（计算机系统结构专业论文）扫描图像处理系统与软件几何校正.pdf

扫描图像处理系统与软1 ：l ：j l d q 校正 摘要 h g 系列大幅面高精度扫描仪作为软拷贝摄影测绘系统的一部分，应用在航 空摄影图片的数字化方面。通过扫描数字化，将容易损坏的破旧图纸和易老化的 胶片以数字的形式保存起来，并对外提供，从而大大提高了这些宝贵资料保管的 安全性，适应广大用户对数字化影像资料的需求。 高分辨率、高精度指标以及较大的扫描幅面是高精度扫描仪的主要特征。但 由于扫描仪本身限制及操作的不确定因素，使得扫描系统精度不能很好满足上述 领域的要求。为了进一步提高扫描结果的精度要求，设计出了专门针对该系列扫 描仪的图像处理系统。本文根据扫描仪工作流程进行图像畸变分析，设计开发出 有效而实时的畸变校正功能模块，保证了系统的几何精度要求。系统对显示模块 的设计和实现也是本文的一大特色。 关键词：插件技术高精度扫描仪几何畸变校正图像处理编程内存映射 扫描图像处理系统与软件儿何校正 a b s t r a c t h gs e r i a l so fh i 曲a c c u r a c ys c a n n e r ，a sa ne s s e n t i a lp a r to fs o f t c o p yp h o t o g r a m m e t r i cs y s t e m s ，t h e i rm a i nu s et o d a yi sd e f i n i t e l yi nt h ed i g i t i z a t i o no fa e r i a li m a g e s t h r o u g hs c a n n e r ，t h e s eb r i t t l em a do l dp r o j e c td o c u m e n t sa n df i l m sw e r er e s e r v e di n d i g i t a lf o r ma n do p e n t ot h eo u t s i d ew o r l d ，t h u se n h a n c e dt h es a f e t yo fv a l u a b l ed a t a i t w a sf i tt ot h em o s tu s e r st og e td i g i t a li m a g ed a t a m 曲r e s o l u t i o n ，h i 曲a c c u r a c ya n d t h em a x s c a n n i n gs i z ea r et h e i rm o s ti m p o n a m c h a r a c t e r s b u tt h es e l f - e x i s t e dl i m i t a t i o ni nt h es c a n n e ra n dm a n u a lo p e r a t i o ne r r o r b r i n gt h es c a n n i n gr e s u l td i s t o r t e d ，t h er e s o l u t i o na n dg e o m e t r i c a la c c u r a c yo f s c a n n e r s y s t e m c a n t s a t i s f yn e e d so ft h e s es p e c i a ld o m a i n s t oa d v a n c et h ea c c u r a c yw e d e v e l o pt h es p e c i a lp r o c e s s i n gs y s t e ma i m e dt ot h e s es c a n n c r s t h ep a p e ra n a l y z e s g e o m e t r i c a l d i s t o r t i o n a c c o r d i n g t ot h e w o r k i n gf l o w , d e v e l o p s t h ee f f e c t i v e r e c t i f i c a t i o nm o d u l ea n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o c e d u r ei nt h ep a p e ri s e f f e c t i v e f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rf i g u r e so u tt h ed e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o no fd i s p l a yo f t h em a s si m a g ef i l e k e y w o r d ：p l u g - i n s c a n n e r s y s t e m g e o m e t r i cd i s t o r d o nr e c t i f i c a t i o n m e m o r ym a p p i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：! 