分类

光学图像处理

简介

应用光学原理对遥感图像进行模拟加工的作业。目的是使其变为某种有用的形式,或为提取有用信息以作进一步分析。

用光学方法处理遥感图像(如多谱段摄影或多谱段扫描图像),不需要昂贵的电子计算机,可以在比较简单的设备(如放大机)上进行,具有快速灵活等优点。常用的光学处理方法有影像的光学合成、密度分割、彩色增强、边界增强、傅立叶变换等。

影像光学合成 分为假彩色合成和近似真彩色合成,均可在放大机上实现。假彩色合成又叫多软片法,即给摄影目标的不同谱段的黑白正片或负片加上特定的滤光镜,通过光学系统使它们的影像精确地重叠在一起,投影在屏幕上或放大机的承影板上,形成摄影目标的彩色影像。美国陆地卫星多谱段扫描仪在0.5~0.6(MSS4)、0.6~0.7(MSS5)、0.7~0.8(MSS6)、0.8~1.1(MSS7)微米四个谱段扫描地球表面的景物,得到同一景物的四张黑白图像。根据光的三原色原理,如图1所示,用MSS4、MSS5、MSS7的黑白负片分别加上蓝、绿、红滤色镜,使它们的影像精确重叠并感光在彩色相纸的三层感色乳剂上,经摄影处理便得到一张假彩色合成像片。

图1 假彩色合成原理图解

密度分割 不同的物体具有不同的电磁波辐射特性,它们的遥感图像具有不同的密度;同一类地物具有相似的密度,不同类的地物具有不同的密度,因此可在密度统计的基础上进行密度分割,即规定不同密度的影像用不同的彩色表示,于是得到一张彩色分类图。光学密度分割可通过不同的途径实现,假彩色密度分割仪是常用的密度分割设备。它用光导摄像管扫描遥感像片,把密度换成电压信号,灰阶发生器再将电压信号分成若干级,每一级用一种彩色表示,每种彩色由蓝、绿、红三原色组合而成,最后用彩色显像管显示分割结果,便得到一幅具有不同层次的分割图像。假彩色密度分割仪比较昂贵,采用相关掩膜技术进行密度分割较为简单易行。这种方法利用滤波成像技术实现图像的密度分割, 步骤如下: 第一, 用摄影处理方法制作一些模片, 它们具有不同的密度, 能让某些波长的光透过而吸收其他波长的光; 第二, 把遥感影像透明片放到光学系统(如放大机)的焦平面上, 先后附加一张或几张模片,这些模片组合出不同的密度; 第三, 让透过模片的遥感影像在彩色相纸上多次感光,再经摄影处理便能在相纸上看到被分割成不同类别的地物的影像。

彩色增强 光学投影彩色增强是一种常用的彩色增强方法,它能把同一目标的多谱段或多时相的图像合成一幅彩色图像,也能用彩色表示这些图像的差别。光学投影彩色增强系统的原理和结构如图2所示。它相当于多个幻灯放映机组合而成的光学系统,每个通道放置一张图像透明片,它们的影像落在屏幕上,可用调节螺丝使其精确重叠;滤光片控制每个通道的彩色色调,光强控制投影灯的亮度,用半透明的反射镜再加上不同数量的白光来控制色饱和,最后人的眼睛可观察到屏幕上的彩色增强图像。

图2 彩色增强投影仪

边界增强 在遥感图像中,边界是区分一类地物与另一类地物的分界线。这种分界线是密度发生突变的地方,增强边界有助于提高解译图像的准确度,如识别地壳运动造成的断裂构造格局。用光学方法实现遥感图像的边界增强是比较简单易行的,把遥感图像的正片和负片精确叠合在一起之后再让它们沿某一方向彼此移动一个微小的距离,在影像密度突变的地方就会出现边界增强现象,如果把这种处理的结果感光在相纸上并经过摄影处理,就能得到一张增强了边界的图像。边界增强的效果受边界密度梯度大小影响,如果在处理之前先对遥感图像施行反差增强处理,使边界有较大的密度梯度,就能获得更理想的结果。另外,在同一次增强处理中,不同方向的边界的增强效果是不相同的。如图3所示,与移动方向平行的边界或某段边界,由于它们在最大密度梯度方向上没有相对位移,故未得到增强;与位移方向垂直的边界或某段边界,沿最大密度梯度方向有最大允许的位移,于是得到最明显的增强;那些与位移方向斜交的边界,则随交角的大小而得到不同程度的增强。

图3 位移方向与边界增强效果的关系(箭头表示位移方向)

傅立叶变换 光学透镜本身具有傅立叶变换性质,能把一个波形分解成许多不同频率的正弦波之和,如果这些正弦波加起来成为原来的波形,就确定了这个波形的傅立叶变换。傅立叶变换的图形表示就是一张显示每个被确定正弦波的振幅和频率的图。遥感图像上的物体是由密度体现的,通过透镜之后,在透镜的焦平面上产生一个空间频谱图,密度变化大的区域(图像上物体细节部分),空间频率高,对应于频谱图中的高频部分,反之亦然。密度均匀无变化的区域,空间频率为零,对应于频谱图中的零谱。改变频谱,对原图像进行处理,再经傅立叶逆变换,可得到一幅增强了所需信息的新的图像。根据这个性质,可制成频谱分析、光学滤波和光学相干等光学图像处理装置。图4是4f相干光处理装置的光路图,He-Ne激光器S发出的单色光经扩束-准直系统E. C处理后照明待处理的原始透明图像O,O位于透镜L1的前焦平面处。可以把图像看成由许多细节组成,细节越细,其空间频率越高;细节越粗,其空间频率越低;图像中的连续背景则对应于零频。透镜L1进行傅立叶变换,在它的后焦平面(变换平面)F上形成傅立叶频谱:零频位于中心,由中心向外依次是低频、高频。透镜L2的前焦平面与L1的后焦平面重合,经L2再进行一次傅立叶变换,在它的后焦平面上的傅立叶频谱便综合成一幅与原始图像方向颠倒的新图像。这个新图像可以用肉眼观察,也可以用照像方法记录下来。只要在变换平面F处放入不同的滤频片、光栅,或者把单色光改为白光,就能得到不同的处理结果:或者原始图像中很不明显的细节、边界得到了增强,或者消除了原始图像中的噪音、条纹,或者某一方向的图像得到了增强,或者改变了原始图像的反差,或者原始的黑白图像变成了彩色图像,等等。

图4 4f相干光处理系统光路图

S.He-Ne激光器;E.C.扩束准直系统;O.物平面(原始图像);L1、L2.傅立叶透镜;F.变换平面;I.像平面(新图像)

英文

optical image processing