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基于灰度相关的图像匹配算法的改进.pdf

基于灰度相关的图像匹配算法的改进.pdf

上传者: wanghao198901 2013-12-08 评分1 评论0 下载0 收藏10 阅读量703 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于灰度相关的图像匹配算法的改进pdf》,可适用于硬件技术领域,主题内容包含文章编号!"##$$#$’$##()#*#*,#*基于灰度相关的图像匹配算法的改进刘莹"$曹剑中"许朝晖"田雁"付同堂"$王锋"$’"中国科学院西安符等。

文章编号!"##$%$#&$’$##()#*%#*+,%#* 基于灰度相关的图像匹配算法的改进 刘 莹"-$-曹剑中"-许朝晖"-田 雁"-付同堂"-$-王 锋"-$ ’".中国科学院 西安光学精密机械研究所-陕西 西安 ("##,&/$.中国科学院 研究生院-北京 "###+0) 摘 要!针对目前图像匹配算法中存在的匹配精度不高和匹配速度慢的缺点-对基于灰度相关的 $类匹配算法11最小误差法和相关系数法进行了改进2最小误差法采用新的34距离法-提出动 态调整阈值的方法-既保证了匹配精度-又避免了局部噪声的影响/相关系数法对相关系数的计算 公式进行了简化-并采用三步搜索策略进行匹配-以达到减少计算量和搜索位置的目的2实验证 明!改进后的算法-在保证一定匹配精度的条件下-匹配速度大大提高-能够满足实际应用中的实 时性要求2 关键词!相关匹配/相关系数/匹配精度/匹配速度 中图分类号!560"".(+%+$ 文献标志码!7 89:;<=>9>?@<AB9CD>9C@EFB?DCGD<;B@F9HCI>J<?D;CKE<;;>GC@B<? 4LMNOPQ"-$-R7STOUP%VWXPQ"-YMZWUX%W[O"-5L76NUP"- \M5XPQ%]UPQ"-$-^76_\‘PQ"-$ ’".YOaUPLPb]O][]‘XcSd]OebUPfgh‘eObOXP3‘eWUPOeb-R7i-YOaUP("##,&-RWOPU/ $._hUf[U]‘ieWXXjXcRWOP‘b‘7eUf‘klXcieO‘Pe‘b-m‘OnOPQ"###+0-RWOPU) oHI@;CE@!_hUleXhh‘jU]OXPpUb‘fkOPOk[k ‘hhXhUPfeXhh‘jU]OXPeX‘ccOeO‘P]UjQXhO]Wkbq‘h‘ OkdhXr‘f]X‘jOkOPU]‘]W‘fObUfrUP]UQ‘bXcjXqkU]eWOPQUee[hUelUPfbjXqkU]eWOPQr‘jXeO]l ‘sOb]OPQOP]W‘OkUQ‘kU]eWOPQUjQXhO]WkbPXqUfUlb.LP]W‘OkdhXr‘fkOPOk[k‘hhXhUjQXhO]Wk- UP‘q34fOb]UPe‘k‘]WXfObUfXd]‘fUPfU]Wh‘bWXjfflPUkOeUfn[b]k‘P]k‘]WXfObdhXdXb‘f]X Ubb[h‘]W‘kU]eWOPQUee[hUelUPf]XUrXOf]W‘OPcj[‘Pe‘XcjXeUjPXOb‘b.7bcXh]W‘eXhh‘jU]OXP eX‘ccOeO‘P]UjQXhO]Wk-]W‘‘sdh‘bbOXPXceXhh‘jU]OXPeX‘ccOeO‘P]ObbOkdjOcO‘fUPf]Wh‘‘%b]‘d b‘UheWOPQqUlOb[b‘f]Xh‘f[e‘]W‘eXkd‘sO]lXc]W‘eUje[jU]OXPUPf]XUeWO‘r‘]W‘QXUjXc]W‘ dXbO]OXPUet[ObO]OXP.5W‘‘sd‘hOk‘P]bWXqb]WU]]W‘OkdhXr‘fUjQXhO]WkbQh‘U]jlOPeh‘Ub‘]W‘ kU]eWOPQr‘jXeO]lqO]WX[]]W‘jXbbXckU]eWOPQUee[hUel-UPfk‘‘]]W‘h‘t[Oh‘k‘P]Xch‘Uj%]Ok‘ OkUQ‘kU]eWOPQblb]‘k. u>Kv<;JI!eXhh‘jU]OXPkU]eWOPQ/eXhh‘jU]OXPeX‘ccOeO‘P]/kU]eWOPQUee[hUel/kU]eWOPQr‘jXeO]l 