Conceptos básicos del procesamiento de imágenes digitales
(1) Imagen digital
La imagen digital, también conocida como imagen digitalizada, es una imagen representada en forma de una matriz bidimensional (matriz). La matriz consta de puntos de muestreo: píxeles (píxeles) generados por muestreo igualmente espaciado de imágenes espaciales que cambian continuamente. El espaciado de los puntos de muestreo depende de la resolución de la imagen o obedece a las leyes de muestreo relevantes. Los puntos de muestreo (píxeles) La magnitud. El valor suele ser el valor de magnitud promediado de cantidades que cambian continuamente dentro del intervalo de muestreo, generalmente llamado valor de brillo o valor de escala de grises. Sus intervalos de valores máximo y mínimo representan el rango dinámico de la imagen digital. El significado físico de una imagen digital depende de la naturaleza del objeto muestreado. Para imágenes digitales de teledetección, es la distribución bidimensional de la intensidad de la radiación electromagnética de los objetos terrestres en el área de imagen correspondiente.
En las imágenes digitales, los píxeles son los componentes básicos más básicos. La posición de cada píxel se puede determinar mediante las coordenadas de fila y columna (x, y); el valor de brillo (z) suele oscilar entre 0 (negro) y 255 (blanco). Por tanto, cualquier imagen digital puede representarse mediante el sistema de coordenadas tridimensionales X, Y y Z. Por ejemplo, la imagen Landsat MSS (Figura 4-8) se puede ver como un sistema de coordenadas tridimensional con x=2340 (fila), y=3240 (columna) yz=0-255. Lo mismo ocurre con TM, HRV, etc., pero el número de filas y columnas es diferente.
Figura 4-8 Principio de composición de las imágenes digitales SMS de satélites terrestres
Las imágenes digitales pueden provenir de varias fuentes: la mayoría de los satélites de teledetección, como MSS, TM, HRV, AVERR, etc., etc., la información de teledetección de escenas terrestres se graba directamente en cintas digitales, y los sistemas receptores relevantes (estaciones terrestres de satélites de teledetección, estaciones receptoras de satélites meteorológicos, etc.) pueden proporcionar las correspondientes cintas digitales compatibles con computadora (CCT) y sus formatos de grabación. Siempre que el personal de la aplicación ingrese los datos CCT en el sistema de procesamiento de imágenes por computadora de acuerdo con el formato de grabación, puede obtener imágenes digitales y realizar diversos procesamientos de imágenes para imágenes de película, puede usar densitómetros de transmisión, escáneres de punto volador, escáneres de tambor y; cámaras, escáneres, etc., convierten la densidad de la imagen en valores numéricos para formar imágenes digitales para mapas geológicos que no son de teledetección, como mapas topográficos, mapas geológicos, mapas aeromagnéticos, mapas de gravedad, mapas de anomalías de elementos geoquímicos, etc. , también pueden ser instrumentos digitalizados, convertidos en imágenes digitales. Las imágenes digitales de diferentes fuentes en la misma área se pueden registrar y procesar con precisión de forma compuesta.
En comparación con las imágenes ópticas, las imágenes digitales tienen un alto nivel de cuantificación (nivel 256), baja distorsión, alta precisión de registro de diferentes imágenes y, lo más importante, pueden ser procesadas por computadoras. Varias formas flexibles, procesamiento confiable y efectivo, para que las imágenes de detección remota puedan lograr una mejor interpretación, análisis y otros efectos de aplicación.
(2) Procesamiento de imágenes digitales
Las imágenes digitales organizan los datos en una matriz de filas y columnas de píxeles con diferentes valores de brillo. Su característica más básica son las coordenadas espaciales y el brillo de los mismos. píxeles. Todos los valores están discretizados, es decir, solo pueden tomar valores limitados y ciertos. Por tanto, la discreción y la finitud son las características matemáticas más básicas de las imágenes digitales. El llamado procesamiento de imágenes digitales consiste en construir varios modelos digitales y algoritmos correspondientes basados en las características digitales de las imágenes digitales, y realizar operaciones (transformación matricial) en computadoras para obtener imágenes de salida y datos e información relacionados que sean más propicios para aplicaciones prácticas. . Por lo tanto, el procesamiento de imágenes digitales a menudo también se denomina procesamiento de mejora por computadora.
