一種快速模板匹配的波形識(shí)別算法

1、一種快速模板匹配的波形識(shí)別算法 一、引言信號(hào)波形的提取與識(shí)別是信號(hào)處理的一個(gè)基本問題，其主要目的是從噪聲信號(hào)中提取有用的信息并對(duì)有用的信息進(jìn)行特征提取與識(shí)別。其中信號(hào)提取通常所采用的方法是利用參數(shù)表達(dá)的具體特定性質(zhì)的基函數(shù)，根據(jù)一定的數(shù)學(xué)規(guī)則將信號(hào)展開。例如利用傅里葉基函數(shù)、小波基函數(shù)和小波的線性組合“復(fù)合小波”來表示信號(hào)的特征信息進(jìn)行信號(hào)提取。波形識(shí)別則一般采用信號(hào)調(diào)制識(shí)別算法，提取信號(hào)的瞬時(shí)特征統(tǒng)計(jì)參量來進(jìn)行模板匹配判決，所需參量數(shù)n一般都大于7。本文以數(shù)字字符識(shí)別為例，主要采用采用數(shù)字信號(hào)處理方法提取信號(hào)的幅值和波形時(shí)間間隔等少數(shù)幾個(gè)參量進(jìn)行波形自動(dòng)識(shí)別。二、波形特征提取1、波形的向量處

2、理在腦電波、癌細(xì)胞檢測(cè)波形、字符檢測(cè)波形等波形中，可以看到每種波形都有其特有的形狀，只是在外部條件改變的情況下（如電壓大小、采樣頻率等），波形的幅值有所不同。如圖1所示：對(duì)于每個(gè)數(shù)字波形W，可以采用含有m個(gè)元素的向量X來表示：X= x1 x2 x3 xm-2 xm-1 xm . (1)其中，元素xi波形某點(diǎn)的幅值，并且相鄰兩元素間的時(shí)間間隔t相等。因此對(duì)于10個(gè)數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9的波形都有其獨(dú)有的特征向量xi，可以作為輸入信號(hào)匹配的模板。注意的是所采用的向量元素并沒有做歸一化處理，這是考慮到某些信號(hào)幅值呈正負(fù)分布，可能使信號(hào)幅值的總和為零或很小，這樣歸一化之后可能使元素

3、趨于無窮大。為了解決幅值的一致性，可以對(duì)輸入波形Y做如下處理：Y= y1 y2 y3 ym-2 ym-1 ym *max (Y)/max (Xi)= p1 p2 p3 pm-2 pm-1 pm (2)2、波形的匹配在波形的匹配過程當(dāng)中，定義輸入波形向量Y與波形模板Xi之間的距離Di：Di=Xi-Y22=(xj - pj) (i=0、1、2 9)、（j=1、2 m） (3)比較Di的值，取Di的最小值，此時(shí)i即為輸入波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)字，達(dá)到了自動(dòng)識(shí)別的目的。從上面的分析可以看出只要每個(gè)數(shù)字波形的向量模板確定，輸入波形只要做簡(jiǎn)單的處理即可進(jìn)行匹配。每個(gè)數(shù)字波形進(jìn)行匹配的過程中，前提是必須使波形的起始

4、位置和終止位置與模板的對(duì)波形向量化處理的起始位置和終止位置相同，否則識(shí)別的效果會(huì)有偏差。3、多個(gè)數(shù)字復(fù)合波形的識(shí)別在實(shí)際的應(yīng)用過程中，單個(gè)數(shù)字波形識(shí)別意義不是很大，大多數(shù)是多個(gè)數(shù)字組合運(yùn)用。如在證券編號(hào)、產(chǎn)品包裝噴碼都是多個(gè)數(shù)字的組合。實(shí)際上可以看得出復(fù)合波形是其單個(gè)成員數(shù)字波形的組合。如圖2所示?？梢钥闯鍪怯?0個(gè)數(shù)字的復(fù)合波形，每個(gè)數(shù)字波形之間間隔非常小。為了把單個(gè)波形提取出來，必須引入另一個(gè)參量，就是數(shù)字波形檢測(cè)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速率v。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的v可以作為常數(shù)處理，檢測(cè)裝置通過組合數(shù)字的時(shí)，對(duì)數(shù)字寬度相等的組合數(shù)字而言，其通過每個(gè)數(shù)字的時(shí)間T是相同的，因此在時(shí)域上表現(xiàn)為每個(gè)數(shù)字波形的時(shí)

5、間間隔相同。每個(gè)數(shù)字波形的時(shí)間間隔T確定并不能立即進(jìn)行波形分割，必須設(shè)定一閥值Ref作為波形的起始位置（一般Ref=0.2V左右），以T和Ref作為分割參數(shù)把單個(gè)數(shù)字波形切分開來。切分后的單個(gè)數(shù)字波形再利用前述的快速模板匹配進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真單個(gè)數(shù)字波形是基礎(chǔ)，首先把09的波形做向量處理，建立模板Xi，輸入數(shù)字波形Y；然后對(duì)Y進(jìn)行（2）式處理，處理后與已建立模板Xi進(jìn)行匹配。結(jié)果如圖3，可以看出輸入波形是數(shù)字4。這種快速模板匹配波形識(shí)別算法不僅適用腦電波、癌細(xì)胞波形、數(shù)字波形的識(shí)別，而且對(duì)于特征波形個(gè)數(shù)為有限個(gè)的應(yīng)用場(chǎng)合也同樣適用。四、結(jié)束語本文以數(shù)字波形為例，提出波形幅值向量的方法快速建立匹配模板，把輸入信號(hào)做簡(jiǎn)單處理后進(jìn)行模板匹配識(shí)別。方法簡(jiǎn)單，可操作