專利名稱：彩色地質像的交互式矢量化方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及圖像處理與模式識別領域，特別是涉及一種彩色地質像的交互式 矢量化方法及其系統。
背景技術：
目前我國許多大中型礦產由于地質儲量枯竭成為資源危機性礦山，但這些礦山許 多是由于地質勘查工作投入不夠，在其深部及其外圍資源潛力不清所致。為解決這些礦產 資源危機問題，我國立專項進行危機礦山外圍及深部礦產資源勘查工作。目前此項工作正 在全國幾十個危機礦山全面實施。危機礦山外圍及深部礦產資源找礦的突破關鍵在于隱伏 礦床三維立體定位預測的實現，成功的隱伏礦床三維立體定位預測，既依賴于新的理論和 勘探技術方法，又依賴于使用先進計算機及信息技術，對危機礦山地質勘查工作獲取的多 方法信息資料，進行集成、綜合。危機礦產地質勘探資料數據包括了從礦山勘探發現和開采 后補充勘探等幾十年的資料，同時新的危機礦山找礦工作也會產生大量的基礎信息，這些 信息資料涵蓋了地質、地球物理、地球化學、遙感和深部勘探等多專題的數據；同時，危機礦 山地質勘探工作要求在三維立體空間進行，即從空中、地表、地下進行探測，形成全空間的 立體三維數據。隨著危機礦山找礦工作的深入，對于已經獲取的三維空間多元地質勘查數 據的有效管理，和在此基礎上的儲量估算處理，無疑將對危機礦山外圍及深部礦產資源找 礦工作起到重要的推動作用。危機礦產地質勘探資料圖件矢量化，就是危機礦山三維信息 評價系統的第一步。所以，開發出先進實用的彩色地質像交互式矢量化組件能有效地 為危機礦山三維信息評價系統服務。空間數據模型是關于現實世界中空間實體及其相互間聯系的概念，它為描述空間 數據的組織和設計空間數據庫模式提供基本方法。空間數據模型主要有兩種，即基于對象 (要素)(Feature)的模型、場(Field)模型。基于對象(要素)的模型強調了離散對象 (矢量方法強調了離散現象的存在，由邊界線(點、線、面)來確定邊界，因此可以看成是基 于要素的)，根據它們的邊界線以及組成它們或者與它們相關的其它對象，可以詳細地描述 離散對象，矢量模型的表達源于原型空間實體本身，通常以坐標來定義，一個點的位置可以 二維或者三維中坐標的單一集合來描述。一條線通常由有序的兩個或者多個坐標對集合來 表示。場模型(柵格數據模型是基于連續鋪蓋的，它是將連續空間離散化)表示了在二維 或者三維空間中被看作是連續變化的數據。基于柵格的空間模型把空間看作像元(Pixel) 的劃分，每個像元都與分類或者標識所包含的現象的一個記錄有關。像元與“柵格”兩者都 是來自圖像處理的內容，其中單個的圖像可以通過掃描每個柵格產生。GIS中柵格數據經常 是來自人工和衛星遙感掃描設備中，以及用于數字化文件的設備中。地質圖模式識別技術是一種智能技術，是一門有關計算機科學、數字圖像處理、計 算機視覺、模式識別和人工智能等學科的綜合性技術。它是研究如何使計算機實現人對地 質圖的閱讀和理解，探討采用機器模擬人類視覺系統，以及模擬人腦對視覺信息的分析判 決過程。它可以從二維數字掃描圖像中提取目標的色彩、形狀和語義信息，并通過對特征信息的處理與分析，完成對不同地質圖模式的分類決策，獲取地質圖要素的質量意義。地質 圖模式識別是傳統地質圖制圖邁向數字地質圖制圖的一座橋梁，因此，地質圖模式識別代 表了當前地質圖制圖領域發展的前沿和主攻方向。它與遙感技術、地理信息系統一起，被稱 為現代地圖制圖的三大技術。地質圖模式識別技術是實現掃描方式地質圖自動數字化的 核心，對地質圖數據庫的建立以及GIS數據的快速采集、更新等領域，具有重大的意義和價 值。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種彩色地質像的交互式矢量化方法 及其系統，用于識別彩色地質像中顏色趨于一致的、寬度一定的、連通的線劃。為了實現上述目的，本發明提供了一種彩色地質像的交互式矢量化方法，其 特征在于，包括步驟一，確定彩色地質像中的光標位置，從該光標位置開始獲取與該光標位 置處色差相近的線劃，并根據線劃寬度控制能被識別的線劃；步驟二，去除所述被識別的線劃兩側邊緣的毛刺，填充內部的孔洞，得到粗線劃；步驟三，應用細化算法對所述粗線劃進行細化；步驟四，對細化處理后的單像素寬、八連通的中間線骨架進行線劃跟蹤獲取所述 矢量串，對所述矢量串進行抽稀處理得到頂點坐標串；步驟五，根據所述頂點坐標串生成Shapefile線文件，并將所述彩色地質圖矢量 化后的Shapefile線文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其中，所述步驟一中，進一步包括將所述光標位置處的像素顏色值由RGB顏色空間轉換到均勻顏色空間，并通過 CIE 1976 Lab色差公式、CMC (l:c)色差公式或CIE DE2000色差公式獲取與所述光標位置 處色差相近的線劃的步驟。所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其中，所述步驟三中，進一步包括通過跟蹤到線劃端點或線劃交叉點停止線劃跟蹤的步驟。