引言 图像匹配技术是计算机视觉和图像信息处理 领域中的一个基本问题-并在卫星遥感w空间飞行 器的自动导航w光学和雷达的目标跟踪与识别w自 然资源分析及医学图像处理等许多领域中得到了 广泛的应用2图像匹配x"y是根据已知的图像 ’模板 图)在另一幅图像’搜索图)中寻找相应或相近模板 的过程2图像匹配算法主要分为$大类x$y-一类是 基于灰度相关的匹配-另一类是基于特征的匹 配x+%zy2前者主要用空间域的一维或二维滑动模板 进行图像匹配-不同算法的区别主要体现在模板及 相关准则的选择方面-这种方法一般匹配率高-但 计算量大-速度较慢/后者则通过在原始图像中提 取点w线w区域等显著特征作为匹配基元-进而用于 收稿日期!$##,%#0%"$/ 修回日期!$##,%"$%+# 作者简介!刘莹’"0&${)-女-西安人-硕士研究生-主要从事图像处理及图像跟踪的研究2|%kUOj!plXPfhUOPpXq}"$,.eXk 第$&卷 第*期 $##(年0月 应 用 光 学 TX[hPUjXc7ddjO‘fSd]Oeb ~Xj.$& 6X.* i‘d.$##( 特征匹配!一般匹配速度较快!但匹配精度不高" 由于受噪声#目标运动以及成像设备的限制! 使得所匹配的$幅图像存在一定的灰度失真和几 何形变!所以研究具有良好的抗噪声能力#抗几何 形变能力以及匹配正确率高#速度快的匹配算法成 为目前的一个重要课题"本文对基于灰度相关的匹 配算法进行了研究!在传统图像匹配算法最小误差 法和最大相关系数法的基础上!提出了改进的匹配 算法"实验结果表明!在保证一定匹配精度的条件 下!算法在匹配速度方面有很大的改善" % 相关匹配算法 在实际目标跟踪系统中!常用的相关匹配算法 有$类&一类强调景物之间的差别程度!即最小误 差法’另一类强调景物之间的相似程度!又可分成 相关系数法和积相关匹配法" 最小误差法的思想是!将模板图像 (在搜索 图)上平移!在每个位置上求模板与模板覆盖下的 子图 )*!+的绝对差& ,-*!+./0 1 2/% 0 3 4/% 5)*!+-2!4.6 (-2!4.5 模板大小为173!,-*!+.为最小值时即为匹配 位置" 优点&算法简单!计算速度快!在简单背景下能 获得较好的匹配" 缺点&该算法中图像的每一点对匹配结果做出 同样的贡献!因此算法性能易受个别点噪声#局部 遮挡的影响!可靠性低!不适用于图像灰度范围窄 的场合" 相关系数法的思想是!将实时图 8在基准图 9 上滑动!计算每一位置上的相关系数& :-;!<./ 0 1 +/% 0 3 =/% -9+>;!=><6 9.-8+!=6 8?. 0 1 +/% 0 3 =/% -9+>;!=><6 9.@ $ 0 1 +/% 0 3 =/% -8+!=6 8?.@ $ 式中& 9/ %130 1 +/% 0 3 =/% 9+!= 8?/ %130 1 +/% 0 3 =/% 8+!= 相关系数满足5:-;!<.5A%!在B6%!%C绝对尺度 范围之间衡量二者的相似性"通过比较参考图像和 输入图像在各个位置的相关系数!得到相关值最大 的点!即最佳匹配位置" 优点&该方法的精确度很高!具有较强的局部 抗干扰能力!并且当相对的旋转和畸变差异不大 时!也能够得到满意的匹配" 缺点&计算量很大!匹配速度慢" $ 相关匹配算法的改进 $D% 基于最小误差法的改进 对于最小误差法!提出一种新的相似性度量方 法&EF-GHIJGKGLJMNLJOPPQ.距离BRC!对其阈值 ( 采取动态调整的方法!即比较基准图和实时图对应 点的灰度绝对差"若小于某一门限 (!认为 $点相 似!统计整幅图像中像素绝对差小于门限的像素数 目!即相似程度!其定义如下& S-*!+./0 1 2 0 3 4 :-(-2!4.!)*!+-2!4.. 式中& :-(-2!4.!)*!+-2!4../ %! TUV-(-2!4.6 )*!+-2!4..W ( X!Y 其他 与传统最小误差法的不同之处在于这里计算 的是 $图像中相似点的个数!而非图像中所有像素 灰度绝对差的和"对于门限 (!其值越小!匹配精度 越高!