，本算法的時間復(fù)雜度在于計算一次

12、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(fù)雜度分析(1)本算法需要為各個通道直方圖分配256K字節(jié)(每表項4字節(jié)，共65636表項)，對一個通道的灰度圖象需要256K字節(jié)，對RGB三通道的彩色圖象需要768K字節(jié)；(2)本算法需要為各個通道的重映射表分配128K字節(jié)(每表項2字節(jié)，共65636表項)，對一個通道的灰度圖象需要128K字節(jié)，對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1字節(jié)，每表65636表項，共3表).4FVAMSIPT實現(xiàn)MSIMAGES是一個32位專業(yè)圖象

13、處理分析軟件，以多源圖象數(shù)據(jù)為處理分析對象.在MSIMAGES中，作者實現(xiàn)了FVAMSIPT.圖3為多數(shù)據(jù)源圖象空間域點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)的浮點數(shù)據(jù)，dmax=198.151，dmin=12.7481；右側(cè)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(biāo)繪制.交互式查

14、找表編輯體現(xiàn)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(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)將實時更新顯示圖象.5結(jié)論多數(shù)據(jù)源圖象點變換的快速可視化算法(FVAMSIPT)是對常規(guī)的圖象查找表(LUT)變換算法的發(fā)展.利用本算法，可對多源圖象數(shù)據(jù)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(xué)出版社，1994. 1912042畢厚杰，陳延標(biāo)，鄭樹德等.圖象通信工程.北京：人民郵電出版社，1993. 237252 FAS

15、T VISUAL ALGORITHM OFMULTISOURCE IMAGE POINT TRANSFORMATIONLi Jun Zhang FayongXu Shiwu(Faculty of Information Engineering, China University of Geosciences, Wuhan430074) AbstractAs multisource images have very large data range, how to complete quickly point transformation is difficult in image processing system. By introducing concept of re_mapping table, color look_up_table and two_level color look_up_table, this paper puts forward an arithmetic called FVAMSIPT. By this algorithm, the image point tra