El procesamiento de imágenes digitales se puede clasificar básicamente en dos categorías en términos de algoritmos: uno es el procesamiento de puntos, es decir, cuando se realizan operaciones de transformación de imágenes, solo se ingresa el valor de un punto de píxel en el espacio de la imagen, y el valor se procesa punto por punto hasta que se hayan procesado todos todos los puntos, como mejora de contraste, mejora de relación, etc. el otro tipo es el procesamiento de vecindad, es decir, para generar la salida de un nuevo píxel, los valores; Es necesario ingresar varios píxeles adyacentes al píxel. Este tipo de algoritmo se utiliza generalmente para el procesamiento de características espaciales, como varios procesos de filtrado. El procesamiento de puntos y el procesamiento de vecindad tienen una adaptabilidad diferente al diseñar algoritmos, es necesario seleccionarlos para diferentes objetos de procesamiento y objetivos de procesamiento.
En el procesamiento de imágenes digitales por teledetección, la cantidad de datos es generalmente muy grande y, a menudo, es necesario realizar múltiples procesos sobre un conjunto de imágenes digitales (multibanda, multitemporal, etc.) al mismo tiempo, es necesario basarse en las características espectrales de las imágenes de detección remota, las características espaciales y las características temporales, construir varios modelos matemáticos de acuerdo con diferentes objetos y requisitos, y no solo diseñar diferentes algoritmos. Los métodos son muy ricos, pero también han formado sus propias características y se han convertido en una tecnología especializada. Según los diferentes propósitos y funciones de procesamiento, el procesamiento actual de imágenes digitales por teledetección incluye principalmente los siguientes cuatro aspectos.
1. Procesamiento de restauración de imágenes: Dirigido a corregir o compensar la distorsión de la radiación, la distorsión geométrica, diversos ruidos y la pérdida de información de alta frecuencia durante el proceso de obtención de imágenes. Pertenece a la categoría de preprocesamiento, que generalmente incluye corrección de radiación, corrección geométrica, amplificación digital, mosaico digital, etc.
2. Procesamiento de mejora de imágenes: amplíe la diferencia de escala de grises entre las imágenes mediante alguna transformación matemática en los datos restaurados para resaltar la información del objetivo o mejorar el efecto visual de la imagen y mejorar la interpretabilidad. Incluye principalmente mejora del contraste, mejora del color, mejora de la operación, mejora del filtro, mejora de la transformación y otros métodos.
3. Procesamiento de composición de imágenes: las imágenes digitales de varias fuentes en la misma área se registran espacialmente y se superponen de acuerdo con coordenadas geográficas unificadas para realizar comparaciones o análisis completos entre diferentes fuentes de información. También se suele denominar compuesto de información múltiple, que incluye el compuesto de información de teledetección e información de teledetección, así como el compuesto de información de geociencias de teledetección y no teledetección.
4. Procesamiento de clasificación de imágenes: para múltiples datos de detección remota, de acuerdo con las características de los píxeles en el espacio espectral multidimensional (vector de valor de brillo), de acuerdo con ciertos estándares de toma de decisiones estadísticas, la computadora Divide e identifica diferentes tipos de espectros, en función de los cuales realizar la identificación y clasificación automática de cuerpos geológicos. Existen dos métodos de clasificación: supervisada y no supervisada.
El proceso de procesamiento de imágenes digitales de teledetección y la relación entre los contenidos de cada parte se muestran en la Figura 4-9. Esta sección presentará brevemente varios métodos de procesamiento comúnmente utilizados desde la perspectiva de las aplicaciones geológicas de detección remota. Algunos métodos (como el procesamiento compuesto) se discutirán en los capítulos de aplicaciones relevantes.
El procesamiento de imágenes digitales se puede realizar en un sistema de procesamiento de imágenes dedicado o en una computadora o microcomputadora de uso general mediante autoprogramación; los resultados del procesamiento se pueden imprimir en una imagen digital (Figura 4-10). También se puede mostrar en color en un monitor en color; puede generar una imagen en blanco y negro de una sola banda o una imagen compuesta de múltiples bandas o una imagen en color de los resultados de varios cálculos y procesamientos (consulte la Figura ③). ; puede fotografiarse internamente o escanearse en una película, también puede fotografiarse y volver a tomarse imágenes externamente, puede formar directamente el mapa de resultados y proporcionar diversos datos estadísticos, o puede registrarse y transferirse al CCT... En resumen, es muy flexible y conveniente, tiene una mayor adaptabilidad que el procesamiento óptico de imágenes y se usa cada vez más.
