李慧群

摘 要：該文針對(duì)平臺(tái)定位系統(tǒng)中的圖像識(shí)別和位移計(jì)算模塊展開研究。利用MATLAB的數(shù)字圖像處理環(huán)境，開發(fā)了一套圖像識(shí)別與處理程序，實(shí)現(xiàn)了從CCD讀取圖像、圖像分割、特征信息提取、模板匹配、相對(duì)位移計(jì)算等功能。該文研究的圖像均是二維圖像，首采用灰度變換增強(qiáng)、二值化圖像等方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，較好地解決了背景和噪聲干擾、部分遮擋的圖像匹配問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別 模板匹配 MATLAB 邊緣提取

中圖分類號(hào)：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（a）-0003-02

直寫平臺(tái)上定位系統(tǒng)應(yīng)該包括：光源、CCD攝像頭、圖像采集卡、圖像處理系統(tǒng)等，通過(guò)使用圖像攝取裝置將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)，然后根據(jù)亮度、顏色和像素分布等信息，再轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)[1]。圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算，以得到被檢測(cè)目標(biāo)的特征值，如數(shù)量、面積、長(zhǎng)度、位置，進(jìn)而依據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果進(jìn)行判別，根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。直寫平臺(tái)上的定位系統(tǒng)在用于生產(chǎn)和裝配上可以提高一定柔性和自動(dòng)化程度。

1 圖像識(shí)別系統(tǒng)

1.1 圖像識(shí)別概述

圖像處理系統(tǒng)是直寫平臺(tái)定位系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成模塊。

圖像識(shí)別所討論的問(wèn)題，是研究計(jì)算機(jī)代替人工，可以自動(dòng)地接受并處理大量的物理信息，從而在人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合代替人類的部分腦力勞動(dòng)。在研制自動(dòng)識(shí)別機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)也往往借鑒人的思考邏輯，采用同樣的處理方式，然而圖像的灰度與色彩是由光強(qiáng)和波長(zhǎng)不同的光波所引起，它們與目標(biāo)元件表面的光線條件、特性、方向等多種因素有關(guān)[2]。在各種不同情況的工作環(huán)境里，景物與圖像已有較多區(qū)別。所以要區(qū)分圖像屬于哪一類，計(jì)算機(jī)通常要采用預(yù)處理、分割、特征提取、分析分類、識(shí)別等步驟。

1.2 圖像識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成

在直寫平臺(tái)的圖像識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)其基本組成包括圖像輸入設(shè)備、執(zhí)行處理分析與控制的計(jì)算機(jī)、輸出設(shè)備、及存儲(chǔ)設(shè)備中的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像處理程序庫(kù)與模型庫(kù)。

2 圖像分割與特征提取

圖像識(shí)別系統(tǒng)想要進(jìn)行圖像分析和識(shí)別，首先必須先得到圖像，并且所獲取圖像的質(zhì)量會(huì)影響對(duì)圖像的分析和識(shí)別的結(jié)果，所以要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理：圖像分割與特征提取[3]。

2.1 圖像分割

圖像分割是由圖像處理得到圖像分析的先行步驟，它將圖像分割成若干特定區(qū)域且提取目標(biāo)的技術(shù)。圖像分割算法的研究近代得到高速發(fā)展，到目前為止提出的分割算法有基于閾值的分割方法、基于區(qū)域的分割方法、基于邊緣的分割方法以及基于特定理論的分割方法等。該文采用的是基于閥值的分割法。

2.2 特征提取

圖像的特征提取是圖像識(shí)別的關(guān)鍵步驟，其中如何提取具有較強(qiáng)表示能力的圖像特征是智能圖像處理的一個(gè)研究熱點(diǎn)。特征提取依據(jù)原始圖像，通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生一組原始特征進(jìn)行特征形成，良好的特征應(yīng)具有獨(dú)立性好、可區(qū)別性、數(shù)量少等特點(diǎn)。

在圖像識(shí)別系統(tǒng)中，所使用的技術(shù)是二值化圖像，即將目標(biāo)圖像（區(qū)域或邊界）和背景（也包括非目標(biāo)部分）表以不同的灰度級(jí)，一般前者灰度值為255，后者的灰度值通常為0。二值化圖像有利于圖像的進(jìn)一步處理，在形狀和結(jié)構(gòu)分析中具有顯著作用，可以凸顯目標(biāo)元件的輪廓。二值化圖像是特征提取的第一步。

點(diǎn)特征是圖像最基本的特征之一，尤其是圖像邊緣曲線上曲率極大值或二維圖像亮度變化劇烈的點(diǎn)，這些點(diǎn)決定了目標(biāo)的輪廓特征[4]。因此在圖像識(shí)別系統(tǒng)的圖像配準(zhǔn)中，特征主要針對(duì)點(diǎn)特征。而在點(diǎn)特征提取過(guò)程中則先要剔除不穩(wěn)定的特征點(diǎn)，不穩(wěn)定的特征點(diǎn)主要是分布于圖像邊緣的特征點(diǎn)或是一些低對(duì)比度的特征點(diǎn)。因此在程序中側(cè)重于角點(diǎn)的提取。所采用的圖像的角點(diǎn)檢測(cè)方法是先將圖像分割為區(qū)域，然后提取區(qū)域邊界直線，之后求直線的交點(diǎn)為角點(diǎn)。

3 模板匹配

在直寫平臺(tái)上要通過(guò)圖像識(shí)別系統(tǒng)對(duì)元件進(jìn)行識(shí)別，需要進(jìn)行模板匹配。其工作的基本原理是通過(guò)相關(guān)函數(shù)的計(jì)算通過(guò)已知模式到被搜索圖中尋找相應(yīng)模式[5]。

