5.3.1. Векторизация

 

Данные могут иметь векторное или растровое представление. Между векторными и растровыми изображениями имеется существенное различие, характерное именно для ГИС. Растровые изображения отображают поля данных ,т.е. носят полевой характер. Векторные изображения в ГИС, как правило, отображают геоинформационные объекты, те. носят объектный характер,

Операции преобразования данных из растрового представления в векторное (векторизация) — одни из наиболее важных при обработке пространственно-временных данных в ГИС.

В технологическом плане преобразование от растра к вектору для ГИС означает переход от полевого представления данных к объектному.

Растрово-векторное преобразование применяется при интерпретации сканированных аэрокосмических изображений (выделение и оконтуривание на них однородных областей), в методах дигитализации цифровых растровых картографических изображений, при обработке данных, полученных с цифровых фотокамер или от видеосъемки, и т.п.

Векторные изображения вычерченных на бумаге чертежей, карт невозможно получить с помощью сканера. При сканировании получается только растровая копия оригинала.

Векторные представления по сравнению с растровыми обладают рядом пре имуществ:

• многие приложения, использующие графику для расчетов, работают только с векторными файлами, так как векторная технология эффективнее;

• при хранении на компьютере векторные файлы занимают меньший ( в 100 — 1000 раз ) объем памяти, чем растровые оригиналы;

• векторные рисунки легко редактируются, масштабирование и трансформирование векторного изображения происходит без искажений, чего нельзя сказать о преобразовании растровых изображений.

Векторные изображения обычно создаются и редактируются с помощью специальных программ — графических редакторов. Такой редактор входит в состав всех инструментальных ГИС-систем. Тем не менее существует большое число специализированных программ — векторизаторов.

Векторизация может быть ручной, полуавтоматической и автоматической. В графических редакторах ГИС обычно используется ручная векторизация, что обусловлено необходимостью решения экспертных задач, создания топологии, присвоения идентификаторов графическим объектам и т.д.

Программы-векторизаторы в основном ориентированы на автоматизацию процесса векторизации растрового изображения. Ручной режим в них вводится для коррекции векторизованного изображения, полученного в автоматическом режиме, Вот некоторые из таких программ - векторизаторов:AUBREO (па), AUTOVECT(pn), AutoVEC (рпа), CADOverlay (р), ColorFast (а), DIGI Мар (рпа), EasyТгаsе (рп), IIЕОVЕС (рп), I/VEC (а), MapEDIT (рп), POCKBIT (а), Spotlight (pп), TRACK(pna), Vctory (pa), WinGIS (р), Вектометр (рпа), ИНТЕЛВЕК (рпа), ЦКМ-векторизатор (рпа).

Буквы в скобках обозначают: р — ручной; п — полуавтоматический; а — автоматический режимы векторизации.

Программы - векторизаторы отличаются друг от друга следующими параметрами:

• видом управляющей операционной системы;

• возможностью векторизации различных видов растра: бинарного, полутонового или цветного;

• требуемым качеством векторизации растра;

• наборами фильтров ( тематическими);

• возможностью и методами редактирования исходного растрового изображения;

• видом графической оболочки, посредством которой оператор осуществляет управление векторизатором.

Векторизация позволяет преобразовать растровые изображения, хранящиеся в растровых файлах, в векторные рисунки и сохранять их в векторных файлах.

Задачей преобразования является не только получение векторного образа, практически идентичного исходному растровому, но и сохранение в распознанном векторном объекте геометрических связей растровых аналогов при максимальной информативности векторного образа.

С этих позиций векторизация может быть рассмотрена как способ сжатия растровых данных с сохранением информативности исходного изображения по заданным критериям выделения. В частности, растровое изображение размерной линии со стрелками должно распознаваться именно какразмерная линия, а не как совокупность отдельных линий.

Векторизация может быть грубой (быстрой), например применяется алгоритм для векторизации растровых аналогов линий с углом наклона, кратным 45'.

Для векторизации ареальных объектов растрового изображения применяют известный фильтр типа outline, который векторизует границы в виде контура.

Несмотря на наличие автоматизированных режимов в программах векторизаторах, автоматизация этого процесса сталкивается с большими трудностями, поэтому эффективность в значительной мере зависит от того, насколько успешно чисто автоматизированные методы векторизации сочетаются с интерактивными возможностями пользователя контролировать процесс растрово-векторного преобразования и влиять на него.

Пока трудно поддаются автоматизации процессы фильтрации исходного растрового изображения, подавления шумов, индикации и устранения разрывов линий, учета изменения толщины линий, сохранения топологических признаков.

При автоматизированной векторизации картографических данных возникают сложности в распознавании ситуаций с большим числом разрывных дискретных элементов, распознавании надписей в областях с высокой плотностью нанесения или переносом надписи.

Несмотря на наличие большого числа программных средств, выполняющих преобразование растра в вектор, пока наиболее точным и надежным является интерактивный метод преобразования, основанный на эвристическом моделировании. Это обусловлено значительным количеством искажений, производимых программами-преобразователями.

В основу векторного преобразования положен набор процедур, создающих векторный аналог растрового изображения и применяющих свой алгоритм векторизации.

В процессах автоматизированного преобразования растрового изображения в векторное применяют ряд специальных терминов;

• алгоритм векторизации — алгоритм, который осуществляет автоматический поиск растровых аналогов векторных объектов заданных типов (примитивов) и создает векторные аналоги найденных фрагментов растрового изображения;

• векторная форма представления изображений — совокупность векторных объектов и векторных файлов;

• векторный объект - графический объект, заданный своим аналитическим описанием. Описание включает в себя тип векторного объекта, который определяет его форму (отрезок прямой, окружность, дуга), а также параметры (координаты базовых точек, характерные размеры, ширина, масштаб и т.д.);

• векторный рисунок — совокупность векторных объектов;

• векторный файл — файл, содержащий информацию о векторном рисунке;

• маска — задаваемая пользователем прямоугольная область растрового изображения, которая игнорируется при векторизации;

• параметры векторизации — набор логических и числовых (размерных) параметров, управляющих процессом распознавания;

• примитив — тип векторного объекта, атомарная графическая модель векторизации. Могут использоваться следующие типы векторных моделей: линия, дуга, текст, полилиния, контур и размерная линия;

• рабочая область — прямоугольный фрагмент растрового изображения, который обрабатывается программой, задается пользователем. Основное назначение рабочей области — выделение фрагмента изображения, в котором происходит векторизация;

• растровое изображение (монохромное) — изображение, представляющее собой двухмерный массив точек, каждая из которых имеет черный или белый цвет;

• режим распознавания — поименованный набор всех параметров распознавания, запомненный в дисковом файле, применяется для векторизации изображений одинаковых типов (изображения городских планов, карт, электрических схем и т. п.);

• табличная о6ласть — задаваемая пользователем прямоугольная область растрового изображения, используется для модификации процесса распознавания тех частей растрового изображения, которые содержат таблицы;

• текстовая о6ластв — задаваемая пользователем прямоугольная область растрового изображения, предназначена для модификации процесса распознавания фрагмента растрового изображения, содержащего тексты. Растровое изображение в текстовой области может быть векторизовано полилиниями или контурами. В некоторых программах-векторизаторах текстовые области на изображении могут быть найдены автоматически;

• файл параметров — уникальный для каждого растрового файла файл. Содержит: все параметры распознавания; информацию о расположении рабочей области, текстовых, табличных областей и масок на изображении; значение разрешения растрового изображения (в точках на дюйм); текущие единицы — точки, миллиметры или дюймы;

•  текущий алгоритм фильтрации;

• фильтр — алгоритм, используемый в процедуре фильтрации;

• фильтрация — процедура, применяемая для повышения качества растрового изображения.

При фильтрации программа анализирует информацию о цвете растровых точек, расположенных в окрестности каждой точки, и меняет или оставляет без изменения цвет этой точки согласно одному из алгоритмов фильтрации (фильтра).

Показ векторного изображения в любом масштабе происходит без искажений, поскольку при отображении на экране программа, используя математическое описание каждого векторного объекта, всегда может вычислить расположение и цвет пикселей экрана так, чтобы оптимальным образом передать изображение. Возможными становятся и такие режимы показа векторного изображения, которые не имеют аналогов при управлении видом растрового изображения. Например, показ векторных объектов в каркасном (проволочном) представлении, что дает возможность найти ошибки в построении картографической информации (увидеть, какие линии не соединяются в концевых точках), и делает векторное изображение легко читаемым.

При создании векторного объекта пользователь выбирает необходимый ему тип векторного обьекта и задает параметры, описывающие геометрические размеры этого объекта. При редактировании векторного изображения применяются простые алгоритмы, с помощью которых можно легко выбирать и изменять векторные объекты. При этом можно использовать геометрические отношения между объектами, оперируя точными математическими терминами.

Режим ортогональности позволяет строить линии вертикально и горизонтально, с помощью специальных опций проводить их перпендикулярно или параллельно другим.

Растровые изображения обрабатывают, добавляя или стирая части бинаризованного изображения на экране компьютера.

Процесс распознавания становится эффективнее за счет применения системы фильтров. Это дает возможность векторизовать растровые изображения различной структуры: машиностроительные чертежи, архитектурные планы, карты, схемы, рисунки.

Некоторые программы-векторизаторы позволяют производить распознавание наборов растровых файлов в пакетном режиме.

Как правило, программы-векторизаторы обрабатывают бинарные изображения, представленные двухмерным массивом точек, каждая из которых имеет черный или белый цвет. Эти точки называются растровыми точками. Бинарные растровые изображения создаются с помощью конвертеров или специальных программ обработки изображений. Примером такой программы может служить широко известный редактор PhotoFinish.

Когда растровое изображение выводится на монитор компьютера, каждый пиксель экрана соответствует определенному количеству растровых точек изображения. Цвет пикселя будет черным или белым в зависимости от того, каких растровых точек — черных или белых — в нем больше. Черные пиксели, сливаясь между собой, образуют пятна и полосы, которые передают изображение чертежа или рисунка.

При векторизации можно управлять режимом показа растрового изображения, используя команды управления экраном. Например, установка режима просмотра «один в один» означает, что программа отобразит каждую точку растрового изображения одним пикселем экрана.

При увеличении в два раза для изображения каждой растровой точки будет использовано четыре пикселя. Такая простая операция приводит к искажению вида растрового изображения — неровности контуров, незаметные при прежнем масштабе, вырастают пропорционально степени увеличения. Все это происходит потому, что растровые модели при компьютерной обработке данных имеют существенный недостаток: информация об изображении представляется в виде набора точек и поэтому не содержит в явном виде данных о геометрии и размерах отображаемых объектов.

Поэтому программы, которые используют компьютерную графику для расчетов (интегрированные системы, программы по созданию объемной мультипликации и др.), работают не с растровыми изображениями, а с векторными.

Анализ растра почти всегда позволяет определять, какая его часть изображает линию или дугу, контур или ареал. Это достигается на основе использования векторных аналогов.

Действие программ-векторизаторов основано на поиске связи между формой растровой линии и векторным объектом определенного типа. При этом используется понятие растрового аналога векторного примитива. Это означает, что существует векторный объект данного типа такой, что его растровая модель будет практически идентична изображению фрагмента растра на экране компьютера.

Полоса растра может быть тонкой линией, линией с шириной или контуром. Ее можно показать с помощью векторных объектов трех типов. Очевидно, что без дополнительной информации эта задача автоматически не решается.

Распознавание векторных объектов на растровых ( векторизация) представляет собой автоматическую процедуру поиска растровых аналогов заданного набора векторных примитивов с последующим преобразованием их в векторные объекты.

При векторизации ставится задача не только получить векторный рисунок, практически идентичный исходному растровому, но, кроме того, уменьшить количество создаваемых объектов с тем, чтобы с изображением впоследствии было удобно работать. Например, пересекающиеся линии на чертеже должны быть представлены именно как две линии, а не как четыре отрезка, окружность, пересекаемая прямой, — как целая окружность, а не как совокупность отдельных дуг.

При распознавании необходимо сохранить в векторном рисунке геометрические связи растровых аналогов: если растровые аналоги двух линий образуют угол, то векторные линии должны пересекаться в вершине этого утла.

Растровое изображение может иметь дефекты, получающиеся при сканировании (разрывы линий, смаз изображения и т. д.), на нем могут быть линии, которые были неправильно проведены на исходном чертеже или искажены при сканировании оригинала (например, из-за перекоса нарушены горизонтальность и вертикальность).

Исправление подобных дефектов растрового изображения в процессе векторизации достигается применением фильтров и установкой режимов (степень ортогонализации прямых),

Следует подчеркнуть, что основой большинства программ-векторизаторов служат бинарные изображения. Это ограничивает эффективность автоматизированной векторизации и требует больших затрат времени при обработке полутоновых изображений в интерактивных режимах.

В настоящее время применяется комплексный подход, включающий сканирование, частичную автоматизированную векторизацию, визуальный контроль преобразования, интерактивное редактирование данных; унификацию и преобразование данных для хранения в базе данных.