妄：毖茎开期! ! ! ! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文摘 解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： ：丝整!同期! ! ! ：! ：! ! 蟓塑蓝 日期取，玎，i l 汐 第一章绪沦 第一章绪论 1 1 引言 随着科学技术和社会需求的迅猛发展，测绘在国家信息化、经济建设和社会 可持续发展中发挥着越来越重要的作用。基础地理信息数据在资源普查与开发、 环境保护与监测、基础设施建设与管理、区域与城镇规划、智能交通与移动通信、 防灾减灾以及精细农业等方面有着广泛的应用。2 0 0 0 年5 月，国家测绘局正式提 出了构建数字中国地理空间基础框架的思路，在2 0 0 3 年前完成基础地理信息数据 库的设计和框架建设，并将己生产的数据装入数据库中，到2 0 0 5 年全面完成数据 库的建设任务。该数据库建成后，测绘部门将以扫描数据的形式保存并对外提供 航摄资料。建立信息影像数据库的一个重要原则就是要保证影像扫描质量，使其 能够满足航摄资料使用和存档备份的双重功效。 扫描仪是软拷贝摄影测绘系统的一部分，现代的扫描仪主要应用在航空摄影 测量图片的数字化方面。遥感数据的采集工作完成后，此时的遥感数据还是未作 数字化加工的原始数据，这样的数据还不能直接被计算机来加以分析利用。因此， 在完成了航空遥感调查的第一步即资料获取之后，还须进行航空遥感调查的数据 处理。数据处理的主要任务是：运用摄影测量专业扫描仪及计算机软硬件，在有 经验的技术人员的人工干预下，对原始的遥感数据进行扫描、校正及拼接等加工 处理，最后建立相应的遥感影像资料数据库。 扫描仪直接把图形( 如地形图) 和图像( 如遥感影象、照片) 扫描输入到计算机 中，以象素信息进行存储表示。按其所支持的颜色分类，可分为单色扫掐仪和彩 色扫描仪；按所采用的固态器件又分为电荷耦合器件( c c d ) 扫描仪、m o s 电路扫 描仪、紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式分为大型扫描仪、台式扫描仪和 手动式扫描仪。扫描仪的性能以及配套软件的处理能力对图像信息的提取起着决 定性的作用。本文介绍的h g 系列高精度扫描仪，是西电海光公司专门针对航片 扫描任务的需要研制的专业扫描仪，通过软硬件的配套解决方案可以满足该领域 的性能要求。 通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。除此之外，扫描获得的数据还 存在着噪声和中间色调像元的处理问题；另外由于多种原因，使扫描得到的地形 图数据和遥感数据存在变形，必须加以纠正。所以，一般对获得的栅格数据还要 进行一些后续处理如图像纠正等。为了满足扫描结果的领域特征，我们开发了专 业的图像处理软件h i g h i m a g e 对图像进行有针对性的处理。 扫描输入因其输入速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到大 家的欢迎，再加之计算机运算速度、存储容量的提高和处理软件的踊跃出现，使 得扫描输入己成为各种介质图像信息数据输入的主要方法。 扫描图像处理系统与软件j l 4 p l 校止 1 2 课题的来源 加速实现国民经济和社会发展信息化，以信息化带动工业化，实现社会生产 力的跨越式发展，是党中央在新世纪加速社会主义现代化建设的重大战略部署， 并已列入了我国国民经济和社会发展第十个五年计划。实现信息化、数字化已成 为各经济部门建设的目标，不少省区和城市开始制订并实施“数字省”、“数字城 市”、“数字社区”的信息化计划。电子政府、电子商务、智能交通、远程教育、网 上医疗等已成为当前经济社会生活中的热点。所有这些都必须要有基础地理信息 数据作为支撑平台。为此，对测绘部门提供权威的基础地理信息数据的要求越来 越高，包括数据的现势性、准确性、完备性、开放性和方便性。 航片是进行测绘活动的基础信息源，也是国土资源调查、生态环境保护、城 市规划建设、抗洪救灾以及军事等领域所需要的重要资料。目前我国库存的航片 有3 0 多万张，是国家一笔宝贵的基础地理信息资源财富。建立航片影像数据库就 是将以胶片形式保存的航空影像，通过高精度影像扫描仪扫描数字化，以数字的 形式保存起来，并对外提供，从而大大提高了航片资料保管的安全性，并适应广 大用户对数字化航空影像资料的需求。 航片扫描是指利用高精度的影像扫描仪，按照一定的扫描要求、对航摄底片 进行数字化的过程 8 】。主要满足测绘部门和专业测绘部门进行数字摄影测量、遥 感、地理信息系统( g i s ) 、数字地形图测绘、数字高程模型、数字正射影像图制 作和其它数字影像处理等工作的需要。同时，为航摄资料进行科学管理、快速查 询、多用户服务和资料分发等工作提供服务。并可以避免因多次使用对航摄底片 造成的损伤及航摄底片在运输、保管和使用中的安全隐患。 