所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其中，所述步驟四中，所述線劃跟蹤 的步驟具體包括獲取所述中間線骨架的像素坐標，所述像素坐標對應于在所述彩色地質像的 矩陣中的行、列號，以一定的屬性值標記所述像素坐標的坐標值，并將同屬性的目標像素記 錄在同一個坐標串中，形成所述矢量串。所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其中，所述步驟五中，進一步包括通過仿射變換、類似變換或投影變換，將所述彩色地質圖矢量化后的Shapefile 文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系的步驟。為了實現上述目的，本發明還提供了一種彩色地質像的交互式矢量化系統， 其特征在于，包括線劃識別模塊，用于確定彩色地質像中的光標位置，從該光標位置開始獲取 與該光標位置處色差相近的線劃，并根據線劃寬度控制能被識別的線劃；去刺補孔模塊，連接所述線劃識別模塊，用于去除所述被識別的線劃兩側邊緣的毛刺，填充內部的孔洞，得到粗線劃；線劃細化模塊，連接所述去刺補孔模塊，用于應用細化算法對所述粗線劃進行細 化；線劃跟蹤模塊，連接所述線劃細化模塊，用于對細化處理后的單像素寬、八連通的 中間線骨架進行線劃跟蹤獲取所述矢量串；抽稀處理模塊，連接所述線劃跟蹤模塊，用于對所述矢量串進行抽稀處理得到頂 點坐標串；坐標系轉換模塊，連接所述抽稀處理模塊，用于根據所述頂點坐標串生成 Shapefile線文件，并將所述彩色地質圖矢量化后的Shapefile線文件由屏幕坐標系變換 到現實世界坐標系。所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其中，所述線劃識別模塊將所述光 標位置處的像素顏色值由RGB顏色空間轉換到均勻顏色空間，并通過CIE 1976 Lab色差公 式、CMC(l:c)色差公式或CIE DE2000色差公式獲取與所述光標位置處色差相近的線劃。所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其中，所述線劃跟蹤模塊通過跟蹤 到線劃端點或線劃交叉點停止線劃跟蹤。所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其中，所述線劃跟蹤模塊通過獲取 所述中間線骨架的像素坐標，所述像素坐標對應于在所述彩色地質像的矩陣中的行、 列號，以一定的屬性值標記所述像素坐標的坐標值，并將同屬性的目標像素記錄在同一個 坐標串中，形成所述矢量串。所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其中，所述坐標系變換模塊通過仿 射變換、類似變換或投影變換，將所述彩色地質圖矢量化后的Shapefile文件由屏幕坐標 系變換到現實世界坐標系。與現有技術相比，本發明的技術效果在于本發明提供了一種通過識別彩色地質像中線劃信息，并提取出線劃的頂點坐 標串，最終生成矢量線的方法，此方法能夠識別彩色地質像中顏色趨于一致的、寬度一 定的、連通的線劃。本發明屬于彩色地質像模式識別，主要用途是識別彩色地質像 中線劃信息，并提取出線劃的頂點坐標串，最終生成矢量線。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1是本發明彩色地質像的交互式矢量化方法流程圖；圖2是本發明彩色地質像的交互式矢量化系統結構圖；圖3是原始彩色地質像；圖4是本發明設定色差值28. 37和寬度值7后提取的線劃；圖5是本發明設定色差值28. 37和寬度值2后提取的線劃；圖6是本發明對線劃去刺補孔后得到的粗線劃；圖7是本發明對粗線劃進行細化后的線劃；圖8是本發明跟蹤線劃記錄坐標串并抽稀得到的頂點坐標。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的技術方案作進一步更詳細的描述。本發明涉及到彩色地質像交互式矢量化的方法，就是彩色地質像模式識 別，識別對應的柵格圖像中線劃信息，并提取出線劃的頂點坐標串，最終生成矢量的線。人 機交互矢量化也叫半自動矢量化，它利用人機交互，在操作員鼠標的引導下，依靠計算機對 線狀要素矢量化方向進行判斷并采集數據，其速度比人工矢量化要快。此方法能夠識別彩 色地質像中顏色趨于一致的、寬度一定的、連通的線劃，為實現這一目的，在本發明的 技術方案中，首先確定彩色地質像中光標位置的像素顏色值(RGB空間)，然后將此顏 色值由RGB顏色空間轉換到CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間，再與此光標位置的八連通域 像素值(CIE 1976 L*a*b*均勻顏色空間)進行色差計算(色差公式使用CIE DE2000色差 公式)，小于某一色差值D，則記錄此像素坐標位置(i，j)，同時在記錄上像素坐標位置后， 計算記錄的粗線劃的寬度W，如果W小于用戶預定義的寬度LineWidth，則繼續查找，否則停 止計算。在獲得線劃后(即記錄上符合條件的像素坐標位置)有必要進行“去刺補孔”操 作，去除線劃兩側邊緣的毛刺，填充線劃內部的孔洞。在經過上面三個步驟之后，識別到了 粗線劃，應用基于數學形態學的細化算法細化后，得到粗線劃的中間線骨架。接下來進行線 劃跟蹤，是將細化處理后的單像素寬、八連通的中間線骨架以相應的矢量串表示。矢量化的 核心就是線劃跟蹤，線劃跟蹤的任務是獲取中間線骨架的像素坐標(x，y)，(x,y)對應于該 像素在圖像矩陣的行、列號(i，j)，并且以一定的屬性值標記這些坐標值，將同屬性的目標 像素記錄在同一個坐標串中，形成矢量串，從而實現從圖像柵格數據格式到矢量數據格式 的轉換。線劃跟蹤的停止條件是跟蹤到線劃端點和線劃交叉點。抽稀處理是對跟蹤出來的 矢量串在確保矢量化線劃形狀不變的條件下，最大限度的減少線劃上點的個數，去除線劃 上的非特征點，以達到壓縮的目的。然后根據抽稀后的矢量串生成Shapefile線文件。在 整幅彩色地質像矢量化完畢后，應用仿射變換、類似變換、投影變換中的一種方法，將 整幅彩色地質像矢量化后的Shapefile文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。如圖1所示，為本發明彩色地質像的交互式矢量化方法流程圖，詳細步驟如 下步驟S101 在彩色地質像中，首先確定該圖像中光標位置的像素顏色值(RGB 空間)，從光標位置像素開始計算，獲得與此光標位置像素色差相近的線劃信息。該步驟中，判斷兩種顏色是否相近，此方法中應用了 CIE 1976 Lab均勻顏色空間。 在這個顏色空間里，各個不同顏色區域的數值變化必須與眼睛對顏色的感覺一致，相同的 數值變化對應相同的顏色差別感覺。滿足這個條件的顏色就稱為顏色感覺上的均勻顏色 空間。為實現均勻顏色空間的顏色比較，需對數據進行色差計算，所用的色差公式包括CIE 1976 Lab色差公式、CMC(l:c)色差公式、CIE DE2000色差公式。在均勻顏色空間里，各個不同顏色區域的數值變化必須與眼睛對顏色的感覺一 致，相同的數值變化對應相同的顏色差別感覺。滿足這個條件的顏色就稱為顏色感覺上的 均勻顏色空間。目前采用的是CIE 1976 Lab均勻顏色空間，及其對應的色差公式來衡量兩 種顏色的差異性。在CIE色度圖上每一點都代表一個確定的顏色。但對人眼來說，當顏色的坐標位 置變化很小時，不能感覺其變化，認為是原來的顏色。由此可見，每一顏色雖然在色度圖上占一個點的位置，但對視覺來說，它實際上是一個范圍，這叫顏色的寬容量。研究證明它的 形狀是橢圓，在色度圖的不同位置上顏色的寬容量的大小和長軸方向都不同。藍色部分的 寬容量最小，也就是說，人眼對藍色的辨別力強，當坐標值略有變化時視覺就能察覺出顏色 的變化。而綠色部分的寬容量最大。在色度圖上端的寬容量橢圓的長軸與y軸坐標方向近 于一致，而下端則與X軸較為接近。沿長軸方向坐標值要較大變化視覺才能感覺到顏色的 變化，而沿短軸則反之。從這一點來看CIE色度圖并不是理想的色度圖。因為圖上的色度 空間在視覺上是不均勻的，它不能反映顏色的視覺效果。理想的色度圖應使每一種顏色的 寬容量都接近圓形，并且大小也較一致。為此CIE制定了 CIE 1960均勻色度標尺圖(CIE 1960 Uniform Chromaticity-ScaleDiagram, CIE 1960 UCS 圖)。在表示色差方面，CIE 1960均勻色度標尺圖比CIE 1931色度圖有了明顯的改進。 但在圖上沒有明度坐標，這對計算色差很不方便。所以，在1964年又提出了 CIE 1964均勻 顏色空間。在此坐標系中除了引用UCS坐標系的色坐標外還引入了亮度值，這一坐標用U*、 V*、W*表示。其中U*、V*代表色度指數，W*代表明度指數。為了進一步統一評價顏色的差 別方法，CIE在1976年又推薦了兩個顏色空間及有關色差公式。這兩個顏色空間分別為CIE 1976(L*u*v*)空間和 CIE 1976(L*a*b*)空間，其中 L* 是明度。在 CIE 1976(L*u*v*)空間
中的橫坐標為u'，縱坐標為v'。由x、y坐標轉換為u'、v'坐標可用下列公式
) 為了使物體色在知覺上具有均勻空間，并反映出大于閾值小于孟塞爾顏色系統所 表示的色差，CIE推薦了第二個均勻顏色空間L*a*b*。L*a*b*均勻顏色空間是由一個明度 因數L和兩個色度因數a、b組成的，L從0到100，a從紅色變化到綠色，b從黃色變化到藍 色，它們的值在-120 120之間。式中，X、Y、Z分別為CIE 1931標準色度學系統的三刺激值，Xn、Yn、Zn為觀察樣品 時使用的照明光源所對應的標準照明體三刺激值，通常規定印刷業使用d65或D5(i為標準照 明體。照明體D65和D5(l的三刺激值Xn、Yn、Zn以及色品坐標值，列于表1中。上述公式適用 于顏色不太暗的情況，即滿足
分別大于0. 008856的條件。一般而言，絕 大多數四色印刷形成的。下表1描述了照明體D65或D5(i視場三刺激值及色品坐標值。