該程序采用的是金字塔搜索策略。金字塔搜索法也叫分層搜索法，是直接基于人眼的視覺(jué)特點(diǎn)，先粗后精地觀看事物[6]。利用這種方法具有相當(dāng)高的處理速度。

程序先要對(duì)模板和被搜索圖均進(jìn)行分層預(yù)處理。分層預(yù)處理是將每個(gè)像素平均為一個(gè)像素來(lái)組成二級(jí)影像，再將此二級(jí)影像用同樣的方法處理后得到一個(gè)分辨率更低的圖像。如果依次進(jìn)行下去了次分層處理的話，可以得到個(gè)處理后的圖像。

第一步是從和出發(fā)，在的所有搜索位置上和進(jìn)行匹配相似度運(yùn)算，找到相關(guān)的粗匹配位置，并確定粗匹配位置。這個(gè)時(shí)期搜索過(guò)程很快，因?yàn)楫?dāng)前和數(shù)據(jù)量很少，但是這時(shí)相似度值較小，所以可能產(chǎn)生若干個(gè)可能的粗匹配位置。

第二步要從較高分辨率的圖像和上直接進(jìn)行，先在上一步得到的粗匹配位置進(jìn)行相關(guān)搜索，找出一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)可能性更大的匹配位置，重復(fù)以上步驟，直到在最高分辨率的搜索圖和模板上找到匹配位置后結(jié)束搜索。

4 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

4.1 程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的跟蹤，整體設(shè)計(jì)思路是通過(guò)CCD攝像頭獲得元件的圖像，對(duì)濾波，灰度變換，讀取坐標(biāo)等獲得的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在獲得模板和搜索圖的特征提取的基礎(chǔ)上接著使用改進(jìn)后的匹配算法進(jìn)行模板匹配計(jì)算。在實(shí)際工作中還需要保證兩件事情可以同時(shí)進(jìn)行，一是根據(jù)前后兩幀中元件的坐標(biāo)差值與平臺(tái)的光柵尺的讀數(shù)比較得出元件是否按操作運(yùn)動(dòng)；二是模板更新，在工作中需要根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)元件和初始模塊的相似度去判斷模板是否需要更新，來(lái)保證模板的正確性。

根據(jù)當(dāng)前圖像識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)樣式和要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)主要包括圖像獲取、圖像處理、模板匹配、結(jié)果實(shí)現(xiàn)與反饋等模塊。

4.2 程序調(diào)試

在直寫平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行并進(jìn)行結(jié)果分析。

首先實(shí)現(xiàn)模板的提取，這是是在初始圖像中完成的。要取得初始的匹配模板，只需要用鼠標(biāo)在初始圖像中的目標(biāo)區(qū)域里要跟蹤的目標(biāo)元件進(jìn)行矩形框選取。如果在工作中需要更新模板即后續(xù)蹤效果不良好的情況下，重復(fù)上步操作可以重新選擇新的模板。

對(duì)平臺(tái)進(jìn)行操作，移動(dòng)元件三次，每次移動(dòng)后動(dòng)運(yùn)行圖像識(shí)別程序獲得一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中絕對(duì)坐標(biāo)的單位是，像素的單位是個(gè)。設(shè)第次和第次的X軸絕對(duì)坐標(biāo)的差為，Y軸絕對(duì)坐標(biāo)的差為，X軸像素坐標(biāo)的為，Y軸像素坐標(biāo)的差為，則位移，。如表1所示。

由于元件的絕對(duì)坐標(biāo)和像素坐標(biāo)的單位不同，在這里將對(duì)絕對(duì)坐標(biāo)和像素坐標(biāo)比值進(jìn)行分析得出誤差。建表如表2所示：

由此可知，系統(tǒng)的誤差可控制在10%以內(nèi)，但存在較大波動(dòng)，這是系統(tǒng)最主要的缺陷之一。這個(gè)缺陷是由系統(tǒng)缺少鏡頭標(biāo)定這個(gè)環(huán)節(jié)所造成的。

經(jīng)過(guò)多次的實(shí)踐過(guò)程可以得到系統(tǒng)中絕對(duì)坐標(biāo)和像素坐標(biāo)位移的換算比例為。

5 結(jié)語(yǔ)

在直寫平臺(tái)的圖像識(shí)別系統(tǒng)里所使用的匹配算法依然存在一些的問(wèn)題，之后要在本文研究的匹配算法上面繼續(xù)改進(jìn)。其中比如，如何屏蔽不合適的檢測(cè)點(diǎn)，如何減少匹配計(jì)算的數(shù)量以提高運(yùn)算速度等，都是后續(xù)工作的前進(jìn)方向。并且，在加深環(huán)境對(duì)匹配效果影響的研究前提下去實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)目標(biāo)元件的跟蹤。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程，在該直寫平臺(tái)上還添加串口通信和電機(jī)的伺服控制單元，根據(jù)數(shù)據(jù)輸出來(lái)控制電機(jī)帶動(dòng)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)，提高系統(tǒng)的工作精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 章毓晉.圖像處理和分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 夏良正.數(shù)字圖像處理[M].南京：東南大學(xué)出版社，1999.

[3] 羅軍輝，馮平，哈力旦稟.MATLAB7. 0在圖像處理中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4] 馬平.數(shù)字圖像處理和壓縮[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007

[5] 程衛(wèi)國(guó)，馮峰，姚東.MATLAB5.3應(yīng)用指南[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[6] 樓順天，姚若玉，沈俊霞.MATLAB7.X程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.