依托于信息数字化及测绘、工程资料储存等方面的建设，本课题的研究和实 施来源于西电海光数码公司的航片扫描仪及其专用图像处理系统的开发。本文提 出的图像处理系统的软件设计方案，同样适用于其他软件工程的开发。系统提供 的工具模块包括几何畸变的校正方法可以使用户可以更灵活、更方便地对扫描结 果进行处理，使其满足特定领域的需求。 高精度扫描仪作为图像输入设备，是数字化工程中的关键。专业图像处理软 件的开发应用，将大大推迸扫描仪在相关领域的应用。 1 3 课题研究目标 扫描仪作为数字化图像的输入设备，在信息数字化建设中起着关键的作用， 因为高分辨率、高精度指标是地理信息测绘等领域中图件数字化的基本要求。所 以扫描结果要尽可能真实再现图像原件的信息，但由于存在各种引起扫描图像的 几何畸变，在实际应用中我们可以通过软、硬件两种手段来减少这种变形误差。 如果单纯依赖高精度的硬件设备，就需要花费高昂的费用。而采用软件的方法， 也能够提高整个系统的性能，达到用户要求的误差范围，而且方法简捷，丌发成 第一章绪论 本低，更容易看见效果。 本文所设计的h i g h i m a g e 专业图像处理系统旨在为上述领域的扫描仪用户提 供一个集成的同时又具有领域特殊功能要求的扫描图像加工软什，用户可以利用 系统提供的各种工具对扫描图像做在线和离线处理。同时，为了更好满足用户对 几何精度的要求，在系统中加入了整体和区域几何畸变校正功能，在用户的操作 过程中，可以根据需求选择，同时有操作演示说明，这样不仅可以方便用户操作， 更重要的是可以使用户真正达到目的一一满足扫描精度要求。 系统的技术路线是采用平台+ 插件相结合的方式，根据图像处理系统的特点， 软件分发和协作开发的需要，用软件的方法实现扫描系统的几伺校正功能，以“软” 代“硬”，设计开发出一套基于扫描仪的专业图像处理系统。 1 4 论文的组织结构 本文首先分析了高精度扫描仪在信息数字化中的必要性和重要性：其次研究 了扫描仪的组成以及工作流程，介绍了扫描几何精度这一重要技术指标以及扫描 几何畸变；然后在此基础上重点论述了基于扫描系统的畸变分析以及的三角格网 区域校正的关键技术；最后采用可扩展的平台+ 插件的软件设计方法对专业图像处 理系统进行了详细地分析和设计，并最终得以实现。以下是本文各章的内容概要： 第一章为引言部分。简要分析了信息数字化在国家信息化、经济建设和社会 可持续发展中发挥着越来越重要的作用，随后引出了高精度扫描仪在数字化中的 必要性、重要性。最后从课题的来源出发，描述了课题研究的目标和论文的主要 研究内容。 第二章介绍了扫描仪特征的相关研究。详细论述了几何精度在测绘、工程领 域的重要意义，从扫描仪的组成与工作流程，对影响几何精度的误差来源进行了 详细地分析，介绍了衡量扫描仪几何精度的方法；最后简单比较了当前国内外图 像加工软件的发展趋势。 第三章主要介绍系统中所使用到的关键技术及其实现方法。包括数字图像的 基本操作，包括海量数据文件的读写与漫游操作，图像几何校正预处理算法的研 究，常规图像几何变换和分区域校正算法研究等。 第四章介绍系统总体设计和分析。运用平台十插件技术，对h i g h m a g e 专业图 像处理系统的总体设计和分析作了详细的介绍和论述，并对各插件模块功能以及 相互的接口流程做了说明，重点介绍了几何校正功能的设计及操作流程。 第五章总结了本文的主要工作。对h i 【g h l m a g e 专业图像处理系统以及几何校 正功能进行了客观的分析和评价，指出了有待解决的问题和未来的研究方向。 扫描图像处理系统与软件j l 伺校止 第二章高精度扫描仪性能特征分析 2 1 高精度扫描仪性能及评估 2 1 1 航片扫描仪的数字化要求 航片影像数据库由航片扫描影像库、航片预览影像库、航片定位数据库和航 摄参数库四个部分组成。数据库的主要管理功能有：对航片的检索查询、元数据 的录入以及影像数据的分发服务。航片影像数据库的建立一方面可以解决以胶片 形式保存航空摄影资料对环境要求高的困难；另一方面可以使多个用户同时使用 相同航片成为现实。该数据库建成后，测绘部门将以扫描数据的形式保存并对外 提供航摄资料。建立航片影像数据库的一个重要原则就是要保证影像扫描质量， 使其能够满足航摄资料使用和存档备份的双重功效。航片影像数据库指的就是将 模拟地形图和胶片经高精度扫描仪扫描、几何纠正及色彩归一化后，形成在内容、 几何精度和色彩等方面与模拟地图基本相一致的栅格数据文件所建的数据库【2 】。 航片扫描处理的主要任务是：运用专业胶片扫描仪及计算机软硬件，在有经 验的技术人员的人工干预下，对原始的航片胶片进行扫描、校正等加工处理，最 后建立相应的遥感影像数据库。数字化扫描工作中，最重要的设备是专业航片扫 描仪和计算机，专业扫描仪要求其扫描的分辨率范围至少在1 0 0 5 0 0 0 d p i ，并且 要既能扫描大幅面( 3 2 c m 3 2 c m ) 的底片，又能扫描大幅面的像片。而计算机 则要求c p u 芯片的处理速度越快越好，内存至少要5 1 2 m ，硬盘至少要8 0 g 4 ”。 建立航片扫描影像库的第一关是对航片图像信息的采集，目前大量使用的胶 片图像需要用航片扫描仪输入到工作站中，扫描图像主要起一个信息传输的作用， 这就要求它具有较高的几何精度和清晰度。