基于改进Mask掩膜的航空影像匀光研究

毛玉龙，郭海京

（1.东莞市虎门镇规划管理所，广东 东莞 523899；2.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

基于改进Mask掩膜的航空影像匀光研究

毛玉龙1，郭海京2

（1.东莞市虎门镇规划管理所，广东 东莞 523899；2.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

针对航空影像亮度和反差分布不均匀现象，首先将原始航空影像进行频率域的低通滤波，获得可以反映影像亮度分布状况的背景影像；然后将原始影像与背景信息进行 Mask掩膜运算，得到亮度分布均匀的结果影像。在此过程中，使用缩小影像代替原始影像用于背景影像的生成，可在不影响影像质量的同时大幅提高生成背景影像的效率。

航空影像；影像匀光；Mask掩膜

由于航摄一个测区往往需要数小时、数天甚至更长时间，加之摄影处理等诸多条件影响[1-3]，若不对原始影像或镶嵌后影像进行亮度、灰度等差异的一致性处理，将难以进行信息判读和提取。对原始影像进行匀光匀色，使其在纹理、亮度、反差及色彩一致性上保持较好的特征，保证镶嵌后影像色彩过渡自然、可读性良好，便于正射影像图发挥更好的作用[4,5]。

1 Mask掩膜匀光法原理

Mask匀光法是用密度或色彩随位置缓慢变化的半透明薄膜作为遮光板，这张影像模糊的透明正片称为Mask[6]。将正片和负片按轮廓线叠加在一起进行晒像，得到一张反差较小而密度比较均匀的相片，然后用硬性相纸晒印，增强相片的总体反差，得到晒印的光学相片。数字航空影像的匀光处理仿效胶片影像处理的过程，先构造一个针对待处理影像的数字遮光板，然后用构造好的遮光板“晒印”影像，从而实现数字影像的匀光处理。

Mask匀光法使得影像中的大反差减小，小反差增大，以实现反差基本一致，相邻细部反差增大，从而得到一张照度与颜色均匀、反差适中的相片。

根据Mask匀光原理，光照不均匀的数字航空影像可以采用如下数学模型进行描述：I'( x, y )=I ( x, y ) +B ( x, y ) (1)式中，I'( x, y )表示实际的不均匀光照影像；I( x, y )表示理想条件下光照亮度均匀的影像；B( x, y )表示背景影像。

按式（1），不均匀光照的影像可以看成是由受光均匀的影像叠加了一个背景影像的结果，获取的影像存在不均匀光照现象是由背景影像的不均匀造成的。如果能够很好地模拟出背景影像，将其从原影像中减去,就可以得到光照均匀的影像。然后进行拉伸处理增大相邻细部反差，同时提高整张影像的总体反差，就可以消除单幅影像的色彩不平衡[7,8]。

2 Mask掩膜匀光法处理流程

单幅航空影像的匀光处理大致可分影像预处理、背景影像生成、Mask掩膜运算和后期处理4个部分（图1）。

2.1 影像预处理

图1 Mask掩膜匀光流程

1）对影像进行裁边。数字化的航空影像中往往含有黑色边框，如果边框作为有效像素参与到匀光处理中，会对影像特别是影像边框附近区域的匀光效果产生影响[9]。所以在进行匀光处理前，要先裁去黑色边框，使得参与匀光计算的像素都是真实地物的成像结果。

2）色彩空间变换。对于彩色航空影像的匀光处理，需要对影像进行色彩空间变换。将RGB空间的彩色影像变换到IHS空间，提取IHS空间影像的I分量，单独对其进行匀光处理，其过程与黑白影像匀光处理流程一样。这样做既能保护彩色影像的色彩信息，又能将对彩色影像的匀光问题简化为对彩色影像I分量进行匀光。

2.2 背景影像生成

背景影像生成流程见图2。通过重采样对图像进行缩小，必然会降低图像的分辨率[10]。但匀光处理过程中所需要的背景图像只需要反映照度的变化，不反映影像的细节，所以不需要很高的分辨率，用缩小影像代替原始航空影像来模拟背景影像是可行的。

在进行二维图像的频率域低通滤波处理时，其计算复杂度为：

式中，x、y为图像的尺寸。

图像尺寸的改变会对频率域低通滤波的计算复杂度产生很大的影响。因此，利用缩小的图像进行傅立叶变换和频率域的低通滤波，使得背景影像生成的计算复杂度大大降低，对快速生成背景影像非常有利。

图2 背景影像生成流程图

3 实验分析

图3 a为原始航空影像，影像的中部区域较亮，四角亮度偏低，整幅影像内部亮度不均匀；图3b为利用本文方法处理后得到的结果影像。结果影像的光照效果得到明显改善，影像四角部分的亮度得到明显提升，整体亮度已基本趋于一致。

图3 航空影像的内部匀光

表1对原始影像和匀光结果影像的左上、右下、中部、左下、右下和整体区域的各通道分别进行数学统计，5个局部区域，每块的大小为原影像的1/9。从表中统计值可以看出，原影像各区域的均值不平衡，中部均值较大，左上和右上均值较小，说明原始影像的光照分布不均匀。与原始影像相比，匀光结果影像各部分的均值已趋于一致，各区域的均值与整体均值相差不大。这说明经过影像内部的匀光处理，光照分布得到明显改善。在标准差方面，结果影像比原始影像有所提高，说明影像反差有了一定的增强[11]。在信息熵方面，结果影像与原始影像相比稍有降低，但是程度不大，说明影像内部的匀光处理会对影像的信息量造成较小损失。在清晰度方面，匀光结果影像与原始影像相比，影像的各个部分和整体的平均梯度都得到较大提升，说明结果影像的整体和细部的反差有一定程度的增强。

表1 Mask掩膜匀光效果评价

图4a为利用原始影像进行傅立叶变换、高斯滤波和傅立叶反变换后生成的背景影像；图4b为利用原始影像的缩小影像进行傅立叶变换、高斯滤波和傅立叶反变换之后又放大到原始尺寸的背景影像。其中原始影像的尺寸为3 000×3 074，缩小影像的尺寸为1 000×1 025，即将原始影像的宽度和高度均缩小到原来的1/3。

图4中2幅背景影像的目视效果几乎没什么差异。为了更加客观地证明使用缩小影像代替原始影像生成背景影像的可行性，本文分别对2幅背景影像的局部和整体进行数学统计，见表2。

P237.3

B

1672-4623（2015）03-0133-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.046

2014-12-31。