Alta U9000圖像數(shù)據(jù)由16位到8位的轉(zhuǎn)換

原玉磊，席 靚，鄭 勇

（1.解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，鄭州 450052；2.海軍航空工程學(xué)院科研部，山東 煙臺(tái) 264001）

A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)是CCD相機(jī)一個(gè)重要的指標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)(bit)的多少直接影響到影像質(zhì)量。A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)位越多，采樣精度就越高，D/A 還原后的信號(hào)失真就越小；同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，灰度或色彩數(shù)量越多，影像的層次就越豐富。目前，民用CCD的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)一般為8位，但高級(jí)的也達(dá)到了12位，而科學(xué)級(jí)CCD的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)一般為16位甚至更高[1-2]。

雖然科學(xué)級(jí)CCD圖像的位數(shù)已經(jīng)達(dá)到了16位，但是我們一般在Windows 上編程顯示獲取或處理后的圖像都是8位的[3]，因而需要將16位圖像轉(zhuǎn)換到8位圖像。本文對(duì)此進(jìn)行了探索和研究，介紹了2種可行的轉(zhuǎn)換方法，并通過(guò)實(shí)際圖像處理分析了這2種方法的適用性，針對(duì)16位圖像中有效信息區(qū)間確定的問(wèn)題，提出了基于直方圖的確定算法，并通過(guò)對(duì)科學(xué)級(jí)CCD Alta U9000圖像的研究，證明了該算法的有效性。

1 直接轉(zhuǎn)換法

將16位圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位圖像數(shù)據(jù)，最簡(jiǎn)單的方法就是直接轉(zhuǎn)換法。其思路是將16位圖像的直方圖壓縮為8位圖像的直方圖，如圖1所示。

圖1 直接轉(zhuǎn)換法

具體實(shí)現(xiàn)上，可以將16位圖像數(shù)據(jù)的灰度值直接除以28，以將其轉(zhuǎn)換到8位圖像的灰度區(qū)間中，其計(jì)算公式為

式(1)中：G(i,j)為16位圖像中i行、j列的像素的灰度值；g(i,j)為轉(zhuǎn)換后的8位圖像中i行、j列的像素的灰度值。

直接轉(zhuǎn)換法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但沒(méi)有考慮不同圖像的特殊性。當(dāng)圖像的有效信息充滿整個(gè)16位的灰度區(qū)間時(shí)，采用直接轉(zhuǎn)換法只是對(duì)圖像的灰度層級(jí)壓縮，并沒(méi)有損害圖像整體的對(duì)比度。但當(dāng)圖像的有效信息為16位灰度區(qū)間中很小一段的時(shí)候，采用直接轉(zhuǎn)換法將會(huì)極大地?fù)p害圖像的對(duì)比度，致使圖像失真。特別地，當(dāng)16位圖像中有效信息的灰度層級(jí)小于256的時(shí)候，采用直接轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換圖像，將使得轉(zhuǎn)換后的圖像有效信息的灰度級(jí)為1個(gè)或2個(gè)。這時(shí)，圖像只有一種灰度，以致完全失真。而且，這種情況下，轉(zhuǎn)換后的圖像其大部分的灰度層級(jí)都留給了原始16位圖像中的無(wú)效信息，造成了灰度層級(jí)的大量浪費(fèi)。

2 區(qū)間轉(zhuǎn)換法

為避免直接轉(zhuǎn)換法的缺點(diǎn)，本文提出區(qū)間轉(zhuǎn)換法。即將原始16位圖像中的有效信息區(qū)間轉(zhuǎn)換到8位圖像的灰度層級(jí)中，而將原始圖像中的無(wú)效信息刪除掉，思路如圖2所示。

圖2 區(qū)間轉(zhuǎn)換法

當(dāng)已知原始圖像的有效信息區(qū)間時(shí)，將該區(qū)間的下限及以下的灰度值全部賦值0，將該區(qū)間的上限及以上的灰度值全部賦值為255，然后將該有效信息區(qū)間內(nèi)的灰度值線性地縮放到8位圖像的灰度層級(jí)中，其計(jì)算公式為：

式(2)中：Gmin為有效信息區(qū)間的下限灰度值；Gmax為有效信息區(qū)間的上限灰度值。

以我們拍攝的一幅星空?qǐng)D像為例，由于目標(biāo)點(diǎn)光強(qiáng)很弱，且不同星點(diǎn)間的光線在CCD 上成像的亮度相差不大，星空?qǐng)D像有效信息的灰度非常接近，所占的灰度區(qū)間很小。星空?qǐng)D像的灰度直方圖如圖3a)所示，幾乎為一條豎直的線。