专门为航片图像扫描而设计的扫描仪 在光密度，几何精度，噪声指标等方面有严格的要求，其技术指标应满足以下基 本要求：扫描有效面积应大于扫描面积；最高分辨率应优于要求扫描的分辨率； 能以黑白和彩色模式扫描：能对透明片( 正片和负片) 进行扫描m l 。 另外由于整体成像精度要求比较高，扫描的结果包含巨大的信息量，需要将数 字化信息的图像文件存储到海量存储载体中，因此对于海量数据的软件处理和存 储也是扫描图像处理系统及扫描影像库关心的问题。 高精度扫描仪作为信息数字化系统中不可缺少的重要环节，还应用在企业、 科研院所的科技情报、资料、档案管理，这些单位的工程图纸经过大幅面扫描仪 扫描处理形成光栅图像文件，然后利用其他设计软件对这些图纸的二次编辑和再 设计。目前国内的大幅面高精度扫描仪发展还不太成熟，相关的数据处理软件还 没有达到实用水平，数字产品生产系统功能不够完善必须进行深入研究。 第一章高精度扫描仪性能特征分析 2 1 2 扫描仪组成及工作流程 扫描仪是直接把图形( 如地形图) 和图像( 如遥感影象、照片) 扫描输入到计 算机中，以象素信息进行存储表示的计算机输入设备。按其所支持的颜色分类， 可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件又分为电荷耦合器件( c c i ) ) 扫描仪、m o s 电路扫描仪、紧贴型扫描仪等：按扫描宽度和操作方式分为大型扫 描仪、台式扫描仪( 如图2 1 ) 和手动式扫描仪。 c c d 扫描仪的工作原理是：用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到 c c o 器件上，再经过模数转换器，图像数据暂存器等，最终输入到计算机。c c 0 感光元件阵列是逐行读取原稿的。为了使投射在原稿上的光线均匀分布，扫描仪 中使用的是长条形光源。对于黑自扫描仪，用户可以选择黑白颜色所对应电压的 中间值作为阈值，凡低于阈值的电压就为0 ( 黑色) ，反之为1 ( 白色) 。而在灰度 扫描仪中，每个象素有多个灰度层次。彩色扫描仪的工作原理与灰度扫描仪的工 作原理相似，不同之处在于彩色扫描仪要提取原稿中的彩色信息。扫描仪的幅面 有a o ，a l ，a 2 ，a 3 等。扫描仪的分辨率是指在原稿的单位长度( 英寸) 上取样的 点数，单位是d p i ，常用的分辨率有3 0 0 1 2 0 0d p i 之间。扫描图像的分辨率越高， 所需的存储空间就越大。现在多数扫描仪都提供了可选择分辨率的功能。对于复 杂图像，可选用较高的分辨率；对于较简单的图像，就选择较低的分辨率。 垂射主 图2 1 平台式扫描仅组成 扫描时，必须先进行扫描参数的设置( 具体扫描界面如图2 3 所示) ，包括： 1 ) 扫描模式的设置，( 分二值、灰度、百万种彩色) ，对地形图的扫描一般采 用二值扫描，或灰度扫描。对彩色航片或卫片采用百万种彩色扫描，对黑 白航片或卫片采用灰度扫描。 2 ) 扫描分辨率的设置，根据扫描要求，对地形图的扫描一般采用3 0 0 d p i 或 更高的分辨率。 3 ) 针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对比度、色调、g a m m a 曲线等。 4 ) 设定扫描范围。 扫描参数设置完后，即可通过扫描获得某个地区的栅格数据( 如图2 2 所示) 。 扫描图像处理系统与软件几何校止 图2 2 扫描界面 通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。如一张地形图采用3 0 0 d p i 灰度 扫描其数据量就有2 0 兆左右。除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色 调像元的处理问题。噪声是指不属于地图内容的斑点污溃和其它模糊不清的东西 形成的像元灰度值。嗓音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全消除，有的 软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点等和小的脏点很难区分。对 于中间色调像元，则可以通过选择合适的阐值选用一些软件如p h o t o s h o p 等来处 理j 。 一般对获得的栅格数据还要进行一些后续处理如图像纠正、矢量化处理等。 2 1 3 扫描分辨奉和几何精度 扫描分辨率是指扫描仪在实际工作状态下对图像细节的分辨能力，分成光学 分辨率和软件插值分辨率。光学分辨率是指扫描仪对图像进行扫描时实际能对图 像进行的采样精细程度，以d p i ( d o tp e ri n c h ，每英寸点数) 或p p i ( p i x e lp e r i n c h ，每英寸像素数) 表示。 对于平面扫描仪，光学分辨率又分为水平分辨率和垂直分辨率。水平分辨率 主要取决于线阵c c d 的像素数和扫描的宽度( 分辨率= c c d 像素数扫描最大宽度) 。 垂真分辨率是根据扫描仪传动装置拖动扫描头移动的位移量。因此垂直分辨率与 驱动电机和机械传动部分有关。在扫描仪的两项分辨率指标中，更为重要的是水 平分辨率。一般提到光学分辨率指的就是水平分辨率。