本發(fā)明屬于遙感信息處理技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種高光譜圖像的彩色顯示方法。

背景技術(shù)：

自成像光譜儀問世以來，高光譜圖像(Hyperspectral Imagery,HSI)越來越廣泛地被應(yīng)用到軍事、農(nóng)業(yè)、海洋、環(huán)境等方面，相應(yīng)的可視化技術(shù)也受到國內(nèi)外研究人員的日益關(guān)注。高光譜圖像由于具有大量的波段，因而無法在僅有三通道的彩色空間中直接顯示。為此，為在圖像空間中顯示高光譜圖像，現(xiàn)存方法都是首先將其變換到低維空間，這些方法有，波段選擇，PCA降維，波段融合等。傳統(tǒng)可視化方法都是直接利用這些變換方法將原始高光譜圖像變換至三波段，然后分別賦值給彩色空間的三個(gè)通道進(jìn)行顯示，或者將不同類型信息分別顯示在多個(gè)獨(dú)立的圖像中。

然而，對于具有高信息量的高光譜圖像，為使可視化結(jié)果包含更為全面的信息，如地物空間信息、地物類別信息、地物光譜信息、目標(biāo)信息、邊緣信息、紋理信息等，往往需要通過多于三幅的圖像進(jìn)行表述。然而將原屬于同一數(shù)據(jù)中的信息分別獨(dú)立顯示在多幅圖像中，又將會增加觀察者的處理復(fù)雜度。因此，對于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，多模態(tài)圖像表達(dá)已變得越來越重要。同時(shí)，如何將HSI中盡可能多的信息集成在同一個(gè)界面進(jìn)行顯示，已成為如今亟待解決的問題。此外，在有限的顯示空間中，如果可視化技術(shù)不僅能夠提供固定信息的圖像顯示，還能夠根據(jù)使用者的交互操作提供選擇不同的信息進(jìn)行表示，甚至是圖像動態(tài)變化的表示，那么用戶對于信息的接收及理解程度也能大大提高。

CAI等提出了一種適用于高光譜數(shù)據(jù)的基于特征驅(qū)動點(diǎn)(FEATURE-DRIVEN)的多層可視化方法，該方法將特征驅(qū)動圖像與解混后的假彩色圖像根據(jù)不同的透明度進(jìn)行了混合，解決了HSI可視化圖像中空間信息與光譜信息無法同時(shí)表達(dá)的難題。但是該方法仍然存在一些不足，如特征驅(qū)動圖層會不同程度地影響空間信息的表達(dá)，圖像內(nèi)容也表現(xiàn)得較為混亂，而且該方法所使用的各個(gè)圖層所表達(dá)的信息之間存在冗余，此外，該方法只有在圖像局部地域放大到一定程度或?qū)⒍嘞袼刈鳛橐粋€(gè)單位進(jìn)行解混時(shí)才適用于顯示特征驅(qū)動圖層，否則特征驅(qū)動層將失去其顯示意義。

KOVESI等整理并提出了一系列交互式多模態(tài)圖像顯示方法，如三角自然差值方案；四圖像線性混合方法；多圖像環(huán)形混合方案；相位保持的動態(tài)范圍壓縮算法以及多圖像混合方法等。這些方法皆利用交互式方法對多模態(tài)圖像信息進(jìn)行混合并顯示，并取得了較好的可視化效果。但是這些方法也存在了一些問題，如無法充分利用彩色通道信息，以及都無法適用于高光譜圖像的海量數(shù)據(jù)等，此外，在這些方法之間，并無法證明何種方法對某個(gè)數(shù)據(jù)的顯示擁有最佳的顯示效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種適用于高光譜數(shù)據(jù)且滿足于具有多模態(tài)圖像要求的高光譜圖像交互式多圖像彩色可視化方法。本發(fā)明能夠在同一界面中輸出彩色圖像，并根據(jù)使用者對光標(biāo)的調(diào)節(jié)，靜態(tài)或動態(tài)地顯示高光譜圖像中更多的有用信息。通過本發(fā)明，使用者可以在可視化過程中根據(jù)自己的需要改變輸出圖像，這使得這種交互式可視化方法能夠?qū)Ω吖庾V圖像進(jìn)行有目的的信息挖掘。此外，本發(fā)明也同樣適用于其他多圖像的可視化，如多光譜圖像，方向?yàn)V波器輸出圖像，不同聚焦圖像，同空間區(qū)域不同時(shí)間圖像，同空間區(qū)域不同傳感器獲取的圖像等。

