數(shù)字圖像處理 圖像匹配

1、 .設計的要求與目的題目用特征匹配算法實現(xiàn)數(shù)字圖像匹配設計要求所謂圖像匹配，就是指圖像之間的比較、得到不同圖像之間的相似度。基于數(shù)字圖像，編寫對兩副數(shù)字圖像進行匹配的算法及演示程序。基本要求進行匹配的兩幅圖像為格式或格式。能夠進行對兩幅數(shù)字圖像的匹配。(3)采用.交互式程序對圖像進行匹配。提高要求:能夠對數(shù)字進行簡單處理，例如放大，縮小，翻轉，灰度處理，圖象二值化。開發(fā)環(huán)境：自帶的界面編輯器設計目的:通過分析題目的基本要求，我將此軟件的基本功能主要分為2大模塊:一個是數(shù)字圖像處理模塊，另一個是數(shù)字圖像匹配模塊。在數(shù)字圖像處理模塊中，用戶可以對數(shù)字圖像進行簡單的處理，可以對圖像進行放大，縮小，翻

2、轉，灰度處理。在數(shù)字圖像匹配模塊中，用戶可以對兩張圖像進行匹配并顯示匹配結果。性能、接口：輸入輸出形式此軟件以編輯器開發(fā)出的界面作為載體對相映的圖像行相應的操作，所以輸入輸出形式主要是通過編輯器開發(fā)出的界面來實現(xiàn)的。輸入形式：輸入任何一幅格式或格式的數(shù)字圖像。輸出形式：將經(jīng)過相應操作處理后的圖片顯示出來。測試數(shù)據(jù)要求任何一幅格式或格式的數(shù)字圖像。.設計原理概念解釋：數(shù)字圖像數(shù)字圖像是由被稱做像素的小塊區(qū)域組成的二維像素矩陣。一般把圖像分成3種形式：單色圖像，灰度圖像和彩色圖像。像素：表示圖像顏色的最小單位灰度圖像：灰度圖是指只含亮度信息，不含色彩信息的圖像，就像平時看到的黑白照片：亮度由暗到明

3、，變化是連續(xù)的?；叶葓D的每個像素的亮度用一個數(shù)值來表示，通常數(shù)值范圍在025之5間，即可用一個字節(jié)來表示，0表示黑，25表5示白，而其他表示灰度。點陣圖:顯示器的屏幕由可以發(fā)光的像素點組成.并且從幾何位置看,所用這些像素點構成一個矩形的陣列.利用計算機控制各像素點按我們指定的要求發(fā)光,就構成了我們需要的圖形.這種方式構成的圖形我們可稱之為點陣圖形.點陣圖形的坐標系統(tǒng)：各像素點有一個坐標唯一指定了它的位置如果點陣圖形的大小是X那么它的點陣共有行列每個像素點的位置就由它所在的行和列的位置所唯一確定.這個行和列的位置就給出了點陣圖形的坐標系統(tǒng).按照前面的順序,第行第列的像素點順序數(shù)就是反之順序數(shù)為的

4、像素點在第行第列這里的是除以后的余數(shù)是的整數(shù)部分需要注意的是第行第列的像素點的坐標可能不是而是這是因為有時為了在計算機中處理的方便,像素點的行列的排序不是從1,而是從0開始的.我們常用的顯示器的像素坐標就是如此.數(shù)字圖像匹配算法設計在此軟件中我采用了兩種圖像匹配算法：基于灰度的模板匹配算法基于灰度的快速匹配算法。由于各種各樣的原因如（成象條件的差異）圖象預處理，引入的誤差等，參與圖象匹配的模板與潛在的匹配子圖象間通常存在著程度不同的不一致，因此根據(jù)模板在一幅陌生圖象中檢測出潛在的匹配對象并得出它在圖象中的位置是一件復雜的工作。模板匹配是指用一個較小的圖像，即模板與源圖像進行比較，以確定在源圖像

5、中是否存在與該模板相同或相似的區(qū)域，若該區(qū)域存在，還可確定其位置并提取該區(qū)域。模板匹配常用的一種測度為模手術臺與源圖像對應區(qū)域的誤差平方和。設為X的源圖像，為xWW的模板圖像則誤差平方和測度定義為Dx,y)J1Kf(xj,y)(j,k中()j10k10由上式展開可得:D(x,y)f(xj,yk)22.t(j,k)呼(xj,yk)t(j,k中jkjkjIDkID(2.)2TOC o 1-5 h zDS(x,y)f(xj,yk)2(2.3)jnknDST(x,y)2t(j,k)If(xj,yk)()jnknDT(x,y)BJ.t(j,k)2()jnknDS(x,y)稱為源圖像中與模板對應區(qū)域的能量

6、，它與像素位置(x,y)有關，但隨像素位置(x,y)的變化，DS(x,y)變化緩慢。DST(x,y)模板與源圖像對應區(qū)域的互相關，它隨像素位置(x,y)的變化而變化，當模板t(j,k)和源圖像中對應區(qū)域相匹配時取最大值。DT(x,y)稱為模板的能量，它與圖像像素位置(x,y)無關，只用一次計算便可。顯然,計算誤差平方和測度可以減少計算量?；谏鲜龇治觯粼ODS(x,y)也為常數(shù)，則用DST(x,y)便可進行圖像匹配，當DST(x,y)取最大值時，便可認為模板與圖像是匹配的。但假設DS(x,y)為常數(shù)會產生誤差,嚴重時將無法下確匹配,因此可用歸一化互相關作為誤差平方和測度,其定義為：t(j,k)

7、f(xj,yk)(2.6)R(x,y)陋k*_(2.6)尸f(xj,yk)：t(j,k)2jnknjnkn下圖給出了模板匹配的示意圖，其中假設源圖,像和模板圖像t(k,l)的原點都在左上角。對任何一個f(x,y)中的(x,y),根據(jù)上式都可以算得一個R(x,y).當x和y變化時，t(j,k)在源圖像區(qū)域中移動并得出R(x,y)所有值。R(x,y)的最大值指出了與t(j,k)匹配的最佳位置，若從該位置開始在源圖像中取出與模板大小相同的一個區(qū)域，便可得到匹配圖像?；诨叶鹊目焖倨ヅ渌惴诨诨叶鹊目焖倨ヅ渌惴诰植炕叶忍卣鞯木幋a與計算首先將整幅圖像劃分為kX1尺寸且互不重疊的方塊,可根據(jù)問題任意選

8、擇稱該方塊為R塊如果圖像的邊長不是口的整數(shù)倍則將最底部與最右邊剩余的幾行、幾列裁剪掉(下文將說明這并不影響最終的匹配結果).邊長為H勺圖像口共可得到的2個R-塊口對于塊R,S(表示所包含像素的灰度值之和.iii定義1.1塊如圖2-中的口所示)與其周圍8個相鄰的R塊如圖中的5R,RRRRRR1所示組成R塊的鄰域口將R-的鄰域分為4個部分，分別為12346789,如圖所示稱為塊的鄰域.塊分別屬于個鄰域，即UU12345112UR;D=RURURUR;D=RURURUR;D=RURURUR.對于每個鄰域中的個塊,可規(guī)定一個順序如圖中所取的逆時針序對所包含的個塊的像素灰度值之和，RR做排序，顯然共有種

9、j1j2j3j4可能，每種排序結果可以用位的二進制編碼來表示，記作j00000,00001，,10111.2-劃3分后的區(qū)域TOC o 1-5 h z將塊所在的個塊的做位串拼接得到即iji1234F()R=(P)(D15)+)(P(10D)+)(P(5D)+.P(Di1234其中，為所在的鄰域的二進編碼，為移位操作其后面的數(shù)字表示移位位數(shù).定義.為塊的位二進制編碼特征表示簡稱塊的編碼.對一幅圖像提取它所有塊的編碼需要計算各個塊的灰度值和、計算各個ii鄰域的編碼、計算各個塊的編碼等共步圖像最外一圈的塊的編碼無定jiii義對于邊長為的圖像上述運算的時間復雜度為顯然表示塊的灰度與相鄰個塊灰度的分布序

10、關系體現(xiàn)了圖像灰度ii的相對值因此對整體灰度值的變化具有相對的穩(wěn)定性通過對塊尺寸的選擇可以改變圖像處理粒度的大小,以改變抵抗不同頻率噪聲的能力.設計方案設計思想定義在待搜索圖上以模板的長、寬為橫向、縱向步長從的左上角開始按模板的大小劃分得到的子圖稱為限制塊記作其中為限制塊左上角頂點在搜索圖上的坐標這樣劃分后如果在搜索圖的右側或底部有剩余部分則相應地從的最右側開始向左,或從最底部開始向上劃分出一列或一行限制塊,使得全部限制塊可以完全覆蓋搜索圖這樣得到的圖上的限制塊的數(shù)量為H定義限制塊與模板都是尺寸為x的圖像各自的塊特征集合用階方陣與表示稱為特征編碼矩陣這里為塊的邊長在與作特征比較時即比較每一個元