但易受噪声的影响’其值越大!提取目标的形 状越完整!但匹配精度下降"对于低对比度图像!阈 值 (应该小一些’对于强对比度的图像!阈值 (应 该大一些"正常情况下!模板在与图像正确匹配时! 相似像素点数在 XDZ[E\] XD^RE\之间!若小 于 XD^RE\可适当增大阈值!若大于 XDZ[E\则 (应小一些"这样就避免了局部噪声的影响!又保 证了匹配精度!使得算法具有较强的抗干扰能力和 稳定性" $D$ 基于相关系数法的改进 任何一种匹配算法的总计算量都是采用的相 关算法计算量与搜索位置数值积B_C!即 总计算量 / 相关算法计算量 7 搜索位置数 因此!为了减少总的计算量!可以一方面设法减少 相关度量的计算量!另一方面在不影响匹配精度条 件下减少搜索位置的数目" 对于相关系数法!可以通过简化相关系数的计 算公式B$C!达到减少相关度量计算量的目的"相关 系数公式经简化可得到& :-;!<./ 0 1 +/% 0 3 =/% 9+>;!=><7 8+!=6 1397 8? 0 1 +/% 0 3 =/% 9$+>;!=><6 139@ $ 0 1 +/% 0 3 =/% 8$+!=6 138?@ $ ‘[aR‘应用光学 $XX[!$^-R. 刘 莹!等&基于灰度相关的图像匹配算法的改进 对 一 次 匹 配 过 程 而 言!实 时 图 的 均 值 "#和 $ % &’( $ ) *’( "+&!*, %)"#+是一个常数!因此在匹配开始 时!先计算这+项-这样在后续的匹配搜索时!只需 将这+项的值直接代入相关系数公式!避免了重复 计算-其次!因为开根号需要花费大量的时钟周期! 对分子和分母同时平方!这样就不需要计算根号 了!分母的运算量近似为%.)次乘累加运算-经 以上近似计算!相关系数的计算量大大减少了- 相关系数匹配法的正确匹配位置位于最大相 关系数值的地方!如果在基准图中逐点计算!将会 耗费大量的时间!因此本文采用由粗到细的搜索策 略!通过三步搜索法以减少搜索位置的数目/01!从 而减少总的计算量-第一步!选择初始步长!对图像 进行粗匹配!确定最大相关值可能位于的区域!这 里搜索步长为 2!这样可使运算量减少为原来的 (3(45第二步!步长减为原来的一半!图像中心移到 第一步得到的最大相关点处5最后!以第二步得到 的最大相关点为中心!计算其十字方向上的 2个 点!比较相关系数值的大小!找到最大相关值!从而 得到最后的匹配点-其搜索收敛过程如图(所示- 图( 搜索收敛过程图 6789( :;<=>?7@8>A@B;=8;@CD=A>;EE 通过三步搜索策略!每进行一步!其结果越近 似精确解-与直接匹配法相比!该方法的匹配速度 大大提高!并且在运动模糊F局部遮挡及几何形变 的情况下!仍有较高的匹配精度- G 实验结果及分析 实验条件HIJKLMNMOPQJNRSTUVV49W环境 下!实验计算机UXY为UZTZLM[\]^ !主频+9W_‘a! 内存+b4Ic-其中模板图的大小为GWdbW\像素 !^ 基准图的大小为+b4d+b4\像素 !^如图+和图G所 示-基准图经顺时针旋转(be后的图像如图2所示!其 中模板图左上角在基准图中的位置\像素数 为^\fb! Gb^-采用传统的相关匹配方法和改进的算法进行对 比实验!图b和图4分别为以上2种算法在图G\基准 图 和^图2\旋转后的基准图 上^的匹配结果- 图+ 模板图像 6789+ g;hDi<C;7h<8; 图G 原始图像 6789G j=787@<i7h<8; 图2 旋转图像 67892 kAC<C;l7h<8; 图b 匹配结果示意图 6789b m7<8=<hAnh<C>?7@8=;EoiC pfGbp 应用光学 +WW0!+f\b^ 刘 莹!等H基于灰度相关的图像匹配算法的改进 图 !采用了最小误差法"相关系数法"#$法 和改进的相关系数法%得到的匹配位置均与模板图 在原基准图中的位置相一致&图’为采用经最小误 差法和#$距离法得到的匹配位置%其误差为(个 像素%而另外)种方法得到的匹配位置与原位置一 致&结果表明*在无运动模糊"无局部遮挡及无几何 形变的情况下%+种算法都能够得到正确的匹配% 而一旦条件不满足时%如上文中图像存在一定的旋 转时%最小误差法的匹配精度会有所下降%而传统 的和改进的相关系数法仍能保持较高的精度& 图’ 匹配结果示意图 ,-./’ 0-1.2134531678-9.2:;<=6 表( 匹配时间对比 >1?