圖316 位星空?qǐng)D像的直方圖

分析圖3a)，其有效信息大部分在1 300的灰度級(jí)左右[4-5]。因此，將該直方圖中1 100到1 500的灰度區(qū)間單獨(dú)拿出來(lái)，如圖3b)所示。

從這里可以看出，該星圖有效信息的灰度區(qū)間為1 230到1 350，其他的均為無(wú)效信息。因此，轉(zhuǎn)換中，只使用該區(qū)間內(nèi)的信息即可。

為了比較直接轉(zhuǎn)換法與區(qū)間轉(zhuǎn)換法，分別用式(1)、(2)計(jì)算轉(zhuǎn)換后8位圖像的像素灰度，轉(zhuǎn)換后的8位圖像如圖4所示。其中，圖4a)為采用直接轉(zhuǎn)換法的轉(zhuǎn)換圖像，圖4b)為采用區(qū)間轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換的圖像，采取的轉(zhuǎn)換區(qū)間為灰度級(jí)1 230到1 350。

圖4 轉(zhuǎn)換后的8位星空?qǐng)D像

由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)直接轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換后的8位圖像大部分是全黑的，幾乎沒(méi)有任何有效信息；而經(jīng)過(guò)設(shè)置區(qū)間為1 230到1 350的區(qū)間轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換后，圖像保留了清晰的星點(diǎn)信息。

分析上面2種方法轉(zhuǎn)換后的8位圖像的灰度直方圖，如圖5所示。其中，圖5a)為直接轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換的圖像的直方圖，圖5b)為區(qū)間轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換后圖像的直方圖。通過(guò)與圖3的比較，直接轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換后圖像灰度值大部分被壓縮在10以內(nèi)，而區(qū)間轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換后圖像的直方圖基本保留了原始圖像的灰度信息。其中，中間部分橫坐標(biāo)上的點(diǎn)是由于選擇的有效信息區(qū)間小于256，致使在部分灰度級(jí)上像素個(gè)數(shù)為0，使得對(duì)應(yīng)的直方圖上的點(diǎn)落到了橫坐標(biāo)上。

圖5 轉(zhuǎn)換后8位圖像的直方圖

3 區(qū)間范圍的確定

區(qū)間轉(zhuǎn)換法的關(guān)鍵是確定轉(zhuǎn)換的區(qū)間，即16位原始圖像有效信息的灰度區(qū)間。對(duì)于不同的圖像，該轉(zhuǎn)換區(qū)間也應(yīng)不同。因而有必要設(shè)計(jì)一種根據(jù)不同圖像自動(dòng)尋找該轉(zhuǎn)換區(qū)間的算法。

考慮到圖像的無(wú)效信息都是出現(xiàn)在直方圖的兩端，即灰度層級(jí)較高和較低的部分，而這部分灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)很少，因而可以通過(guò)分析直方圖來(lái)確定有效信息區(qū)間。一種可行的方法是，分別從直方圖的兩端開始搜索，直到搜索到像素個(gè)數(shù)達(dá)到一定值的灰度級(jí)，則從最高級(jí)灰度開始的搜索的灰度級(jí)即為有效區(qū)間的上限，從最低灰度開始的搜索的灰度級(jí)即為有效區(qū)間的下限。考慮到原始圖像的灰度直方圖是連續(xù)的，則有

式(3)中：H (gmin)為原始圖像中灰度值為gmin的像素的個(gè)數(shù)；N為一個(gè)給定的值，用于過(guò)濾無(wú)用信息的像素個(gè)數(shù)。

如何確定式(3)中的N？在理論上，灰度值在無(wú)效信息區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)應(yīng)該為0，因而N可以設(shè)置為1。但實(shí)際上由于噪聲點(diǎn)的存在，灰度值在無(wú)效信息區(qū)間內(nèi)的像素的個(gè)數(shù)并不為0。而不同的CCD、不同的曝光時(shí)間，獲取圖像中的噪聲點(diǎn)個(gè)數(shù)也不同，因而N的值要視CCD的噪聲特性和圖像的曝光時(shí)間而定[6-7]。