Figura 4-9 Proceso básico del procesamiento digital de imágenes por teledetección
(3) Sistema de procesamiento de imágenes digitales
El procesamiento de imágenes digitales por teledetección no solo tiene una gran cantidad de datos, pero también transmisión de datos. Frecuente y altamente profesional, por lo que generalmente se realiza en equipos de procesamiento especializados. Los equipos informáticos especializados y su software funcional utilizados para el procesamiento de imágenes digitales se denominan sistemas de procesamiento de imágenes digitales, los cuales se componen de dos partes: un sistema de hardware y un sistema de software.
Entre ellos, el sistema de hardware se puede dividir en dos categorías según las tendencias de desarrollo actuales en el país y en el extranjero: sistemas informáticos especiales a gran escala (como el sistema S600 de la empresa I2S que se utiliza actualmente en China) y sistemas de procesamiento de imágenes por microordenador. Generalmente, incluyen los siguientes componentes básicos (Figura 4-11):
1. Host: un centro de control que realiza diversos cálculos, preprocesamiento, análisis estadístico y coordina el funcionamiento de varios dispositivos periféricos, es el más. equipamiento básico. Generalmente, es una computadora con alta velocidad y gran memoria, como VAX-11, VAX-3600, etc. A medida que la memoria de las microcomputadoras se expande y la velocidad de computación se vuelve cada vez más rápida, pueden ser reemplazadas por microcomputadoras, como PC386, PC486 y varias estaciones de trabajo.
Figura 4-10 Diagrama de símbolos digitales de la banda Hangzhou Santan Yinyue TM5
Figura 4-11 Diagrama esquemático de la estructura básica del sistema de procesamiento de imágenes digitales
2 Unidad de cinta y unidad de disco: un dispositivo de transmisión de datos que conecta la cinta digital (CCT) y la computadora host. Puede ingresar datos de CCT y transferir y registrar los resultados del procesamiento intermedio y final al CCT. Los discos se utilizan generalmente para transmitir datos de imágenes. Sin embargo, para CCT satelitales con una gran cantidad de datos, se requiere una unidad de cinta con una interfaz de microcomputadora (como F880);
3. Dispositivo dedicado al procesamiento de imágenes digitales, que es responsable de varias funciones de procesamiento de imágenes, como restauración de imágenes, corrección geométrica, mejora y clasificación y otros procesamientos de transformación, etc., también son el vínculo entre el host y varios dispositivos de entrada y salida. En lo que respecta al primero, en realidad es el hardware de varios programas de procesamiento de imágenes. El procesador de imágenes más utilizado en China es el procesador de imágenes M75, que puede procesar y mostrar rápidamente imágenes de 512 × 512 o 1024 × 1024 para sistemas de microcomputadoras; puede reemplazarse por una placa de procesamiento de imágenes (placa MVP-AT);
4. Dispositivos de salida: se utilizan para monitorear y analizar los resultados del procesamiento (monitor en color o pantalla en color) y grabar y dibujar (incluidas impresoras de línea ancha, impresoras de inyección de tinta en color, trazadores y escáneres de grabación de películas, etc.).
Para un sistema completamente funcional, además de lo anterior, normalmente también incluye dispositivos de entrada como una cámara o un digitalizador de escaneo para imágenes de películas, y un digitalizador de gráficos.
El sistema de software se refiere a diversos programas utilizados para el procesamiento de imágenes y la implementación de operaciones que coinciden con el sistema de hardware. Generalmente incluye dos partes: software del sistema y software de aplicación. El primero incluye un sistema operativo y un sistema de compilación, que se utilizan principalmente para ingresar instrucciones, parámetros y "diálogos" con la computadora; el segundo es un software de aplicación compilado en un determinado lenguaje y almacenado en la biblioteca de aplicaciones del sistema de hardware. puede presionar La tarea adopta el modo de diálogo o el modo de menú, y se emiten las instrucciones correspondientes para usar estos programas, y la computadora host realiza cálculos y procesamiento para obtener los resultados requeridos. Diferentes especialidades a menudo diseñan sus propios sistemas de software de aplicación, por lo que han surgido varios sistemas de software a nivel internacional, como el sistema VICAR de JPL, el sistema LARSYS, etc. Actualmente, la programación en lenguaje C se usa comúnmente en microcomputadoras y también se ha desarrollado una serie de microcomputadoras; Software de aplicación de procesamiento de imágenes.