=:( >-3:749621;64531678-9. 匹配算法 平均匹配时间@A 最小误差法 +/)BC 相关系数法 !/+’B #$法 C/DC! 改进的相关系数法 E/+DC 表(为上述+种算法的匹配耗时对比&可以看 出%传统的相关系数法的匹配速度最慢%#$法的 速度有所提高%而改进的相关系数法的匹配速度相 对于传统方法提高了(E多倍&这是因为改进的相 关系数法对相关系数的计算公式进行了简化%减小 了相关算法的运算量%并采用三步搜索法进行匹 配%从而使算法的匹配速度大幅提高&在实际应用 中%我们可根据实际情况选择合适的步长& + 结论 改进的相关系数法的性能最优&#$算法在匹 配速度方面有所提高%但提高不明显%而且必须预 先确定阈值F%阈值在不同背景下是不同的%尤其 在复杂背景下就限制了这种算法的应用&本文采用 动态调整阈值的方法%在一定程度上解决了该问 题%本实验中FG(!&改进的相关系数法对相关系 数的计算公式进行了简化%并采用三步搜索策略进 行匹配%克服了传统的采用相关系数作为相似性判 定准则的图像匹配算法运算量大的缺点%同时又不 失其匹配精度高的优点%从而可满足图像匹配系统 的实时性要求& 参考文献* H(I 罗钟铉%刘成明/灰度图像匹配的快速算法HJI/计算 机辅助设计与图形学学报%)EE!%(BK!L*M’’NMBE/ $OPQRSTUNVWXT%$YOZR[TUN\]TU/ X^A_X‘USa]_R\ Sb]\XU[\X_cR]TUHJI/JSWaTX‘SbZS\dW_[aNe]f[f g[A]UThZS\dW_[aiaXdR]cA%)EE!%(BK!L*M’’NMBE/ K]TZR]T[A[L H)I 朱永松%国澄明/基于相关系数的相关匹配算法的研 究HJI/信号处理%)EEC%(MK’L*!C(N!C+/ QjOkSTUNASTU%iOPZR[TUN\]TU/lR[a[A[XacRSb cSaa[‘X_]ST\X_cR]TUX‘USa]_R\ mXA[fSTcSaa[‘X_]ST cS[bb]c][T_HJI/n]UTX‘oaSc[AA]TU%)EEC%(MK’L*!C(N !C+/K]TZR]T[A[L HCI 崔江涛%刘卫光%周利华/一种多分辨率高维图像特征 匹配算法HJI/光子学报%)EE!%C+K(L*(CDN(+(/ ZOYJ]XTUN_XS%$YO p[]NUWXTU%QjPO $]NRWX/e \W‘_]Na[AS‘W_]STqeNb]‘[bSaR]URNf]\[TA]STX‘]\XU[ b[X_Wa[_aXcr]TUHJI/ec_XoRS_ST]cXn]T]cX%)EE!%C+ K(L*(CDN(+(/K]TZR]T[A[L H+I 张强%那彦%李建军/基于边缘几何特征和频域相关 技术的图像匹配方法HJI/应用光学%)EE’%)BK+L* )D!N)DD/ Qjesi t]XTU%se kXT%$Y J]XTNuWT/ Y\XU[ \X_cR]TUmXA[fSTU[S\[_a]cb[X_Wa[Sb[fU[AXTf _R[cSaa[‘X_]ST]Tba[vW[TcwfS\X]THJI/JSWaTX‘Sb edd‘][fPd_]cA%)EE’%)BK+L*)D!N)DD/K]TZR]T[A[L H!I 廖云涛%任仙怡%张桂林%等/一种新的基于对应像素 距离度量的图像相关匹配方法HJI/红外与激光工 程%)EE(%CEK’L*+(DN+)(/ $YePkWTN_XS%xysz]XTNw]%QjesiiW]N‘]T%[_X‘/ eT[{]\XU[\X_cR]TU\[_RSfmXA[fSTXTS|[‘d]V[‘ f]A_XTc[ \[XAWa[\[T_HJI/ YTbaXa[f XTf $XA[a yTU]T[[a]TU%)EE(%CEK’L*+(DN+)(/K]TZR]T[A[L }MC!}应用光学 )EEB%)DK!L 刘 莹%等*基于灰度相关的图像匹配算法的改进 !"# 何斌$马天予$王运坚$等%&’()*+,--数字图像处 理!.