基于改進(jìn)Mask掩膜的航空影像勻光研究

毛玉龍，郭海京

（1.東莞市虎門鎮(zhèn)規(guī)劃管理所，廣東 東莞 523899；2.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

基于改進(jìn)Mask掩膜的航空影像勻光研究

毛玉龍1，郭海京2

（1.東莞市虎門鎮(zhèn)規(guī)劃管理所，廣東 東莞 523899；2.廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510500）

針對(duì)航空影像亮度和反差分布不均勻現(xiàn)象，首先將原始航空影像進(jìn)行頻率域的低通濾波，獲得可以反映影像亮度分布狀況的背景影像；然后將原始影像與背景信息進(jìn)行 Mask掩膜運(yùn)算，得到亮度分布均勻的結(jié)果影像。在此過(guò)程中，使用縮小影像代替原始影像用于背景影像的生成，可在不影響影像質(zhì)量的同時(shí)大幅提高生成背景影像的效率。

航空影像；影像勻光；Mask掩膜

由于航攝一個(gè)測(cè)區(qū)往往需要數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，加之?dāng)z影處理等諸多條件影響[1-3]，若不對(duì)原始影像或鑲嵌后影像進(jìn)行亮度、灰度等差異的一致性處理，將難以進(jìn)行信息判讀和提取。對(duì)原始影像進(jìn)行勻光勻色，使其在紋理、亮度、反差及色彩一致性上保持較好的特征，保證鑲嵌后影像色彩過(guò)渡自然、可讀性良好，便于正射影像圖發(fā)揮更好的作用[4,5]。

1 Mask掩膜勻光法原理

Mask勻光法是用密度或色彩隨位置緩慢變化的半透明薄膜作為遮光板，這張影像模糊的透明正片稱為Mask[6]。將正片和負(fù)片按輪廓線疊加在一起進(jìn)行曬像，得到一張反差較小而密度比較均勻的相片，然后用硬性相紙曬印，增強(qiáng)相片的總體反差，得到曬印的光學(xué)相片。數(shù)字航空影像的勻光處理仿效膠片影像處理的過(guò)程，先構(gòu)造一個(gè)針對(duì)待處理影像的數(shù)字遮光板，然后用構(gòu)造好的遮光板“曬印”影像，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字影像的勻光處理。

Mask勻光法使得影像中的大反差減小，小反差增大，以實(shí)現(xiàn)反差基本一致，相鄰細(xì)部反差增大，從而得到一張照度與顏色均勻、反差適中的相片。

根據(jù)Mask勻光原理，光照不均勻的數(shù)字航空影像可以采用如下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述：I'( x, y )=I ( x, y ) +B ( x, y ) (1)式中，I'( x, y )表示實(shí)際的不均勻光照影像；I( x, y )表示理想條件下光照亮度均勻的影像；B( x, y )表示背景影像。

按式（1），不均勻光照的影像可以看成是由受光均勻的影像疊加了一個(gè)背景影像的結(jié)果，獲取的影像存在不均勻光照現(xiàn)象是由背景影像的不均勻造成的。如果能夠很好地模擬出背景影像，將其從原影像中減去,就可以得到光照均勻的影像。然后進(jìn)行拉伸處理增大相鄰細(xì)部反差，同時(shí)提高整張影像的總體反差，就可以消除單幅影像的色彩不平衡[7,8]。

2 Mask掩膜勻光法處理流程

單幅航空影像的勻光處理大致可分影像預(yù)處理、背景影像生成、Mask掩膜運(yùn)算和后期處理4個(gè)部分（圖1）。

2.1 影像預(yù)處理

圖1 Mask掩膜勻光流程

1）對(duì)影像進(jìn)行裁邊。數(shù)字化的航空影像中往往含有黑色邊框，如果邊框作為有效像素參與到勻光處理中，會(huì)對(duì)影像特別是影像邊框附近區(qū)域的勻光效果產(chǎn)生影響[9]。所以在進(jìn)行勻光處理前，要先裁去黑色邊框，使得參與勻光計(jì)算的像素都是真實(shí)地物的成像結(jié)果。