顏色都能滿足這個條件。但是，當三刺激值中的某一項不滿足這個條件時，該公式 應該如何使用卻往往沒有詳細的說明，在計算較暗顏色時就會出現問題。事實上，該公式還 有更普遍的表達形式明度 其中 上式為分段函數，以0. 008856為臨界點，在中、亮調區為立方根函數，在暗調區為 線性函數。f(x/xn)、f(Y/Yn)、f(Z/Zn)在臨界點的0. 008856處有銜接情況。當X/Xn、Y/Yn 和 Z/Zn 等于臨界值 0. 008856 時，f (X/Xn)、f (Y/Yn)、f (Z/Zn)在 0. 2069 處相接。當 X/Xn、Y/ ￥ 和 Z/Zn 等于 0 時，f(X/Xn)、f (Y/Yn)、f (Z/Zn)不等于 0，而是等于 0. 1379。CIE 1976 Lab 色差公式在與顏色感覺一致的均勻顏色空間內，2個顏色樣品之間的色差表示為其坐標點 之間的距離，即
式中，ai，和L2，a2, b2分別是2個樣品的坐標值[38]。色差公式的幾何意義，是在均勻顏色空間以標準色樣的坐標點為中心的一個橢 球，其在L，a，b三個方向的半軸長分別為(L「L2)，(ara2)和(b「b2)。若規定橢球內的顏 色滿足色差容限的要求，則橢球外的顏色與標準色樣的色差超出了色差容限范圍，便不滿 足色差的要求。總色差還可以分解為明度差、色調差和飽和度差等3個感覺分量。由于顏 色的明度差為 根據飽和度公式可得顏色的彩度差 進而得到色調差公式從 Ah*ab的符號取決于2個樣品的色調角度差(h\bl_h\b2)。如果該角度差為正，則 Ah*ab為正值；如果該角度差為負，Ah*ab也為負值。由此，總色差又可以表述為明度差、色 調差和彩度差的形式 進而又可推導出 CMC(l:c)色差公式CMC是英國顏色測量委員會名稱(the Society's Color MeasurementCommittee) 的縮寫。CMC色差公式雖未被CIE推薦為標準，但卻是目前工業上廣泛采用的計算色差方 法，CIE DE2000色差公式就是在此基礎上改進得到的[38]。通過修正CIE 1976 Lab色差 公式，CMC色差公式使各色調方向的色差橢圓大小可根據視覺的關系進行改變，比如在紅色 區域的橢圓比較瘦長，在綠色區域則比較圓；同時可改善飽和度差隨明度的變化關系，給予 飽和度不同的顏色以不同的色差容限，色差容限隨飽和度的增加變大，反之則減小。CMC色差公式為如下形式 SL, Sc, SH分別為明度差、彩度差和色調差的權重函數，可由下式計算 式中 值得說明的是，在表示色差時，應該指出計算所用的1和c值，通常寫為 A E*cmc (1 c)形式。例如，使用1 = 2和c = 1計算得到的色差，應該表示為A E*cmc (2:1)。CIE DE2000 色差公式由于CIE 1976 Lab均勻顏色空間和色差公式仍然存在缺陷，國際照明委員會一直 在尋找更理想的公式。在CIE LAB和CIE 94等色差公式的基礎上，通過大量視覺實驗和色 差評估實驗，于2001年正式推薦一個最新的色差公式，并命名為CIE 2000 ( A L'，AC'， AH')色差公式，通常簡稱為CIE DE2000。在國際照明委員會的出版物CIE 142-2001《工 業色差評估的改進》中，向全世界公布了這個新的色差公式，并計劃通過一年至一年半的貫 徹、推廣、應用和修正，最終成為CIE和ISO的國際標準。CIE DE2000色差公式的完整表述形式如下 A V = kE A 'Eqo 式中，A V為被感知的色差，AE00為用CIE DE2000計算的總色差，稱kE_l為總色 差的視覺敏感度。對于一般工業應用，可以不考慮總色差的視覺敏感度，而直接使用總色差 AE00來表示色差感覺。式中的AL'、AC'、AH'分別表示明度差、彩度差和色調差，并按下列各式計 算
式中腳標b和s分別表示顏色樣品和標準色樣。Ah' =hb' -hs'，是色調 角之差；L' =L*(CIE 1976 明度)；a' =a*(l+G)，b' =b*(CIE 1976 色度)；C'= sqrt(a2+b2),h' = 180/Ji Cretan (b' /a' )，G為紅綠軸的調整因子，是彩度的函數 式中，C*ab是根據顏色樣品和標準色樣計算出的CIE 1976 Lab彩度平均值。權 重函數、se、SH用來校正顏色空間的均勻性，可分別用下列各式計算 0.015(Z"'-50)2
^20 + (L'-50)2
^ =1 + 0.045C'
sH =i + o.oi5cr
分別表示用CIE DE2000公式計算的顏色樣品和標準色樣明度、彩度和色