一種高光譜圖像交互式多圖像彩色可視化方法，步驟如下：

步驟一，信息篩選。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理或人工挑選等方法，選出滿足使用者要求的用于顯示的有用圖像，這些圖像描述為多幅相同空間尺度的灰度圖像。

步驟二，節(jié)點(diǎn)圖排序。

將步驟一中篩選出的灰度圖像按照某種順序，如圖像相關(guān)性大小，排列在圓環(huán)上等距的節(jié)點(diǎn)上。

步驟三，交互式調(diào)整三通道信息。

系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)定地點(diǎn)的數(shù)目自動選擇顯示方法。在顯示過程中可根據(jù)使用者的需要增減或修改預(yù)定點(diǎn)，同時(shí)，顯示方法也隨著預(yù)定點(diǎn)數(shù)目的變化而相應(yīng)改變。當(dāng)對預(yù)定點(diǎn)進(jìn)行修改時(shí)，也可同時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)圖的排序，以達(dá)到更好的顯示效果。最后，獲得的三個(gè)灰度圖像將用以在彩色空間顯示的三個(gè)信道輸出。

步驟四，在彩色空間顯示。

步驟三中獲得的三個(gè)灰度圖像經(jīng)過歸一化或圖像增強(qiáng)等處理，分別用作彩色空間的三通道進(jìn)行顯示獲得輸出圖像。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、交互界面便于使用者操作；

2、能表述更多的信息，且可對不同種類的信息組合顯示；

3、本方法不僅可以用于高光譜圖像，還可對其他類別的圖像信息進(jìn)行顯示，如多光譜圖像，方向?yàn)V波器輸出圖像，不同聚焦圖像，同空間區(qū)域不同時(shí)間圖像等，而在對其他類別的圖像信息進(jìn)行顯示時(shí)，也可用于圖像間的比較和對比；

4、通過變化圖像更容易確定特殊地物，變化趨勢不同的地物色彩能夠更加突出不同的地物類別，同時(shí)，在某些混合波段下無法顯示的特征在其他組合中將會更好的顯示，此外還可以根據(jù)需要調(diào)整整體色調(diào)；

5，觀察者通過改變光標(biāo)位置，能夠更容易地確定最佳輸出圖像，同時(shí)，該圖像中用以混合的圖像及其混合系數(shù)也較容易確定；

6，是可以突出顯示某地物或類別的可視化方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程示意簡圖；

圖2為當(dāng)光標(biāo)落于單位圓外時(shí)輸出圖像的選取方法示意圖；

圖3為三種顯示策略；

其中，(a)三點(diǎn)確定法，(b)兩點(diǎn)確定法，(c)一點(diǎn)確定法；

圖4為交互界面示意圖；

圖5為PCA彩色圖像；

圖6為經(jīng)排序后的有用圖像Image1-Image6的排序結(jié)果；

圖7為當(dāng)無預(yù)定點(diǎn)存在時(shí)的可視化結(jié)果；

圖8為當(dāng)存在一個(gè)預(yù)定點(diǎn)時(shí)的可視化結(jié)果；

圖9為當(dāng)存在兩個(gè)預(yù)定點(diǎn)時(shí)的可視化結(jié)果；

圖10為薩利納斯地區(qū)圖像經(jīng)排序后的有用圖像Image1-Image6的排序結(jié)果；

其中，(a)光譜加權(quán)和,(b)-(d)PCA,(e)部分地物解混結(jié)果,(f)-(h)雙邊濾波融合結(jié)果,(i)某類別分類結(jié)果；

圖11為薩利納斯地區(qū)圖像數(shù)據(jù)的多模態(tài)圖像的三點(diǎn)確定法顯示結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出更詳細(xì)的描述。

本發(fā)明一種高光譜圖像交互式多圖像彩色可視化方法，采用交互式手段對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的顯示，下面是詳細(xì)實(shí)施過程：

步驟一、信息篩選。

在含有大量信息的高光譜數(shù)據(jù)中，選擇n幅灰度圖像，這些圖像用以表示盡可能完整的使用者感興趣的信息。分別記為Image 1,Image 2……Image n,其中3≤n≤10。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)n＞10時(shí)本方法仍然可行，但輸出圖像效果可能會隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而變壞。但是，對于目前常用的大多數(shù)圖像，即使是含有大量信息的高光譜圖像，其絕大部分的信息也可以通過10幅以內(nèi)的圖像進(jìn)行表示，因此當(dāng)n≤10時(shí)已然能夠滿足目前的應(yīng)用需要。而當(dāng)n≤3時(shí)，傳統(tǒng)彩色可視化方法便可顯示，且此時(shí)并無法充分利用本方法的優(yōu)勢，因此可選擇較簡單的傳統(tǒng)可視化方法進(jìn)行顯示。