11、素與中每一個元素是否相等如果相等則記下矩陣中的行號、列號.設計流程設計流程圖如圖所示。輸入輸出形式此軟件以編輯器開發(fā)出的界面作為載體對相映的圖像行相應的操作，所以輸入輸出形式主要是通過編輯器開發(fā)出的界面來實現(xiàn)的。輸入形式：輸入任何一幅格式或格式的數(shù)字圖像。設計方案圖.應用程序設計程序代碼讀取原圖像過程提取原始圖片作為基準要求進行匹配的圖像顯示原始圖像imshow(reference_img);原始圖像顯示進行匹配的圖像imshow(target_img);目標圖像取特征點取出圖片大小自己選定的特征點映射函數(shù)映射函數(shù)求解fori=1:Ixforj=1:Iy映射函數(shù)對映射值進行取整n_intege

12、r=floor對映射值取小數(shù)n_decimal=n-n_i圖像匹配判斷映射點是否滿足條件沒有進行插值result_img3(i,j)=(1-m_decimal)*(n_deci+(1-n_decimal)*target_img(m_integer,n_img(m_integer+1,n_integer+1)+(1-n_dec雙線性插值end把沒有進行插值圖像和原始圖像進行組合result_img2(i,j)=referenelseend把插值后圖像和原始圖像進行組合顯示未插值圖像匹配未插值圖像匹配顯示未插值圖像匹配組合未插值圖像匹配組合顯示雙線性插值后圖像匹配雙線性插值后圖像匹配顯示雙線性插值

13、后圖像匹配組合imshow（result_img4,）;雙線性插值后圖像匹配組合界面設計本程序采用交互式來演示圖像匹配過程，采用自帶顯示原始圖像的界面編輯器。主要涉及圖像顯示，各個功能按鈕對顯示的圖像所進行的操作（如：放大，縮小，旋轉和圖像匹配），文件對話框（用來讀取和保存圖像）。舉例：pname,adrname=uigetfile（*.jpg,*.bmp）.仿真與結果分析仿真分析讀取了兩幅圖片顯示在顯示區(qū)域內，如圖4-所圖示，一幅是原始圖片，一幅是目標圖像。從顯示區(qū)域內剪切一塊區(qū)域（按下剪切按鈕可進行剪切）。按下匹配算法圖，或匹配算法2后，系統(tǒng)就會自動將模板圖像在顯示圖像中進行匹配，如果找到

14、了匹配地點就會用紅色矩形將匹配區(qū)域給圈定下來，例如圖4-就圖是在顯示圖像中找到的匹配區(qū)域。結果分析根據(jù)測試結果得：匹配算法圖（基于灰度的模板匹配算法）的匹配時間約為2性秒左右。匹配算法2（基于灰度的快速匹配算法）的匹配時間約為16秒左右。結論：匹配算法1和匹配算法2的共同缺點是都絕對的依賴坐標系統(tǒng)，費時間較多。在抗噪音能力上，匹配算法1沒有抗噪音的能力，匹配算法2在理論上有一定的抗噪音的能力，可是在此程序中沒做出來。測1試結果圖這此課程設計是我第一次使用新的編程軟件來編程，用來編寫程序。剛開始的時候由于不適應這種編譯環(huán)境和對其語法不理解讓我?guī)锥认胍艞?，但是的?shù)據(jù)處理能力是不容質疑的，經(jīng)過幾次

15、失敗后終于將程序一點一點編出來并調試通過。2此這次課程設計是我第一次接觸圖形圖像方面的知識，并研究圖形圖像領域中的一個比較熱門的話題數(shù)字圖像匹配。在研究圖形圖像基礎知識和數(shù)字圖像匹配算法的過程中查閱了許多資料，也得到了老師的一些幫助，使我對圖形圖像方面的知識有了一定了解，對數(shù)字圖像匹配算法方面掌握了大致方向。3我通過圖像匹配特征匹配算法對目標圖像進行匹配組合處理，在這個過程中我用到了編程環(huán)境，對程序進行設計和編寫；通過對原圖像提取的特征點來處理目標圖像。通過本次課程設計，使我了解了特征匹配技術用于圖像匹配中的圖像組合方面的知識。圖像匹配可以在空間域中進行，基本方法是提取特征點對目標圖像進行處理。當然，圖像匹配還有許多方法，基于灰度的快速匹配算法就是其中之一。4這我通過圖像匹配特征匹配算法對目標圖像進行匹配組合處理，在這個過程中我用到了編程環(huán)境，對程序進行設計和編寫；通過對原圖像提取的特征點來處理目標圖像。通過本次課程設計，使我了解了特征匹配技術用于圖像匹配中的圖像組合方面的知識。圖像匹配可以在空間域中進行