11調角的算術平均值。RT稱為旋轉函數，用來校正藍色區域色分辨橢圓主軸方向的偏轉Rt = -sin (2 A e )RC上式中，A 0是由色調決定的旋轉角度，Re是根據彩度變化的旋轉幅度，分別由下 列各式計算 式中的參數因子&、ke、kH是與使用條件相關的校正系數，它們是影響色差感覺的 因素。CIE給定了一組標準觀測條件，如表2。在此標準觀測條件下，& = 1^ = ^=1。若 不符合此條件時，則要根據工業色差評估條件來確定這些系數的值。下表2給出了計算色差的標準觀測條件 步驟S102 在獲得與光標位置色差相近的線劃過程中，能夠控制所識別線劃的寬 度(LineWidth，用戶預定義的寬度，單位是像素)。計算已識別的粗線劃的寬度W，W小于 Lineffidth值的粗線劃能夠被識別，W大于等于LineWidth值的粗線劃認為是背景信息，不 被識別。計算線劃寬度的方法已知1、某一圖像中的粗線劃；2、一個邊長為LineWidth的正方形。如果能將“邊 長為LineWidth的正方形”完全放入“粗線劃”內，則粗線劃的寬度W大于等于LineWidth， 否則粗線劃的寬度W小于LineWidth。“完全放入”的意思是邊長為LineWidth的正方形中 的每一個像素，均在粗線劃中，即“粗線劃”包含“正方形”。步驟S103 在滿足步驟S101中的條件1)(即小于某一色差)和步驟S102中的條 件2)(小于LineWidth值)兩個條件所識別的線劃后，進行“去刺補孔”操作，去除線劃兩
12側邊緣的毛刺，填充線劃內部的孔洞。步驟S104 在經過上面步驟S101-步驟S103三個步驟之后，識別到了粗線劃，應 用基于數學形態學的細化算法細化后，得到粗線劃的中間線骨架。數學形態學(Mathematical Morphology)是一門應用于圖像處理和模式識別領域 的新興科學，其歷史可回溯到19世紀的Euler，Steiner，Crofton和本世紀的Minkowski， Matheron和Serra。1964年，法國的G. Matheron和J. Serra在積分幾何的基礎上，將數學 形態學引入圖像處理領域，并研制了基于數學形態學的圖像處理系統。此后，他們又在法國 建立了“楓月白露數學形態學研究中心”，在該中心的學者和其他各國研究人員的共同努力 下，數學形態學得到了不斷的豐富和發展，成為一種新型的圖像處理的理論和方法。1982 年，J. Sem的專著《圖像分析與數學形態學》問世后，數學形態學在圖像處理、模式識別和計 算機視覺等領域引起廣泛的重視和應用，這些應用反過來又促進它的進一步發展。在計算 機視覺、信號處理與圖像分析、模式識別、計算方法與數據處理等領域，數學形態學都取得 了許多非常成功的應用。在計算機圖像處理的許多方面，如圖像增強、分割、恢復、邊緣檢 測、紋理分析、顆粒分析、骨架化、形狀分析、壓縮及細化等，都獲得了廣泛的應用。目前，數學形態學已由二值形態學、灰度形態學、軟數學形態學、模糊形態學發展 到模糊軟形態學，在圖像處理領域得到了越來越廣泛的應用。數學形態學理論是一門建立 在嚴格的數學理論基礎之上，最基本的數學理論基礎是積分幾何和隨機集論，同時還涉及 到拓撲學、現代概率論、近世代數和集論、圖論等一系列數學分支，是一門綜合了多學科知 識的交叉學科。作為一種新型的數字圖像分析的方法和理論，數學形態學在圖像的分析處 理應用中，數學形態學提供了基于形狀的處理方法，獲得了廣泛的應用。其主要內容是設計 一套概念和變換運算，用以描述圖像的基本特征或基本結構，亦即圖像的各個像素或各個 部分之間的關系，易于實現對數字圖像的處理、識別和理解。它通過運用特定領域的形態變 換來完成圖像的幾何特征分析，形態變換通過選擇已知結構的較小圖像特征集合一結構元 素與目標的相互作用來實現。它最基本的思想是把圖像看成是點的集合，用結構元素對其 進行移位、交、并等集合運算就構成形態學的各種處理算法。其中結構元素也是由點的集合 構成的，如線性、圓形、矩形、三角形，它相當于一種圖像的“探針”，在圖像中不斷地移動結 構元素，便可研究各個部分的關系。結構元素，是人們為理解和處理一個復雜的圖像，獲取所需的信息而設計的一種 結構簡單、形狀規則的圖像單元。結構元素作為圖像幾何形狀的探針，在運算變換中處于主 導地位。形態變換有膨脹和腐蝕兩種基本運算，由這兩種運算可推導出其它運算，常用的運 算還有開運算、閉運算、擊中、薄化和厚化運算。基于這些基本運算還可以推導和組合成各 種數學形態學實用算法。通過這些基本運算的適當組合，成為一種新的運算處理模式，往往 能獲得需要的圖像處理效果。數學形態學運算的基本理論和基本運算數學形態學是由一組形態學的代數運算子組成。最基本的形態學運算子有腐蝕 (Erosion)，膨脹(Dilation)、開(Opening)和閉(Closing)。通過這些運算子的組合可以 進行圖像形狀和結構的分析及處理。1.結構元素為了確定目標圖像的結構，必須逐個地考察圖像各部分之間的關系并進行檢驗，最后將得到一個各部分之間關系的集合。在考察圖像各部分之間的關系時，需要設計一種 收集信息的“探針”即“結構元素”或“結構矩陣”在圖像中不斷移動結構元素，就可以考察 圖像各部分之間的關系。2.腐蝕和膨脹運算對一個給定的目標圖像x和一個結構元素s，將s在圖像上移動，在每一個當前位 置X，若S[x]與x最大相關即S[X]eX。滿足此條件的點X的全體構成了結構元素與圖像的 最大相關點集。稱這個點集為S對X的腐蝕，記為 與腐蝕相反，可以把x中的每一個點x擴大為S [x]，即膨脹運算，記為
。此式 定義為
關 。腐蝕和膨脹的代數性質對偶性 單調性 遞減(增)性 交換律 腐蝕運算沒有交換性，即 結合律 平移不變性 3.開運算與閉運算在腐蝕和膨脹兩個基本運算的基礎上可以構造出形態學運算族。開運算和閉運算 是其中兩個最為重要的組合運算。開運算 開運算具有反擴張性，即開運算的結果總算包含在原圖像中。開運算可以通過計 算所有可以填入圖像內部的結構元素平移的并求得。即對每一個可填入位置作標記，計算 結構元素平移到每一個標記位置時的并運算，便可得到開運算結果。開運算是采用相同的 結構元素對圖像先進行腐蝕運算再進行膨脹運算，開運算可以去掉圖中的一些孤立域和毛 刺以及凸出部分，使圖像更加平滑，而總的位置和形狀不變。閉運算 閉運算沿圖像的外邊緣填充，去除了凸向圖像內部的尖角，填平縫隙，彌合孔洞和 裂縫，能去掉圖像上的小孔和凹部，使斷線連接，而總的位置和形狀不變。
開、閉運算的代數性質
對偶性
(X‘0 S)‘一X。S
(X‘。S)‘一X 0 S
收縮性
單調性
如果工(J’，那么
X．S巨X’。s
如果召
那么
平移不變性
XLh]0 S一(X 0 S)[h]
7]] XLh]。S一(X。S)[h]
X 0 S[h]一X 0 S
X。S[h]一X。S
等冪性
(X 0 S)0 S—X 0 S
(X。S)。S—X。S
4．擊中／擊不中變換
設X是被研究的圖像，S是結構元素，而且S由兩個不相交的部分Sl和S2組成，即S—S1 U S2且Sl門S2一①。X被S“擊中”的結果定義為
X被S擊中的結果仍然是一個圖像，其中每個點p必須同時滿足兩個條件Sl被p平移后包含在X內，而且S2被p平移后不在X內。
擊中運算還有另外一種表達式
上式表明，X被S擊中的結果相當于X被Sl腐蝕的結果與X被S2的反射集S2膨脹的結果之差。
數學形態學的圖像細化算法
一幅圖像中的一個3×3區域，對各點標記名稱Pl，P2．．．．．P8，其中Pl位于中心(如下所示)。
如果PI = 1(即黑點)，下面四個條件如果同時滿足，則刪除PI (PI =0)。(1)2 ^ NZ(P1) ^ 6 ；(2)Z0(P1) = 1 ；(3)P2*P4*P8 = 0 或者 Z0(P1)乒 1 ；(4) P2*P4*P6 = 0 或者 Z0 (P4)乒 1。對圖像中的每個點重復這一步驟，直到所有的點都不可刪除為止。下圖5-2是三 種不能刪除的特殊情況。
步驟S105 進行線劃跟蹤，是將細化處理后的單像素寬、八連通的中間線骨架以 相應的矢量串表示。該步驟中，矢量化的核心就是線劃跟蹤，線劃跟蹤的任務是獲取中間線骨架的像 素坐標(x，y)，(x，y)對應于該像素在圖像矩陣的行、列號(i，j)，并且以一定的屬性值標記 這些坐標值，將同屬性的目標像素記錄在同一個坐標串中，形成矢量串，從而實現從圖像柵 格數據格式到矢量數據格式的轉換。矢量化的經典方法是輪廓跟蹤法，即把中間線骨架視作連通道路，進行連通道路的遍歷來把每個連通道路上的所有像素串接在一起，形成鏈串 式或坐標串。該方法是以前面一個邊緣點方向信息作指導，立足當前邊緣點，搜索前進，找 出一條完整輪廓曲線。每接受一個邊緣點，便賦予其方向標識，或記錄(i，j)坐標，使各個 邊緣點串連起來形成坐標串，停止跟蹤的條件是1、跟蹤到線劃端點；2、跟蹤到線劃交叉
點o步驟S106 抽稀處理是對線劃跟蹤出的矢量串在確保矢量化線劃形狀不變的條 件下，最大限度的減少線劃上點的個數，去除線劃上的非特征點，以達到壓縮的目的。該步驟中，從矢量串開始點依次篩選，排除冗余點。即以第一點為起點，計算第二 點到第一點和第三點所構成的直線的距離，如該距離大于某一閾值D，則保留第二點，并以 該點作為新的起點，計算第三點到第二點和第四點所構成的直線的距離；否則，去掉第二 點，仍以第一點為起點，計算原曲線上第三點到第一點和第四點所構成直線的距離。依次類 推，直至曲線上的最后一點。步驟S107 經過步驟S101到步驟S106，獲得了彩色地質像中線劃的頂點坐標 串，然后使用該頂點坐標串生成Shapefile線文件。步驟S108 應用仿射變換、類似變換、投影變換中的一種方法，將整幅彩色地質圖 矢量化后的Shapefile線文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。該步驟中，矢量化后的整張彩色地質圖必須轉換成現實世界坐標(如高斯-克里 格坐標系統、UTM坐標系統等)，才能用于Gis項目，因此在整幅彩色地質圖矢量化完畢后， 經常需要進行投影變換，以得到經緯度參照系下的彩色地質圖。幾何變換就是利用一套控制點和變換方程，將數字地質圖或圖像從一種坐標系轉 換成另一種坐標系的過程。幾何變換的一般過程。第一步，獲取控制點(tics)設備坐標 系下的值；第二步，獲取控制點(tics)的現實世界坐標系的值；第三步，選擇幾何變換的方 法，并進行變換。幾何變換有幾種方法(Taylor，1977)，各種方法的區別在于它能保持的幾 何性質，以及對目標的操作和改變。(1)仿射變換允許長方形角度變形，但保留線的平行性。(2)類似變換允許旋轉長方形，保持形狀不變，但不保持大小不變。