例如，具有5 0 0 0 像素c c d 的扫描仪，扫描仪的最大扫描宽度为8 3 in ，则： 第二章高精度扫描仪性能特征分析 7 光学分辨率= 5 0 0 0 8 3 = 6 0 0 d p i 光学分辫率越高，所能采集的图像信息量越大，扫描输出的图像中包含的细节也 越多。 在光学分辨率的基础上，如果通过软件对扫描形成的图像进行像素插入可以 提高图像的分辨率。最大分辨率就是最大限度地插入像素后求得的分辨率，因此 也叫软件插值分辨率，这是指通过计算能达到的分辨率。最大分辨率与光学分辨 率不同，虽然最大分辨率能使扫描图像的分辨率提高，但不能实际增加图像中的 信息量，提高不当反而会使图像看起来模糊。插值分辨率是通过扫描仪的驱动程 序得到的，通过二乘方法( 或补点法、均值法) ，需要取该像素前后各四个点的数 值，模拟出这四个点数据变化规律的曲线，从而获得这个点的数值。如果要求的 标准超过了设备的光学分辨率指标，驱动程序会对超过的部分自动进行插值运算。 软件插值法使分辨率提得越高，图像的质量越差。但是，用这种方法可以从软件 上实现高放大倍率图像的扫描。最大分辨率通常是光学分辨率的2 4 倍。 因为扫描仪的扫描方式是逐行逐块进行的，扫描轨迹的几何形状畸变和扫描 运动速度的不均匀性会造成扫描非线性畸变，这将引起扫描的几何失真。 在图像数字化的过程中，保证图像中各点的相对位置，是该仪器的最重要技 术指标之一。 2 1 4h g 2 5 4 0 影像扫描仪性能指标 h g 2 5 4 0 影像扫描仪主要为高精度全数字摄影测量、遥感、地理信息系统 ( g i s ) 等需要高精度数字影像转换的领域而设计，适用于各种负片和正片，是 当今世界具有最高性价比的航空摄影测量型影像扫描仪，是测绘部门必备的图像 扫描输入设备，其主要技术参数如下表2 1 所示【4 7 。 形式 r 1 乎爱式 原稿种类彩色黑白，正片负片 光学分辨率2 5 4 0 x 5 0 8 删 ! o x 5 u m l 色彩位数3 6 位彩色 扫描区域2 3 0 x 2 3 0 m m ，9 x 9 1 最大扫描区域1 2 3 。x 1 7 1 ( a 3 + 幅面) 3 6 b i t s 彩色 1 2 b i t s 灰度 扫描方式 8 b i t s 灰度 1 b i t 黑白 儿何精度 2 耻m 明度暗度2 5 5 阶 对比亮度+ 1 0 d - 一1 0 0 扫描幽像处理系统与软什儿何校正 密度范丽 3 5 d 扫描速度6 0 秒( a 4 3 0 0 线1 2 灰度) 扫描仪9 8 0 x 6 2 0 x 3 4 0 m m 外形尺寸 透扫适配器6 7 0 x 4 5 6 x 6 3 m m 表2lh g 2 5 4 0 系列影像扫描仪技术参数 2 2 扫描仪图像几何畸变分析 在图像数字化的过程中，保证图像中各点的相对位置关系，即几何精度是 该仪器的最重要技术指标之一。通常我们衡量扫描仪几何精度的办法是把一块精 密标准格网板放在像片盘上，选取其上某一个规则正方形a b c d 。该正方形经过扫 描数字化后，被分块存贮在图像处理板上。正方形格网图像通过数模转换和软件 拼接后，再显示在监视器的屏幕上时，应该仍然是规则的正方形。如果正方形a b c d 四点的相对位置关系发生变化，如四条边长度不相等、邻边相互不垂直、边自身 不成直线等，说明分块之间的拼接存在几何误差。产生这个误差的原因是多方面 的，有的是在仪器结构设计和零件加工过程中造成的，有的则是在仪器的装配与 调试当中产生的 i s 1 。 2 2 1 影响几何精度的误差来源 扫描仪的工作原理是采用高精度步进电机驱动c c d 机架，将底片平放在玻 璃板上，光源透过玻璃板和胶片通过安装在下方的镜头成像在c c d 阵列上。所 以步进电机移动误差和c c d 镜头成像畸变等原因将导致采样数据源的输入失真 ( 此处我们称之为整体变形) 。由于这些误差系数在某一扫描仪系统确定后不会出 现突然改变，相应的畸变模型在校正过程中可以认为是一次获得后将固定不变。 除此之外还有一类变形是由每次扫描过程中的偶然因素引起的，包括操作误差、 扫描原稿中的凹凸不平等，这些因素导致的失真变形是不可预知和非线性的，并 且般只出现在整幅图像的某些局部区域( 我们称之为局部变形) 。 i ) 单镜头成像畸变 针对每一个镜头，存在由于光学成像原理造成的c c d 面元上的成像畸变， 例如中央部分和边缘部分图像的放大倍率有所不同等。通过比较扫描前后c c d 器件方向的图像尺寸位置可以得到残像面各位置的相对缩放比率。 2 ) 多c c d 阵列一致性误差 对于本系统中的多c c d 阵列，两个c c d 之间存在着重叠范围或空白区( 如 图23 ) ，比较扫描前后的结果可以获得这些区域的尺寸，通过软件删除或增添像 素的办法，可以除去图像中的重叠部分或填充空白空间。双c c d 阵列之l 日】除了 位置还有放大倍率和清晰度的不一致( 这方面引起的失真用软件的方法得不到很 第二章高精度h 描仪性能特征分析9 好的校i f 结果) ，通过调整透镜的像高，得到较为清楚的图像信息。同时调整物高 避免因为双相机镜头的高度不同造成两部分采集到的图像放大倍率不同。 