在這里，我們分析了Alta U9000相機(jī)的噪聲特性。為了計(jì)算噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)，在關(guān)閉快門的情況下，獲取不同曝光時(shí)間的圖像數(shù)據(jù)[8-10]。由于輸入光強(qiáng)為0，因而圖像數(shù)據(jù)均為噪聲數(shù)據(jù)。計(jì)算不同曝光時(shí)間下，不同灰度值的噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如圖6所示。

圖6 不同曝光時(shí)間U9000圖像不同大小噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)

圖6a)為灰度值在3 000到5 000和5 000以上的像素的個(gè)數(shù)，圖6b)為灰度值在1 500到2 000和2 000到3 000的像素個(gè)數(shù)。當(dāng)曝光時(shí)間達(dá)到26 s的時(shí)候，灰度值在3 000以上的像素個(gè)數(shù)仍不超過(guò)250個(gè)，而灰度值在1 500～2 000的像素個(gè)數(shù)則急劇增加。

對(duì)于上面處理中用到的星空?qǐng)D像，其曝光時(shí)間為2 s，因而灰度值1 500以上的噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)不超過(guò)200。但考慮到實(shí)際成像時(shí)，由于有光線輸入，因而相同灰度級(jí)的噪聲點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)大大增加，故N的取值應(yīng)大于200，但不宜太大，這里取為500。根據(jù)式(3)可以計(jì)算有效信息區(qū)間的上限為1 330，下限為1 250，與圖3對(duì)比可知，該區(qū)間是比較準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論

關(guān)于16位圖像到8位圖像的轉(zhuǎn)換，本文介紹了2種方法：直接轉(zhuǎn)換法和區(qū)間轉(zhuǎn)換法。直接轉(zhuǎn)換法比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但是并沒(méi)有考慮到原始圖像中的無(wú)效信息，當(dāng)原始圖像中無(wú)效信息較少的時(shí)候，可以應(yīng)用直接轉(zhuǎn)換法。

當(dāng)原始圖像中的無(wú)效信息較多時(shí)，為了更充分地利用8位圖像有限的灰度層級(jí)，應(yīng)該使用區(qū)間轉(zhuǎn)換法。該方法剔除了原始圖像中的無(wú)效信息，保留了有效信息，盡可能使轉(zhuǎn)換后的圖像保持原始圖像的信息和對(duì)比度。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)原始圖像中的有效信息區(qū)間較小時(shí)，該方法明顯好于直接轉(zhuǎn)換法。

根據(jù)原始圖像的特點(diǎn)，本文給出了一種確定原始圖像中有效信息區(qū)間的方法。該方法的使用同圖像中亮噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)密切相關(guān)。為此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了科學(xué)級(jí)CCD Alta U9000相機(jī)在關(guān)閉快門的情況下，不同曝光時(shí)間的圖像中各種亮度噪聲點(diǎn)的個(gè)數(shù)。并根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算用U9000 拍攝的星空?qǐng)D像的有效信息區(qū)間，通過(guò)與原始圖像直方圖的對(duì)比，證明計(jì)算的有效信息區(qū)間是正確的。

[1]米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006:14-17.

[2]DENNIS DI CICCO.Apogee’s Alta U9000 CCD camera[J].Sky &Telescope,2007,23(7):109-110.

[3]何斌,馬天予,王運(yùn)堅(jiān),等.Visual C++數(shù)字圖像處理[M].北京:人民郵電出版社,2001:6-14.

[4]原玉磊,席靚,張文郎.星點(diǎn)圖像的目標(biāo)提取算法研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,25(6):649-652.

[5]APOGEE.Apogee Alta U9000 high light[EB/OL].[2007-07-01].http://www.Apogee.com.

[6]原玉磊,朱永興,鄒亮,等.CCD圖像星點(diǎn)質(zhì)心不同提取算法的應(yīng)用分析[C]//2010年測(cè)繪學(xué)院第五屆博士生學(xué)術(shù)論壇論文集.鄭州:信息工程大學(xué),2010:108-111.

[7]APOGEE.Apogee instruments COM API specification[EB/OL].[2007-04-01].http://www.Apogee.com.

[8]王書宏,胡謀法,陳曾平.天文CCD相機(jī)的噪聲分析與信噪比模型的研究[J].半導(dǎo)體光電,2007,28(8):731-734.

[9]韓采芹,李華,朱順一,等.不同光照條件下CCD相機(jī)時(shí)間噪聲和空間噪聲的研究[J].應(yīng)用光學(xué),2008,29(2):207-210.

[10]丁曉華,李由,于起峰,等.CCD 噪聲標(biāo)定及其在邊緣定位中的應(yīng)用[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(1):100-104.