(3)投影變換允許角度和長度變形，而使長方形變換成不規則四變形。在幾何校正中三個變換(仿射變換、類似變換、投影變換)的線性方程。仿射變換線性方程X，= Ax+By+CY' = Dx+Ey+F類似變換線性方程X，= Ax+By+CY，= -Bx+Ay+F投影變換表達為一對線性方程X，= (Ax+By+C)/(Gx+Hy+1)Y，= (Dx+Ey+F)/(Gx+Hy+1)利用最小二乘法，代入(X、Y)、(X’、Y’ )坐標對，用線性方程組求解出(Cholesky 分解法)系數。使用解出的系數，將整幅彩色地質圖矢量化后的Shapefile文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。如圖2所示，為本發明的彩色地質像的交互式矢量化系統結構圖，結合圖1所 示，該系統200的結構包括線劃識別模塊201，用于確定彩色地質像中的光標位置，從該光標位置開始獲 取與該光標位置處色差相近的線劃，并根據線劃寬度控制能被識別的線劃；具體地，線劃識 別模塊201將光標位置處的像素顏色值由RGB顏色空間轉換到均勻顏色空間，并通過CIE 1976 Lab色差公式、CMC (l:c)色差公式或CIE DE2000色差公式獲取與光標位置處色差相 近的線劃。去刺補孔模塊202，連接線劃識別模塊201，用于通過去刺補孔處理去除被識別的 線劃兩側邊緣的毛刺，并填充內部的孔洞，得到粗線劃；線劃細化模塊203，連接去刺補孔模塊202，用于應用基于數學形態學的細化算法 對粗線劃進行細化；線劃跟蹤模塊204，連接線劃細化模塊203，用于對細化處理后的單像素寬、八連 通的中間線骨架進行線劃跟蹤獲取矢量串；抽稀處理模塊205，連接線劃跟蹤模塊204，用于對線劃跟蹤出的矢量串進行抽稀 處理得到頂點坐標串；坐標系轉換模塊206，連接抽稀處理模塊205，用于根據頂點坐標串生成 Shapefile線文件，并將整幅彩色地質圖矢量化后的Shapefile線文件由屏幕坐標系變換 到現實世界坐標系。上述各模塊中所實現的具體功能可參見圖1中的相應步驟。下面結合圖1、圖2，進一步通過一個具體的例子來描述本發明的彩色地質像 的交互式矢量化的過程。1)在彩色地質像(圖3)中，從光標位置(19，8)開始計算，獲得與此光標位 置色差相近的線劃信息。為實現均勻顏色空間的顏色比較，需對數據進行色差計算，所用的 色差公式CIE DE2000色差公式。小于預定的色差值則被標記，如圖4所示，設定色差值為 28. 37和寬度值為7后提取的線劃，標記為斜線網格紋理10。2)在獲得與光標位置色差相近的線劃過程中，能夠控制所識別線劃的寬度 (LineWidth，用戶預定義的寬度)。計算已識別的粗線劃的寬度W，W小于LineWidth值的 線劃能夠被識別，W大于等于LineWidth值的粗線劃認為是背景信息，不被識別，如圖5所 示，設定色差值為28. 37和寬度值為2后提取的線劃，僅提取少部分線劃。3)在滿足條件1)(即小于某一色差)和條件2)(小于LineWidth值)兩個條件所 識別的線劃后，有必要進行“去刺補孔”操作，去除線劃兩側邊緣的毛刺，填充線劃內部的孔 洞。見圖6中去刺補孔后的線劃，與圖3中的原始彩色地質像對比可知，將帶孔帶刺的 線劃處理成了豐滿的粗線劃。4)在經過上面三個步驟1)、2)、3)之后，識別到了粗線劃，應用基于數學形態學的 細化算法細化后，得到粗線劃的中間線骨架。如圖7所示，細化后的線劃。5)線劃跟蹤，是指將細化處理后的單像素寬、八連通的中間線骨架以相應的矢量 串表示。線劃跟蹤的停止條件是跟蹤到線劃端點和線劃交叉點。抽稀處理是對線劃跟蹤出 的矢量串在確保矢量化線劃形狀不變的條件下，最大限度的減少線劃上點的個數，去除線劃上的非特征點，以達到壓縮的目的。如圖8所示，其中跟蹤線劃記錄坐標串并抽稀得到頂 點坐標，斜線網格紋理10為細化后跟蹤出的矢量串坐標，黑色20為抽稀后的頂點坐標串。6)將抽稀后的頂點矢量串生成Shapefile線文件。7)應用仿射變換、類似變換、投影變換，將整幅彩色地質圖矢量化后的Shapefile 線文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系(如高斯_克里格坐標系統、UTM坐標系統
等o本發明描述了通過識別彩色地質像中線劃信息，并提取出線劃的頂點坐標 串，最終生成矢量線的方法，此方法能夠識別彩色地質像中顏色趨于一致的、寬度一定 的、連通的線劃。本發明屬于彩色地質像模式識別，主要用途是識別彩色地質像中 線劃信息，并提取出線劃的頂點坐標串，最終生成矢量線。當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
一種彩色地質像的交互式矢量化方法，其特征在于，包括步驟一，確定彩色地質像中的光標位置，從該光標位置開始獲取與該光標位置處色差相近的線劃，并根據線劃寬度控制能被識別的線劃；步驟二，去除所述被識別的線劃兩側邊緣的毛刺，填充內部的孔洞，得到粗線劃；步驟三，應用細化算法對所述粗線劃進行細化；步驟四，對細化處理后的單像素寬、八連通的中間線骨架進行線劃跟蹤獲取所述矢量串，對所述矢量串進行抽稀處理得到頂點坐標串；步驟五，根據所述頂點坐標串生成Shapefile線文件，并將所述彩色地質圖矢量化后的Shapefile線文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。