图2 3 扫描仪系统误差来源 3 ) 仪器零部件加工精度引起的误差 因为扫描仪工作方式是对图件逐行逐块进行采集，行与行之间块与块之间的 拼接精度是依靠机械传动的定位精度来保证的，所以关键零部件存在的安装和加 工误差会决定最后拼接出来的图像的几何精度，比如传动丝杠的螺距误差和移动 导轨的直线性误差等，虽然通过采用高精度的传动丝杠可以提高采样的精度但提 升空间有限，加上金属热胀冷缩变形和运行磨损，在系统的副扫描方向会积累采 样位置误差。 4 ) 偶然因素引起的局部变形 1 这方面的误差主要是每件原稿本身的变形以及操作人员的每次操作引进的误 差。每次扫描的局部变形的系数是不同的，没办法用一次校正模型进行统一处理， 需要每次和网格板一起扫描来确定变形系数。由于从混合扫描图像中提取网格线 比较困难，所以在本文中此类畸变没有进行实际的畸变处理。 5 ) 材料变形误差 材料变形误差是由于图纸在存储过程中受湿度和温度影响而产生的。在温度 不变的情况下若湿度由o 增至2 5 ，图纸的尺寸可能改变1 6 ，即一张3 6 英寸 的图纸因湿度变化而产生的误差可能高达o 5 7 6 英寸。并且图纸的膨胀率和收缩 率也不相同，即使温度恢复原来的大小，图纸也不可能恢复原来的尺寸。基于聚 脂薄膜的底图与纸质地图相比，材料变形产生的误差相对较小。 6 ) 栅格图像扫描误差 在对地图进行扫描时，扫描仪本身的稳定性、操作人员的熟练程度、扫描软 件的处理能力等都是影响扫描精度的因素。为提高图像扫描精度，可适当提高扫 描仪的扫描分辨率。但随着分辨率的提高，图像扫描数据也相应增大。譬如，对 一幅1 ：5 0 0 的4 0 c m 5 0 e m 的彩色地图以3 0 0 d p i 的分辨率进行扫描时，约需5 0 0 k b 的空间来存储t i f 格式文件：如将扫描分辨率提高到6 0 0 d p i ，则约需1 5 m b 的存 储空间。对于b m p 格式的文件，所需的存储空间约为t i f 格式的8 倍。 扫描图像处理系统与软件儿何校正 2 2 2 扫描图像几何精度评估 仪器的几伺精度可以从以下两个方面去评估 1 ) 实际测定图像的拼接误差 仪器的拼接误差的测定是在计算机显示器屏幕上用直接观察精密格网图像的 的方法进行的。在格网图像上寻找拼接误差最大的部位，通过用放大4 倍的显示 局法测定其误差量。经实际测量，拼接误差小于1 4 像素点长度，表明已满足技 术指标的要求。 2 ) 测定2 5 点中误差 j 刈 为了分清机械结构的几何精度和整个系统的扫描精度的几何精度，我们将测 试工作分两次进行，第一次是在精密网格板上每隔5 5 c m 的交叉点划出标记， 选定2 5 个点，把精密格网放置在平台上，启动测试程序驱动平台移动。首先用 显微镜对准网格板上中央一点置零，然后再分别照准其余各点，读取各个点的坐 标值，用2 5 点中误差计算求出机械结构的点位中误差。 x =厮 式( 2 1 ) 第二次是把精密网格板放置在平台上，启动扫描程序，把网格图像扫入计算 机中并把网格图像显示在计算机的屏幕上，再用光标瞄准网格图像的与上述相同 位置的交叉点，在屏幕上读取并记录各点以像元数计的坐标值，利用格网四个角 上的四个点做控制点，计算出双线性坐标变换所需的参数，然后对其余各点进行 双线性坐标变换计算点位中误差。 2 2 3 扫描图像几何糟度保证方法 由于扫描仪器本身存在的精度误差、双镜头安装位置和放大倍率不严格一致 等原因，造成的不同区域内扫描的图像大小不等以及扭曲变形等现象，使得扫描 系统的分辨率和几何精度不能很好满足特殊领域的要求。航片扫描仪采用平台推 扫方式，垂直于扫描方向上的几何精度由c c d 和光学器件来确定，这是固定的， 沿扫描方向上的几何精度由步进电机和传动装置来决定，变化有时不太均匀。这 些因素导致扫描结果与实际图像相比存在位置和比例上的变形。在实际应用中我 们可以通过软、硬件两种手段来减少这种变形误差。其中通过提高硬件的品质， 比如提高步进电机及丝杠的传动精度、选择性能更优的c c d 部件以及更精准的 安装，能够在一定程度上改善扫描仪的性能，但用硬件实现技术难度高，涉及人 员多，风险大，而且代价高昂。如果采用软件的方法，利用畸变的扫描图像与标 准航片之间的一些对应点( 即控制点) 求得这个几何畸变模型，然后利用此模型进 行几何畸变的校正，这种校正不考虑畸变的具体原因，而只考虑如何利用畸变模 第二章高精度扫描仪性能特征分析 型末校j 卜 图像。通过这种对扫描图像的软件后处理，也能够提高系统的性能，消 除扫描图像叶1 的畸变，达到用户要求的误差范围，而且方法简捷，开发成本低， 更容易看见效果。 本文主要讨论软件方法来进行几何校正。由于影响扫描后图像精度质量的原 因是多元的，软件算法上单纯地用一种方法很难在速度和精度上都达到满意的效 果。根据扫描仪系统的实际工作过程，我们采用分步骤校正的办法，对于不同原 因引起的畸变采用对应的方法进行校正，并提出一种改进的算法，使得海量扫描 数据的局部非线性畸变校正成为可能。对于大幅面扫描效果不一定是线性畸变， 但对于其中的局部小区域却可以近似认为是线性畸变，可以将畸变图像按畸变情 况分成若干区域，对于每个区域提取不同的畸变模型进行校正，如图2 4 。 i ，_ 、 i 扫描图像处理l 、- - 。_ _ _ _ 。- - _ - 。- 。_ 。_ 。