#%北京/人民邮电出版社$0112/3425611% 78 9’:$.; <’*:5=)$>;?@ A):5B’*:$CD*2% &’()*+,-- E’F’D*+’G*FCHIJKC((!.#%9C’B’:F/LJ(D M<C+CFI*HNLIC(($0112/3425611%O’:,N’:C(CP !Q# 刘刚$苏秀琴$胡晓东$等%高速电视下基于自适应阈 值的实时图像跟踪!R#%光子学报$0116$S3OTP/20"05 20"6% UVW @*:F$XW Y’)5Z’:$7W Y’*J5EJ:F$CD*+%[C*+5 D’GC’G*FCDI*K\’:F]*(CEJ:*E*HD’^CDNIC(NJ+E’: N’FN(HCCE<&!R#%;KD*LNJDJ:’K*X’:’K*$0116$S3 OTP/20"0520"6%O’:,N’:C(C _________________________________________________ P 中国兵工学会光电子技术专业委员会召开 第五届学术交流会暨换届会议 中国兵工学会光电子技术专业委员会于011Q年T月2T日‘02日在青海省西宁市召开了委员会换届 暨第五届学术交流会议a 24日上午举行了大会开幕式$016所所长王小鹏向大会致辞$他在致辞中说/中国兵工学会光电子技 术专业委员会第五届学术交流会暨换届工作会议经过几个月的筹备$今天在夏都西宁市召开了$我代表 016所向上级主管部门中国兵工学会以及支持我们工作的单位和与会代表表示感谢a这次会议的主要任 务是进行光电子技术专业委员会的换届和学术交流$加强我们同行之间的认识和了解$共同探讨未来光电 子技术的发展$发挥好专委会的平台作用a作为挂靠单位的016所$一方面要利用我们在光电领域技术上 的优势$加强技术创新$干好我们的科研$继续扛好光电子技术这杆旗$继续为光电子技术的发展作出我们 的新贡献$同时我们将一如既往地支持专委会的工作a我们愿意继续利用现有的技术优势$在技术和产品 开发中加强与同行业有关部门和科技人员的合作$共同肩负起发展国防光电子技术的重任a 中国兵工学会副秘书长许毅达代表总会在开幕式也讲了话$他在讲话中认为$光电子技术专业委员会 成立时间不长$但是活动开展的很有特色$为兵器和国防科技领域光电子技术的发展做出了一定的贡献$ 这一方面说明$这个专业领域很活跃b正在蓬勃发展c另一方面说明$广大科技工作者b委员对学会工作很 支持$还有一个最重要的原因就是016所的领导很有战略眼光$他们看到了学术交流这块活动平台对未来 科技发展b科技创新工作的重要促进作用$作为挂靠单位对这项工作非常重视和支持a 中科院成都光电所所长b光电子技术专委会副主任委员袁家虎代表与会人员讲了话a他高度赞扬了光 电子技术专委会在为委员相互沟通信息方面所发挥的桥梁作用a 016所所长王小鹏等6位同志还在大会上做了学术报告a王所长所作的d光电子技术在现代军用装备 中的应用e的报告$引起了与会代表的极大关注a 第一届专委会副主任委员盛益鹏主持召开了换届工作会议a会上$第一届专委会总干事杨大军首先向 与会委员作了上一届委员会的工作报告c016所发展计划处处长胡红作了第二届专业委员会组成情况的 说明c中国兵工学会副秘书长许毅达宣读了f关于中国兵工学会光电子技术专业委员会第二届委员会委员 名单的批复ga至此$经各单位推荐$民主协商$中国兵工学会六届常务理事会审议$由4"名委员组成的第 二届光电子技术专业委员会正式成立a我所王小鹏所长任主任委员$党委书记胡宏智任常务副主任委员$ 胡红任总干事$汪宏运任副总干事a 新一届专委会主任委员王小鹏主持召开了第二届委员会会议a王所长首先讲话$表示要尽心尽力组织 作好专委会的工作$为国防光电子技术的发展再做新贡献a 与会委员还介绍了本单位的情况$并就有关专业技术问题进行了讨论交流a第二届光电子技术专业委 员会总干事胡红对学会下一步的工作进行了安排a 本次会议在全体代表的努力下$圆满完成了各项议程a O汪宏运P h136h 应用光学 011Q$0TO6P 刘 莹$等/基于灰度相关的图像匹配算法的改进

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