2.根據權利要求1所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其特征在于，所述步 驟一中，進一步包括將所述光標位置處的像素顏色值由RGB顏色空間轉換到均勻顏色空間，并通過CIE 1976 Lab色差公式、CMC (l:c)色差公式或CIE DE2000色差公式獲取與所述光標位置處色 差相近的線劃的步驟。
3.根據權利要求1所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其特征在于，所述步 驟三中，進一步包括通過跟蹤到線劃端點或線劃交叉點停止線劃跟蹤的步驟。
4.根據權利要求1、2或3所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其特征在于，所 述步驟四中，所述線劃跟蹤的步驟具體包括獲取所述中間線骨架的像素坐標，所述像素坐標對應于在所述彩色地質像的矩陣 中的行、列號，以一定的屬性值標記所述像素坐標的坐標值，并將同屬性的目標像素記錄在 同一個坐標串中，形成所述矢量串。
5.根據權利要求1、2或3所述的彩色地質像的交互式矢量化方法，其特征在于，所 述步驟五中，進一步包括通過仿射變換、類似變換或投影變換，將所述彩色地質圖矢量化后的Shapefile文件 由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系的步驟。
6.一種彩色地質像的交互式矢量化系統，其特征在于，包括線劃識別模塊，用于確定彩色地質像中的光標位置，從該光標位置開始獲取與該 光標位置處色差相近的線劃，并根據線劃寬度控制能被識別的線劃；去刺補孔模塊，連接所述線劃識別模塊，用于去除所述被識別的線劃兩側邊緣的毛刺， 填充內部的孔洞，得到粗線劃；線劃細化模塊，連接所述去刺補孔模塊，用于應用細化算法對所述粗線劃進行細化； 線劃跟蹤模塊，連接所述線劃細化模塊，用于對細化處理后的單像素寬、八連通的中間 線骨架進行線劃跟蹤獲取所述矢量串；抽稀處理模塊，連接所述線劃跟蹤模塊，用于對所述矢量串進行抽稀處理得到頂點坐 標串；坐標系轉換模塊，連接所述抽稀處理模塊，用于根據所述頂點坐標串生成Shapefile 線文件，并將所述彩色地質圖矢量化后的Shapefile線文件由屏幕坐標系變換到現實世界 坐標系。
7.根據權利要求6所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其特征在于，所述線 劃識別模塊將所述光標位置處的像素顏色值由RGB顏色空間轉換到均勻顏色空間，并通過 CIE 1976 Lab色差公式、CMC (l:c)色差公式或CIE DE2000色差公式獲取與所述光標位置 處色差相近的線劃。
8.根據權利要求6所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其特征在于，所述線 劃跟蹤模塊通過跟蹤到線劃端點或線劃交叉點停止線劃跟蹤。
9.根據權利要求6、7或8所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其特征在于，所 述線劃跟蹤模塊通過獲取所述中間線骨架的像素坐標，所述像素坐標對應于在所述彩色地 質像的矩陣中的行、列號，以一定的屬性值標記所述像素坐標的坐標值，并將同屬性的 目標像素記錄在同一個坐標串中，形成所述矢量串。
10.根據權利要求6、7或8所述的彩色地質像的交互式矢量化系統，其特征在于， 所述坐標系變換模塊通過仿射變換、類似變換或投影變換，將所述彩色地質圖矢量化后的 Shapefi 1 e文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。
全文摘要
本發明公開了一種彩色地質像的交互式矢量化方法及其系統，其中該方法包括步驟一，獲取與該光標位置處顏色的色差相近的線劃，并根據線劃寬度控制能被識別的線劃；步驟二，去除被識別的線劃兩側邊緣的毛刺，填充內部的孔洞，得到粗線劃；步驟三，對粗線劃進行細化；步驟四，對細化處理后的單像素寬、八連通的中間線骨架進行線劃跟蹤獲取矢量串，對矢量串進行抽稀處理得到頂點坐標串；步驟五，根據頂點坐標串生成Shapefile線文件，并將Shapefile線文件由屏幕坐標系變換到現實世界坐標系。本發明能夠識別彩色地質像中顏色趨于一致的、寬度一定的、連通的線劃。
文檔編號G06K9/62GK101853514SQ20091008139
公開日2010年10月6日 申請日期2009年4月2日 優先權日2009年4月2日
發明者丁建華, 婁德波, 宋國璽, 張曉華, 李楠, 楊莎莎, 肖克炎, 鄒偉, 陳海燕, 顧燕 申請人:肖克炎;張曉華;宋國璽