_ _ - _ + ，_ 1圈像输出l - _ 图2 4 扫描工作过程及校正原理 根据上述的原理编制校正模块，并将此功能模块加入到扫描图像处理系统中， 对经过a i d 转换后的采集数据进行离线处理，如果对系统提出更高的精度指标， 软件方法会受到扫描分辨率的限制，要考虑硬件的方法，尤其是新的扫描技术的 应用。 2 2 4 常用图像数据加工软件及比较 一、e r d a si m a g i n e 遥感图像处理软件 e r d a si m a g i n e 是美国e r d a s 公司开发的遥感图像处理系统，它以其先 进的图像处理技术，友好、灵活的用户界面和操作方式，面向广阔应用领域的产 品模块，服务于不同层次用户的模型开发工具以及高度的r s g i s 集成功能，为 遥感及相关应用领域的用户提供了内容丰富而功能强大的图像处理工具，代表了 遥感图像处理系统未来的发展趋势。 二、p c ig e o i m a g e r 遥感图像处理软件 g e o m a t i c a 集摄影测量分析、遥感影像处理、几何制图、g i s 分析、雷达数据 扫描图像处理系统与软件几l 口j 校止 分析、以及资源管理和环境监测的多功能于一体，它拥有相当齐全的功能模块： 常规处理模块、儿何校正、大气校正、多光谱分析、高光谱分析、摄影测量、雷 达成像系统、雷达分析、极化雷达分析、干涉雷达分析、地形地貌分析、矢量应 用、神经网络分析、区域分析、g i s 分析、正射影象图生成及d e m 提取( 航片、 光学影像、雷达数据) 、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、 数据输入输出等四百多个软件包组成了影像处理软件中非常全面的系统。 三、适普e n v i 遥感图像处理系统 e n v i 是套功能齐全的遥感图像处理系统，是处理、分析并显示多光谱数 据、高光谱数据和雷达数据的高级工具。能够进行地物目标识别。现有的交互性 最为良好、功能强大、使用方便的图像处理软件包，可以高效地利用和分析各种 类型的遥感数据。可扩展的图形用户界面使您很容易对各种图像进行分析。您可 以引入光谱库，利用e n v i 的高级高光谱工具集进行子象元分析以提取更多的信 息。利用与e n v l 相结合的雷达工具通过选择极化、分析散射模式、提取纹理信 息来更好的识别目标。 p c ig e o i m a g e r 在图像处理方面很有特色，e r d a s 因为与g i s ( e s r i a r c 系列) 融和很好，国内很多用户都使用它。e n v i 是搞遥感的专家编写的软件， 在科研方面它走的非常靠前，对前沿的东西支持很好，像h d f 格式e n v i 可以说 是第一个支持它的( 老版的e r d a s 和p c i 都不支持h d f ，或者是支持不太好， 如p c i 读h d f 要先转化格式再读取，而e n v i 就不需要) 。另外，其他的遥感软 件都有自己的特点。e r d a s 是个大而全的软件( 对于光学遥感和微波遥感的处 理都可以) ，但是掌握起来费时，而且价格不菲。p c i 侧重于微波遥感图像的处理。 e n v i 则对于专题图像、地物成分分析比较擅长，对于高分辨率的遥感图像处理 比较弱。 2 3 本章小结 本章首先给出了航片数字化的要求，从需求应用上阐述了高精度扫描仪在地 理信息数字化工程中的关键作用，同时指出了高精度大幅面扫描仪的性能特征。 由于高精度扫描仪主要应用在武器设备测控、地质勘测、地理信息测绘等领域， 高分辨率、高精度指标以及较大的扫描幅面是这些领域中图件数字化的基本要求， 本章着重对几何精度和扫描中的几何畸变及其误差来源作了详细地介绍，简单说 明了本文中是如何解决这一问题的。然后对国内外的遥感扫描影像软件进行了比 较总结。最后提出一种有效的校正方法并其作为一个功能模块加入图像处理软件 系统中。 第二章系统殴计与关键技术 l 究 第三章系统设计与关键技术研究 3 1 扫描仪图像的基本操作 图像处理系统的基本功能包括各种图像格式的读取和显示、图像的变换、图 像颜色处理。本图像处理系统是针对大幅面高精度扫描仪对工程图图纸或航空图 片进行数字化处理结果，处理的流程如图3 1 所示。 图3 1 处理流程 通常这些待处理的扫描图包含巨大的数据量，一般为几百兆或更多，通常对图像 文件的读取显示、常见变形等成热方法将消耗大量的计算时间，对计算机的性能 要求也比较高，很难达到实时处理的效果。 3 1 1 图像文件基础知识 在，i n d o w s 中，位图( b i t m a p ) 分成两大类：设备相关位图( d e v i c ed e p e n d e n t b i t m a p ，简称d d b ) 和设备无关位图( d e v i c ei n d e p e n d e n t b i t m a p ，简称d i b ) ， 下面对d i b 做一简单介纠”l 。 d i b 位图文件的结构如图所示，包括位图文件头结构b l t m a p f i l e h e a d e r 、位图的信息头结构b i t m a p n 师0 h e a d e r 、位图颜色表r g b q u a d 和位图像 素数据4 部分。