2）色彩空間變換。對(duì)于彩色航空影像的勻光處理，需要對(duì)影像進(jìn)行色彩空間變換。將RGB空間的彩色影像變換到IHS空間，提取IHS空間影像的I分量，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行勻光處理，其過(guò)程與黑白影像勻光處理流程一樣。這樣做既能保護(hù)彩色影像的色彩信息，又能將對(duì)彩色影像的勻光問(wèn)題簡(jiǎn)化為對(duì)彩色影像I分量進(jìn)行勻光。

2.2 背景影像生成

背景影像生成流程見(jiàn)圖2。通過(guò)重采樣對(duì)圖像進(jìn)行縮小，必然會(huì)降低圖像的分辨率[10]。但勻光處理過(guò)程中所需要的背景圖像只需要反映照度的變化，不反映影像的細(xì)節(jié)，所以不需要很高的分辨率，用縮小影像代替原始航空影像來(lái)模擬背景影像是可行的。

在進(jìn)行二維圖像的頻率域低通濾波處理時(shí)，其計(jì)算復(fù)雜度為：

式中，x、y為圖像的尺寸。

圖像尺寸的改變會(huì)對(duì)頻率域低通濾波的計(jì)算復(fù)雜度產(chǎn)生很大的影響。因此，利用縮小的圖像進(jìn)行傅立葉變換和頻率域的低通濾波，使得背景影像生成的計(jì)算復(fù)雜度大大降低，對(duì)快速生成背景影像非常有利。

圖2 背景影像生成流程圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

圖3 a為原始航空影像，影像的中部區(qū)域較亮，四角亮度偏低，整幅影像內(nèi)部亮度不均勻；圖3b為利用本文方法處理后得到的結(jié)果影像。結(jié)果影像的光照效果得到明顯改善，影像四角部分的亮度得到明顯提升，整體亮度已基本趨于一致。

圖3 航空影像的內(nèi)部勻光

表1對(duì)原始影像和勻光結(jié)果影像的左上、右下、中部、左下、右下和整體區(qū)域的各通道分別進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，5個(gè)局部區(qū)域，每塊的大小為原影像的1/9。從表中統(tǒng)計(jì)值可以看出，原影像各區(qū)域的均值不平衡，中部均值較大，左上和右上均值較小，說(shuō)明原始影像的光照分布不均勻。與原始影像相比，勻光結(jié)果影像各部分的均值已趨于一致，各區(qū)域的均值與整體均值相差不大。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)影像內(nèi)部的勻光處理，光照分布得到明顯改善。在標(biāo)準(zhǔn)差方面，結(jié)果影像比原始影像有所提高，說(shuō)明影像反差有了一定的增強(qiáng)[11]。在信息熵方面，結(jié)果影像與原始影像相比稍有降低，但是程度不大，說(shuō)明影像內(nèi)部的勻光處理會(huì)對(duì)影像的信息量造成較小損失。在清晰度方面，勻光結(jié)果影像與原始影像相比，影像的各個(gè)部分和整體的平均梯度都得到較大提升，說(shuō)明結(jié)果影像的整體和細(xì)部的反差有一定程度的增強(qiáng)。

表1 Mask掩膜勻光效果評(píng)價(jià)

圖4a為利用原始影像進(jìn)行傅立葉變換、高斯濾波和傅立葉反變換后生成的背景影像；圖4b為利用原始影像的縮小影像進(jìn)行傅立葉變換、高斯濾波和傅立葉反變換之后又放大到原始尺寸的背景影像。其中原始影像的尺寸為3 000×3 074，縮小影像的尺寸為1 000×1 025，即將原始影像的寬度和高度均縮小到原來(lái)的1/3。

圖4中2幅背景影像的目視效果幾乎沒(méi)什么差異。為了更加客觀地證明使用縮小影像代替原始影像生成背景影像的可行性，本文分別對(duì)2幅背景影像的局部和整體進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

P237.3

B

1672-4623（2015）03-0133-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.046

2014-12-31。