Векторизация изображения

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экономики природопользования и кадастра

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Электронная картография»

на тему: «Векторизация изображения»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. ГК-503

Кармазиненко Э.А.

Проверил:

доц. Шевченко О.Ю.

 

 

 

Ростов-на-Дону

2014

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Общая характеристика векторизации изображения………………………..4

1. Понятие и принципы векторизации изображения……………..4
2. Этапы и методы векторизации изображения…………………5

2. Программное обеспечение векторизации изображения…………………..12

1. Автоматическая векторизация CorelDRAW 12……………….13
2. Программное обеспечение AutoCAD Raster Design………….18
3. Программное обеспечение Easy Trace………………………...20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В наше время в мире информационных технологий с каждым днем появляется все большее количество задач, решение которых переносится на компьютер. Решение любых задач на компьютере пока представляет собой большой комплекс вычислений по заданным алгоритмам.

Областью применения алгоритма могут быть пакеты графических редакторов (векторно-растровые) и различные геоинформационные системы (ГИС). Особенно актуален алгоритм векторизации именно для ГИС, так как процесс составления и формирования цифровых карт очень трудоемкий и, как правило, этот процесс ручного (экспертного) происхождения.

В ГИС решение задачи векторизации осуществляется с помощью специальных программ. Их назначение – это обработка растровой карты местности с целью извлечения полезной информации об объектах на карте и сохранения этой информации в специальных векторных форматах данных на любом виде носителя или в базах данных.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕКТОРИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

 

1.1. Понятие принципы векторизации изображения

 

Векторизация растрового изображения - преобразование растровой графики в векторную. В растровой графике каждый объект или элемент изображения формируется при помощи точек (пикселей). Векторная графика - это точное математическое описание каждого элемента. Это главное различие между растровыми изображениями и картинками, выполненными в векторной программе.

Плюсы и минусы векторной и растровой графики

Преимущество растровой графики - это возможность создания рисунка любой сложности, с какими только возможно цветовыми переходами.

Из недостатков - это большой объем графических файлов и изменения размера изображений с потерей качества.

 Основные преимущества  векторного изображения:

- возможность точно создать  и описать объект;

- возможность масштабирования  и редактирования объекта без

 потери качества изображения

Рис. 1. Приближение изображения растровой и векторной графии

Преобразование пиксельного изображения в векторное (векторизация или трассировка), в подавляющем большинстве случаев требует не просто вмешательства, а творческого участия. К устройствам, непосредственно фиксирующим векторные изображения, относятся: графопостроители используемые в основном в конструкторских бюро и режущие плоттеры.

Векторным изображением в компьютерной графике принято называть совокупность более сложных и разнообразных геометрических объектов. Важнейшая особенность векторной графики состоит в том, что для каждого объекта (или, как мы будем более точно говорить далее, класса геометрических объектов) определяются управляющие параметры, конкретизирующие его внешний вид. Например, для окружности такими управляющими параметрами являются диаметр, цвет, тип и толщина линии, а также цвет внутренней области. Векторное изображение существенно более гибко в работе. Чтобы увеличить или уменьшить его, требуется всего лишь изменить один управляющий параметр изображения в целом — масштаб. При этом размер файла с векторным изображением не увеличится ни на один байт.

1.2. Этапы и методы векторизации изображения

 

Термин «векторизация» подразумевает процесс преобразования растрового вида информации в векторный формат, который воспринимают программы автоматизированного проектирования. Естественно, векторный формат более точно передает графическую информацию и более компактен, чем растровый. Кроме того, любое редактирование растровых файлов крайне затруднительно и требует больших затрат компьютерных ресурсов и времени оператора.

В мире до настоящего момента пока не придумали единого алгоритма векторизации растровых изображений. Это объясняется тем, что существует много условий как на входные форматы и виды растровых изображений, используемых в различных областях жизнедеятельности человека, так и на форматы выходных векторных данных. У каждой известной ГИС имеется свой набор стандартов и сфер деятельности, для которых и создаются векторизаторы.

В случае нашей задачи описания обобщенного алгоритма ограничимся самыми простыми изображениями растровой карты. Изображение состоит из множества областей различного цвета, эти области выглядят как многоугольники выпуклого или невыпуклого вида. Шум на изображении отсутствует или игнорируется. Пример такого изображения приведен на рисунке 2.