篩選的圖像可單獨(dú)利用波段提取、數(shù)據(jù)降維、信息融合、分類、解混等方法將原高維高光譜數(shù)據(jù)降維到的結(jié)果，也可綜合使用不同處理方法的結(jié)果。例如，用于節(jié)點(diǎn)的圖像可混合使用PCA的前三個(gè)主成分，雙邊濾波融合成的三個(gè)波段以及某類別的監(jiān)督信息。

步驟二、節(jié)點(diǎn)圖排序。

篩選出的有用圖像需按照一定的順序安置在交互界面的節(jié)點(diǎn)位置成為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)圖像。節(jié)點(diǎn)圖像的排序方法可由使用者自由選擇，如自動排序和自定義節(jié)點(diǎn)圖順序。自動排序方法可按照圖像的相關(guān)性進(jìn)行排列，例如相關(guān)性越高的兩幅圖像在圓環(huán)中相距越遠(yuǎn)、近等。此外，使用者還可在交互可視化中隨時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)圖像的順序。

步驟三，所述的交互式調(diào)整三通道信息。

提取方法如下：

(1)在交互界面中，設(shè)置預(yù)定點(diǎn)。

(2)確定其它點(diǎn)。

情況①：當(dāng)光標(biāo)點(diǎn)在圓上或圓外時(shí)，輸出圖像顯示為光標(biāo)點(diǎn)在圓上映射點(diǎn)所代表的灰度圖像。

被激活的光標(biāo)通過改變點(diǎn)P的位置改變輸出結(jié)果。當(dāng)光標(biāo)落在交互區(qū)內(nèi)的圓外或圓上時(shí)，輸出圖像為與光標(biāo)距離最近的兩點(diǎn)線性混合而成的灰度圖像，其確定方法如圖2所示。點(diǎn)映射在圓O上的點(diǎn)A由Image 2及Image 3線性混合而成，混合系數(shù)a，b分別滿足下式

a+b＝1 (1)

a:b＝β:α (2)

其中α與β分別為半徑OA與另兩幅圖像所在半徑的夾角。A點(diǎn)所代表圖像經(jīng)歸一化后即為輸出圖像，此時(shí)輸出圖像為灰度圖像。

情況②：當(dāng)光標(biāo)點(diǎn)在圓內(nèi)時(shí)，輸出圖像為三信道彩色圖像。此時(shí)三信道信息確定方法需首先判斷預(yù)定點(diǎn)的數(shù)量，之后根據(jù)預(yù)定點(diǎn)數(shù)目的不同而分為以下三種，確定方法如圖3所示。

①三點(diǎn)確定法。

當(dāng)無預(yù)定點(diǎn)存在時(shí)，P點(diǎn)決定了一個(gè)以P點(diǎn)為重心，O為外接圓的等腰內(nèi)接三角形ABC。該三角形三個(gè)頂點(diǎn)確定的三幅圖像經(jīng)歸一化[5a]后，即作為RGB彩色空間的三通道值進(jìn)行顯示。根據(jù)光標(biāo)點(diǎn)P位置同時(shí)確定三角形三點(diǎn)坐標(biāo)的方法如圖3(a)所示。已知單位圓O半徑為1，P點(diǎn)的極坐標(biāo)為(θ,ρ)，P點(diǎn)為三角形ABC重心，則根據(jù)三角形重心性質(zhì)可知又因?yàn)锳P＝1-ρ所以可得線段OD長度滿足如下公式：

由此可得三角形三個(gè)頂點(diǎn)極坐標(biāo)分別為：

其中α＝arccos(OD)，且運(yùn)算過程中所有角度范圍皆為[0,2π]。當(dāng)P點(diǎn)位于單位圓圓心時(shí)，P點(diǎn)角坐標(biāo)可由運(yùn)動的光標(biāo)前一時(shí)刻P⁰的角坐標(biāo)決定。

通過式(4)即可求得三角形頂點(diǎn)位置，該位置上的圖像是由圓環(huán)上相近的兩個(gè)波段圖像線性混合而成，其混合方法也使用圖3所示方法。假設(shè)三角形頂點(diǎn)之一落于點(diǎn)A，即在image1與image4之間的圓弧上，那么A點(diǎn)的圖像即由image1及image4線性混合而成，混合系數(shù)a，b分別滿足式(1)和式(2)。

②兩點(diǎn)確定法。

當(dāng)有一個(gè)預(yù)定點(diǎn)存在時(shí)，如圖3(b)，P點(diǎn)確定了一條與P點(diǎn)所在半徑垂直的弦，且垂足為P，弦與圓的兩個(gè)交點(diǎn)與預(yù)設(shè)定點(diǎn)組成了一個(gè)三角形，這三點(diǎn)所代表的圖像即決定了可視化顯示時(shí)的輸出圖像。由圖3(b)可知B點(diǎn)和C點(diǎn)極坐標(biāo)可表示為：

其中α＝arccosρ，角度范圍皆轉(zhuǎn)換至[0,2π]。三個(gè)點(diǎn)的圖像混合方法同為圖4所示。

③一點(diǎn)確定法。

當(dāng)已有兩個(gè)預(yù)定點(diǎn)存在時(shí)，光標(biāo)P只需再確定一個(gè)在圓上的點(diǎn)即可。因此，如圖3(c)所示，該點(diǎn)可設(shè)為在圓O內(nèi)部過P點(diǎn)的半徑在圓上的交點(diǎn)，即點(diǎn)C。之后，分別將確定的該點(diǎn)與另外兩個(gè)預(yù)定點(diǎn)通過式(1)和式(2)求出三幅融合圖像，這三幅圖像即將用于可視化顯示。

(3)確定輸出圖像(單通道灰度圖像/三通道彩色圖像)。

經(jīng)由上述方法確定的混合圖像結(jié)合已知的預(yù)定點(diǎn)一同作為輸出圖像的三信道信息用以顯示。

步驟四，所述的在彩色空間顯示方法如下：

經(jīng)上述步驟確定的單波段或三波段圖像隨即將用于彩色空間中以獲得輸出的圖像。本發(fā)明在RGB彩色空間進(jìn)行可視化顯示。通過之前的步驟獲得了三幅單波段圖像，這三幅圖像在RGB彩色空間進(jìn)行顯示之前需要經(jīng)過歸一化。歸一化后的三幅圖像組成一幅彩色圖像，這幅彩色圖像可作為輸出圖像，或者使用者也可選用圖像增強(qiáng)等方法對該圖像進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明用最簡單的亮度及對比度變換來增強(qiáng)彩色圖像。

本發(fā)明輸出的交互界面如圖4所示，左邊圓形表示交互界面，右側(cè)顯示輸出圖像。交互界面由一個(gè)半徑為1的單位圓形組成，圓形邊界上等距排列了一組節(jié)點(diǎn)，圖4中，空心圓表示節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一幅‘選擇’的圖像，圓內(nèi)實(shí)心點(diǎn)代表光標(biāo)位置，圓上灰色點(diǎn)代表預(yù)定點(diǎn)。

在光標(biāo)激活前，輸出圖像顯示為歸一化后的灰度圖像image 1。在交互界面點(diǎn)擊鼠標(biāo)后，光標(biāo)激活，此時(shí)光標(biāo)位置的改變將直接影響輸出圖像的變化。當(dāng)激活的光標(biāo)落于圓形內(nèi)部時(shí)，在交互式過程中圓內(nèi)會出現(xiàn)相應(yīng)的三角形，該三角形三個(gè)頂點(diǎn)所表示的圖像即為輸出圖像的三個(gè)信道。當(dāng)激活的光標(biāo)落于顯示圖像區(qū)域時(shí)，此時(shí)輸出圖像使用相位保持的動態(tài)范圍壓縮算法。而當(dāng)光標(biāo)落于其他區(qū)域時(shí)，輸出為顯示為單信道的雙波段融合圖像。

光標(biāo)在交互界面激活后，右側(cè)輸出圖像將根據(jù)光標(biāo)位置的移動而相應(yīng)地變化。此時(shí)，使用者可根據(jù)輸出圖像的變化趨勢調(diào)整光標(biāo)位置以達(dá)到更佳的輸出效果。如果沒有預(yù)設(shè)定圖像數(shù)據(jù)，可利用三點(diǎn)確定法粗略觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大概情況，找到最佳輸出圖像結(jié)束操作，或者確定一到兩個(gè)預(yù)設(shè)定點(diǎn)，進(jìn)而使用兩點(diǎn)確定法或一點(diǎn)確定法進(jìn)行進(jìn)一步顯示。預(yù)設(shè)定點(diǎn)也可在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)情況隨時(shí)調(diào)整。

