论栅格图像矢量化方法及其研究进展.docx

论栅格图像矢量化方法及其研究进展　　论文关键词：栅格图像；矢量化；细化；非细化　　论文摘要：该文分析了栅格图像矢量化的常用方法存在的问题，介绍并简单评价了多种主要的改进方法，方便技术人员根据具体需要快速的选择合适的矢量化方法，最后，就栅格图像矢量化的研究方向给出了一些建议。　　1 引言　　计算机中图像文件的格式主要有两大类：一类是栅格图像文件格式，另一类是矢量图文件格式。在现代图像处理技术中，矢量图文件格式相对于栅格图像文件格式具有明显的优点。矢量化就是将栅格数据转换为矢量数据。国内外矢量化的研究始于20世纪70年代，栅格图像矢量化作为图像处理的一个重要分支，已经成为地理信息系统（GIS）、计算机辅助设计和制造时代（CAD/CAM）领域的关键技术。栅格图像矢量化方法的研究与改进具有非常重要的现实意义。　　2 经典的矢量化算法　　目前矢量化方法大致可分为两类，基于细化的方法和基于非细化的方法。　　1) 经典的基于细化的方法主要有：边界重复细化法、距离交换法和适当骨架化方法。这些细化方法的优点是能够保持线段的连续性，主要缺点是有很高的时间复杂度，丢失线宽信息，在交叉区域处以产生变形及错误的分支。　　2) 在基于非细化的方法中，主要有：基于轮廓线的方法，基于游码的方法，基于网格模式的方法以及基于稀疏像素的方法。① 由于基于轮廓线的方法在早期比较流行，但是此算法容易使连续矢量之间产生间隙。② 基于游码的方法能够保持线段的连续性并能保存线宽信息，但在游码图形显示过程中，容易产生噪声和引起交叉区域的变形。③ 基于网格模式的方法，由于只考虑网格边框上的图像信息，是研究问题得到相应的简化，但是网格的尺寸很难控制。此方法是用于所含线段直并且少的线图中。④ 基于稀疏像素的方法能够保存线宽以及精确的中心轴和端点，矢量化速度快。其不足之处在于不能对所有的交叉区域提供正确的处理。　　一个好的矢量化方法应该能保存线形信息例如线宽、区域交叉点、图像的拓扑结构等信息，同时还要求矢量化的速度比较快。总的来说各种矢量化方法都各有自身的优缺点，从矢量化效果上来说不具有通用性。　　3 基于细化的矢量化算法的改进　　目前比较普及的矢量化方法是基于细化的方法，细化又叫中轴变换(medial axis transformation)或骨架化(skeletonization)，是指在图像上对于宽度大于一个像素的粗线状目标，删除其轮廓像素，保留骨架像素的过程。　　作为基于细化的栅格图像矢量化过程中的一个重要技术环节，细化同样影响工作效率和结果的精度。所以很多改进方法是围绕着细化算法的改进展开的。本节将介绍几种基于细化矢量化方法的改进方法。　　3.1 保存节点拓扑的改进方法　　利用现有的矢量化软件，如：ArcGIS、ENVI、PCI等进行栅格图像矢量化时所获得的矢量图会出现一些岛和自交多边形，或者是一些连接关系杂乱无章的矢量线，而不是多边形。　　一种改进方法是以拓扑关系原理为指导，同时提取栅格图像中节点和坐标点以及所有的水平和垂直线段，目的是在提取骨架线的同时更好地从栅格数据获取节点信息，依据节点和线段两者信息共同来生成弧段，再由弧段生成多边形[1]。　　文献[2]对细化后的图像识别端点和节点信息，并用相同大小的参考图像记录节点信息，利用节点对应位置的像素值来表示节点类型，如值为1则表示端点，值为3则表示3链节点。在设计节点和骨架线的适量数据结构时，考虑到处理骨架线节点畸变和冗余的需要，记录节点坐标的同时还记录了相关的拓扑关系，如是否舍去，是否悬挂节点，节点连接线数，节点相关线的ID等。　　上述两种改进方法由于保存了节点的拓扑信息，在用于矢量面状地物的骨架线提取时，能够在一定程度上防止节点畸变并减少骨架线的冗余小分枝。　　3.2 基于数学形态学的改进方法　　数学形态学是一种新型的图像处理工具，研究人员利用数学形态学的薄化运算作为细化的基本运算模式。这种算法相对与经典的基于细化的方法具有明显的优点：可以实现并行运算，提高算法运算速度；可以较好的保持图像各图元间的拓扑结构特性。缺点是不能保持线段的连续性。这种基于细化的方法是近年来研究的一个热点。　　3.3 基于Freeman链码的矢量化方法改进　　基于细化的矢量化算法在对栅格图像进行细化提取了骨架线后，多数采用了基于Freeman链码的矢量化方法。文献[3]对基于Freeman链码的变步长矢量化方法进行改进，即要求初始步长（最小取样间隔）是2的N(N是非负整数)次幂，每次步长的改变量是上一步长的一半，直到步长的改变量为1并且链码中两点间任意像素点到这两点间弦线垂距满足大于等于最大允许垂线偏差的条件为止。这种改进算法减少了算法迭代次数，提高运算效率。　　4 基于非细化的矢量化算法的改进　　由于基于细化的矢量化方法普遍存在丢失线宽信息