上述结构在w i n d o w s h 中的定义如下： 位图文件头封 掏b l i m 巾f i l e i i e a d e r 值网篱取头赫构b i t m a p i n f o t l e a d e r 位图颜色嵌r g i b q u a i ) 位图象素数粕 图3 2d i b 位图文件结构 b m p 文件头数据结构含有b m p 文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。 t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p f i l e h e a d e r w o r d b t t y p e ；位图文件的类型，必须为b m d w o r db f s i z e ；位图文件的大小，以字节为单位 w o r d b f r e s e r v e d l ：位图文件保留字，必须为0 w o r d b f r e s e r v e d 2 ：位图文件保留字，必须为0 扫描幽像处理系统与软件儿何校正 d w o r d b f o f f 3 i i s ；位图数据的起始位置，相对于位图文件头的偏移量，以 字节为单位 b i t m a p f i l e h e a d e r ； b m p 位图信息头数据用于说明位图的尺寸等信息。 t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p i n f o h e a d e r i d w o r db i s i z e ；本结构所占用字节数 l o n g b i w i d t h ；位图的宽度，以像素为单位 l o n g b i h e i l g h t ；位图的高度，以像素为单位 w o r d b i p l a n e s ：，目标设备的级别，必须为1 w o r d b i b i t c o u n v 每个像素的位数，是1 ( 双色) ，4 ( 1 6 色) ，8 ( 2 5 6 色) 或2 4 ( 真 彩色、之一 d w o r d b i c o m p r e s s i o m位图压缩类型，必须是0 ( 不压缩) ，1 ( b ir l e 8 压缩类型) 或2 ( b ir l e 4 压缩类型1 之一 d w o r d b i s i z e i m a g e ：位图的大小，以字节为单位 l o n g b i x p e l s p e r m e t e r ；位图水平分辨率，每米像素数 l o n g b i y p e l s p e r m e t e r ；位图垂直分辨率，每米像素数 d w o r d b i c l r u s e d ；位图实际使用的颜色表中的颜色数 d w o r d b i c l r i m p o r t a n t ；位图显示过程中重要的颜色数 1b i t m a p i n f o h e a d e r ； 颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一个r g b q u a d 类型的结构，定义一种颜色。r g b q u a d 结构的定义如下： t y p e d e f s t r u c tt a g r g b q u a d b y t e r g b b l u e ；蓝色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) b y t e r g b g r e e n ；绿色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) b y t e r g b r e d ；红色的亮度( 值范围为0 - 2 5 5 ) b y t e r g b r e s e r v e d ；保留，必须为0 r g b q u a d ； 颜色表中r g b q u a d 结构数据的个数有b i b i t c o u n t 来确定：当b i b i t c o u n t = l ，4 ，8 时，分别有2 ，1 6 ，2 5 6 个表项；当b i b i t c o u n t = 2 4 时，没有颜色表项。 位图信息头和颜色表组成位图信息，b i t m a p i n f o 结构定义如下： t y p e d e f s t r u c tt a g b t t m a p i n f o f b 1 t m a p i n f o h e a d e r b m i h e a d e r ；位图信息头 第= 三章系统殴计与关键技术研究 r g b q u a db m i c o l o r s f11 ：颜色表 ) b i t m a p i n f o ； 位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描 行之间是从下到上。位图的一个像素值所占的字节数： 当b i b i t c o u n t = 1 时，8 个像素占1 个字节； 当b i b i i c o u n t = 4 时，2 个像素占1 个字节； 当b i b i t c o u n _ t = 8 时，1 个像素占1 个字节： 当b i b i t c o u n t = 2 4 时，1 个