為了說明本發(fā)明的有效性，共對三組HSI進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為印第安納州農(nóng)林地物(Indiana Pines)、莫菲特地區(qū)圖像(Moffet)和薩利納斯地區(qū)圖像(Salinas)。三組數(shù)據(jù)皆已經(jīng)過校正及去除高噪聲波段，其PCA降維后偽彩色圖像顯示結(jié)果分別如圖4所示。這五組數(shù)據(jù)皆將在matlab平臺下被用于驗(yàn)證所提出方法的有效性。

①多幅單模態(tài)圖像

為驗(yàn)證方法的有效性，選用PCA方法對印第安納州農(nóng)林地物和莫菲特地區(qū)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，保留前六個(gè)主要成分，作為用以輸出的有用圖像。本實(shí)驗(yàn)將根據(jù)相關(guān)性越高的兩幅圖像相距越遠(yuǎn)，對有用圖像進(jìn)行排序，兩組數(shù)據(jù)獲取的有用圖像及其排序結(jié)果如圖6所示，其從圖6的(a)-圖6的(f)依次為Image 1-Image 6。信息篩選及節(jié)點(diǎn)圖像排序之后，分別對四組數(shù)據(jù)進(jìn)行交互可視化顯示。

將以上數(shù)據(jù)應(yīng)用于本發(fā)明的方法中，所得到的顯示結(jié)果如圖7所示，其中右側(cè)為輸出圖像，左側(cè)為交互界面，空心點(diǎn)代表節(jié)點(diǎn)圖像，實(shí)心點(diǎn)為光標(biāo)，圓中內(nèi)切三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的位置決定了三信道圖像的混合方式，而這些圖像隨后將用于RGB彩色空間進(jìn)行顯示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)圖像確定后，光標(biāo)位置將決定該系統(tǒng)的輸出圖像，其結(jié)果可由使用者對其進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。如圖8和圖9所示。

②多模態(tài)圖像

篩選信息過程，并非僅能使用一種處理方法對原HSI進(jìn)行處理，而是可以結(jié)合多種數(shù)據(jù)處理結(jié)果對原數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示。在這節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，將同時(shí)使用PCA，分類，解混，雙邊濾波融合以及所有波段加權(quán)和的數(shù)據(jù)處理結(jié)果對薩利納斯地區(qū)圖像(Salinas)進(jìn)行顯示。圖10即為薩利納斯地區(qū)圖像(Salinas)經(jīng)信息篩選獲得的節(jié)點(diǎn)圖像，從(a)-(i)分別為Image 1-Image 9。圖10為薩利納斯地區(qū)圖像(Salinas)多種類圖像使用三點(diǎn)確定法的可視化結(jié)果?？梢?，當(dāng)光標(biāo)位置不同時(shí)，輸出圖像表達(dá)的信息將產(chǎn)生變化。例如，當(dāng)光標(biāo)控制的三角形其中一個(gè)頂點(diǎn)接近Image 5或Image9時(shí)，輸出圖像能夠?qū)ο鄳?yīng)類別突出顯示，此時(shí)通過調(diào)節(jié)混合圖像不同的混合比例，突出顯示類別的程度也不同。當(dāng)光標(biāo)接近雙邊濾波圖像Image 6-Image 8時(shí)，輸出圖像的邊界信息則更為清晰。同時(shí)，從圖11可以看出，輸出圖像中各地物的顏色也在隨著光標(biāo)位置的變化而變化。

圖10中，(a)光譜加權(quán)和,(b)-(d)PCA,(e)部分地物解混結(jié)果，(f)-(h)雙邊濾波融合結(jié)果，(i)某類別分類結(jié)果。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)可以看出，本發(fā)明可根據(jù)使用者的需要對HSI進(jìn)行有目的的信息挖掘，交互界面便于使用者操作，能表述更多的信息，且可對不同種類的信息組合顯示，本發(fā)明不僅可以用于高光譜圖像，還可對其他類別的圖像信息進(jìn)行顯示，如多光譜圖像，方向?yàn)V波器輸出圖像，不同聚焦圖像，同空間區(qū)域不同時(shí)間圖像，同空間區(qū)域不同傳感器獲取的圖像等。而在對其他類別的圖像信息進(jìn)行顯示時(shí)，也可用于圖象間的比較和對比。通過變化圖像更容易確定地物；變化趨勢不同的地物色彩能夠更加突出不同的地物類別。同時(shí)，在某些混合波段下無法顯示的特征在其他組合中將會更好的顯示；此外還可以根據(jù)需要調(diào)整整體色調(diào)。觀察者通過改變光標(biāo)位置，能夠更容易地確定最佳輸出圖像，同時(shí)，該圖像中用以混合的圖像及其混合系數(shù)也較容易確定。本發(fā)明是一種可以突出顯示某地物或類別的可視化方法。