Рис. 2. Пример растрового изображения карты местности

В связи с такой интерпретацией данных о карте можно выделить следующие этапы преобразования растра в его векторное представление:

– загрузка растра (дисковые или другие операции);

– настройка изображения;

– выделение контуров и «крайних» точек областей;

– группировка точек одной области, формирование многоугольника (вектора);

– корректировка;

– формирование векторного формата.

Некоторые типы изображений требуют предварительной настройки. Настройка – это процесс обработки исходного растрового изображения с целью приведения его к такому виду, который предполагает конкретный алгоритм векторизации. Различают следующие виды настроек:

– ручная настройка в растровом графическом редакторе (экспертная);

– автоматическая настройка с применением графических фильтров и методов обработки;

– комбинированная настройка.

Ручная настройка производится экспертом, знакомым с ограничениями векторизации. Эксперт вручную редактирует растр, например он выделяет оставшиеся после сканирования нечеткие линии и прорисовывает их более четко. Он также может изменять соотношения контраста и яркости всего изображения, удалять шум.

Автоматическая настройка – определенная заранее последовательность графических фильтров, применяемых к обрабатываемому изображению. В результате такой обработки предполагается получить требуемое растровое изображение.

Комбинированная настройка – результат синтеза двух предыдущих в зависимости от специфики проблемы.

Выделение контуров областей и крайних точек – следующий этап, необходимый для предварительного выделения точек которые описывают эти области. Но полученный результат не даст информации о том, какая группа точек описывают заданную область, ведь замкнутых областей одного цвета на изображении может быть сколько угодно (рис. 3). Для того чтобы решить эту проблему, нужно придумать способы по упорядочиванию точек одной области и определению их принадлежности к той или иной области.

     

Рис. 3.  Пример выделения контуров областей и крайних точек

Группировка точек решает проблему упорядочивания и принадлежности. Алгоритмы, которые позволяют это делать, очень разнообразны и в общем случае сводятся к следующим возможным решениям: обход контура; построение выпуклой оболочки; кластеризация.                              

Метод обхода контура является одним из самых популярных алгоритмов. Он прост в реализации, достаточно быстр и эффективен. В результате обработки алгоритмом растра могут быть получены списки «крайних» точек, а также всех остальных точек контура; в порядке направления обхода контура. Эти точки формируют многоугольники, описывающие области карты. Другие методы в этой работе не рассматриваются из-за их сложности.

Корректировка служит для удаления «лишних» многоугольников. Слово «лишние» говорит об избыточности информации. Обычно в таких задачах есть некоторые ограничения на количество областей, их линейные размеры и т.д. Для нас таким критерием служат линейные размеры областей.

Формирование векторного формата – конечный этап, на котором решаются дополнительные задачи. Сюда относят нахождение различных статистических характеристик как всего изображения, так и характеристик некоторых областей. Полученную векторную и другую (дополнительную) информацию заносят в определенную структуру данных, которая сохраняется на носителях и используется в дальнейшем сторонними приложениями. Такая структура определена заранее.

Существует 3 метода векторизации изображения:

1. При автоматической векторизации нужно только задать параметры и запустить процедуру. Программа сама определит, какие растровые линии нужно аппроксимировать отрезками, дугами, а что является растровым текстом. Профессиональные пакеты автоматической векторизации, распознают типы линий размерные стрелки, штриховки, тексты. Они проводят коррекцию полученного векторного рисунка: сводят концы векторных объектов, выравнивают их по ортогональным направлениям и т.д. При высоком качестве исходного изображения можно получить очень хорошие результаты автоматической векторизации. Такой метод векторизации также используется при пакетной обработке набора растровых файлов, что дает возможность провести обработку большого объема материалов без участия оператора, например, в нерабочее, ночное время. Но, как правило, программное обеспечение не может на сто процентов правильно векторизовать растровое изображение. Эту процедуру лучше всего использовать как компонент процесса преобразования, а не как общее решение. Для получения качественного векторного изображения требуется достаточно большая доработка.
2. Интерактивная векторизация (трассировка) - один из наиболее перспективных методов преобразования. При трассировке оператор указывает растровые линии на экране, и они преобразуются в векторные объекты. Этот метод позволяет совместить интуитивное знание пользователя с автоматизированным процессом преобразования. Средства трассировки позволяют оператору разделить объекты растрового изображения по значению и преобразовать только то, что необходимо. Вот пример использования такой технологии. При обработке растрового изображения топографической карты сначала превращаем растровые изолинии в векторные полилинии. Оператор указывает точку на растровой линии, а программа прослеживает эту линию до ближайшего пересечения или разрыва и создает аппроксимирующую векторную ломаную - полилинию. Затем процесс повторяется. После этого каждой полилинии можно присвоить значение высоты и получить трехмерную модель
3. Гибридная технология сочетает возможности растрового и векторного редактирования и предоставляет средства преобразования растра в вектора и векторных объектов в растр. Изображения, с которыми работают гибридные редакторы, обычно состоят из графики двух видов: полученных при сканировании растровых данных и векторных объектов. Симбиоз растровых данных и векторных объектов дал качественно новые возможности обработки сканированных изображений. Пусть нам надо изменить радиус растровой окружности (левая часть иллюстрации). Указываем ее курсором, и она превращается в векторный круг, - так работают средства интерактивной векторизации гибридного редактора Spotlight (средняя часть иллюстрации). Меняем радиус векторной окружности (правая часть иллюстрации). Затем окружность можно растеризовать. Радиус окружности изменен, чертеж остался полностью растровым. Если же не растеризовать векторный объект, то чертеж можно сохранить как гибридный (растрово-векторный) файл. При следующем редактировании пользователь заменит еще несколько растровых объектов на векторные. Пройдя несколько стадий редактирования, чертеж постепенно становится векторным. В конечном итоге его можно доработать и получить чисто векторное изображение. Такой естественный, последовательный процесс векторизации, которая происходит как бы сама по себе, возможен именно благодаря гибридной технологии.

Гибридная технология стала возможна в результате разработки алгоритмов локального распознавания геометрических примитивов. С их помощью программа с высокой скоростью, не проводя анализа большого участка изображения, идентифицирует растровую линию как отрезок, дугу или окружность. Это дает возможность реализовать интерактивные операции, которые проводятся без ощутимых задержек. Подобные алгоритмы используются и при работе средств интеллектуального растрового редактирования.

Механизм работы интеллектуальных средств в упрощенном виде можно проиллюстрировать на примере выполнения операции выбора и удаления растровой окружности. Чтобы произвести такую операцию, пользователь указывает курсором окружность, и она выбирается вся, несмотря на то, что пересечена другими растровыми линиями. При этом средства объектного выбора не только выделяют растровые точки, которые составляют окружность, но и дублируют все ее пересечения с другими объектами. Поэтому при стирании окружности, пересекавшие ее раcтровые линии не будут разорваны. Таким образом при работе с растровой окружностью достигается полная аналогия выбора и удаления векторной окружности инструментами САПР.

Процесс выбора можно представить себе как перенос всех точек растровой окружности на отдельный слой с восстановлением пресеченных объектов (иллюстрация рядом).

Гибридная технология дает возможность использовать сканированные чертежи почти сразу и вносить изменения с минимальными затратами времени. Повышение качества и исправление деформаций растра, интеллектуальный выбор, замена текстов, других деталей растрового чертежа на векторные объекты - это тот набор операций, который в подавляющем большинстве случаев решает главную практическую задачу - выпуск новой версии технической документации. Причем эти операции может произвести даже специалист не очень высокой квалификации, и последующая проверка его работы минимальна - ведь большая часть сканированного чертежа остается неизменной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЕКТОРИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

 

Для оцифровки может использоваться следующее программное обеспечение:

1. При ручной оцифровке (растр используется в качестве подложки) Autovec - приложение под AutoCAD R12 и R14. Позволяет откоректировать растр по тикам. В 14-ом ACADMAP для этого может помочь (откоректировать растр) всего одна команда, которой для этого и пользуемся. В autovece есть возможность автоматической (выделяешь рамкой область- она сама оцифровывается) оцифровки линий, но долго надо подбирать параметры и можно вообще не подобрать.
2. Полуавтоматический способ оцифровки. Сюда относиться: