專利名稱：一種灰度圖像匹配方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于圖像處理領域，尤其涉及一種灰度圖像匹配方法及系統。
背景技術：
圖像匹配是指通過一定的匹配算法在兩幅或多幅圖像之間識別同名點，如 二維圖像匹配中通過比較目標區和搜索區中相同大小的窗口的相關系數，取搜 索區中相關系數最大所對應的窗口中心點作為同名點。其實質是在基元相似性 的條件下，運用匹配準則的最佳搜索問題。
灰度圖像的匹配技術目前被廣泛的應用于生產過程中產品的質量檢測。然 而傳統的匹配方法或者耗時較長，難以滿足生產線高速實時檢測的要求，或者 對于圖像質量要求很高，造成檢測系統硬件成本偏高。
圖像匹配主要可分灰度特征和幾何特征匹配。其中基于幾何特征的圖像匹 配，特征單一，準確率不是很高。通常將兩種特征結合起來而進行圖像匹配， 算法往往比較繁瑣。傳統的灰度圖像匹配算法，在使用過程中有以下幾個主要
的問題l.對圖像的質量即圖像的清晰度要求很高，因此在圖像采集過程中， 對照明光源的效果以及相機的成像質量都具有很高的要求，從而造成整體的硬 件成本偏高；2.由于算法本身的復雜性，導致了匹配算法的實用性不高；3.匹配 結果的準確性不高，經常會有錯判、誤判現象，對檢測結果造成了嚴重的影響。
發明內容
本發明實施例的目的在于提供一種灰度圖像匹配方法，旨在解決現有技術 灰度圖像匹配過程中運算量大，匹配結果不夠準確的問題。
6本發明實施例是這樣實現的， 一種灰度圖像匹配方法，該方法包括
獲取標準圖像和待測圖像；
分別對所述標準圖像和待測圖像進行采樣后，獲取標準采樣圖像和待測采
樣圖像；
根據所述標準采樣圖像在所述待測采樣圖像上獲取粗匹配區域； 根據所述粗匹配區域和標準圖像在所述待測圖像上獲取目標區域。 本發明實施例的另一目的在于提供一種灰度圖像匹配系統，該系統包括 標準圖像獲取單元，用于獲取標準圖像； 待測圖像獲取單元，用于獲取待測圖像；
采樣單元，用于分別對所述標準圖像獲取單元獲取的標準圖像和所述待測 圖像獲取單元獲取的待測圖像進行采樣；
標準采樣圖像獲取單元，用于根據所述采樣單元對標準圖像進行采樣的結
果獲取標準采樣圖像；
待測采樣圖像獲取單元，用于根據所述采樣單元對待測圖像進行采樣的結
果獲取待測采樣圖像；
粗匹配區域獲取單元，用于根據所述標準采樣圖像獲取單元獲取的標準采 樣圖像，在所述待測采樣圖像獲取單元獲取的待測采樣圖像上獲取粗匹配區域。
目標區域獲取單元，用于根據粗匹配區域獲取單元獲取的粗匹配區域和標 準圖像獲取單元獲取的標準圖像在待測圖像獲取單元獲取的待測圖像上獲取目 標區域。
在本發明實施例中，通過對獲取的標準圖像和待測圖像進行采樣獲取標準 采樣圖像和待測采樣圖像，根據標準采樣圖像，在待測采樣圖像上獲取粗匹配 區域，根據粗匹配區域和標準圖像，在待測圖像上獲取目標區域。匹配過程運 算量小，時間短，匹配結果較準確。
圖1是本發明實施例提供的灰度圖像匹配方法的流程圖； 圖2是本發明實施例在待測圖像上檢測目標區域的流程圖； 圖3是本發明實施例提供的灰度圖像匹配系統的結構圖。
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實 施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅 僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
在本發明實施例中，通過對獲取的標準圖像和待測圖像進行采樣獲取標準 采樣圖像和待測采樣圖像，根據標準采樣圖像，在待測采樣圖像上獲取粗匹配 區域，根據4且匹配區域和標準圖像，在待測圖4象上獲取目標區域。匹配過程運 算量小，時間短，匹配結果較為準確。
圖1示出了本發明實施例提供的灰度圖像匹配的處理流程。
在步驟S101中，獲取標準圖像和待測圖像。
本發明實施例中，待匹配的標準圖像和待測圖像為灰度圖像，也可以是彩 色圖像轉換為灰度圖像后的圖像。其中，標準圖像可以是一個未處理的圖像， 也可以在任意一個圖像上手動截取標準圖像，例如在圖像編輯頁面按住鼠標左 鍵的同時移動鼠標選定的一個矩形區域，將該矩形區域作為標準圖像。本發明 實施例的主要目的是在待測圖像中獲取與標準圖像匹配的目標區域。
在步驟S102中，分別對標準圖像和待測圖像進行采樣后，獲取標準采樣圖 像和待測采樣圖像。
在本發明實施例中，先根據標準采樣圖像在待測采樣圖像上進行粗匹配， 再結合粗匹配的結果，才艮據標準圖像在待測圖像上進行精確匹配獲取目標區域。
標準圖像和待測圖像進行采樣的方式有很多種，且對標準圖像和待測圖像 進行采樣的方法是一致的，得到的標準采樣圖像和待測采樣圖像分別小于標準 圖像和待測圖像，并保存了標準圖像和待測圖像的部分信息，標準采樣圖像和待測采樣圖像越小，匹配時間越短，但是保存的標準圖像和待測圖像的信息也 越少，則匹配誤差越大，為了達到較好的粗匹配效果，在本發明較佳實施例中， 對標準圖像隔點采樣獲得標準采樣圖像，對待測圖像隔點采樣獲得待測采樣圖 像。此時采樣后圖像的大小是圖像前的1/4。
在步驟S103中，根據標準采樣圖像在待測采樣圖像上獲取粗匹配區域。
在本發明實施例中，根據標準采樣圖像在待測采樣圖像上獲取粗匹配區域
的步驟具體為將標準采樣圖像的大小作為第一類區域的大小，根據第一類區 域的大小在待測采樣圖像上獲取第一類區域，根據第一類區域和標準采樣圖像 獲取第一類區域對應的相關值；獲取預設相關值，當第一類區域對應的相關值 大于或等于預設相關值時，確認第 一類區域為粗匹配區域。
在步驟S104中，根據粗匹配區域和標準圖像在待測圖像上獲取目標區域。 在本發明實施例中，根據粗匹配區域和標準圖像在待測圖像上獲取目標區 域的步驟具體為根據粗匹配區域獲取第二類區域的位置，將標準圖像的大小 作為第二類區域的大小，根據第二類區域的位置和大小在待測圖像上獲取第二
類區域；根據第二類區域和標準圖像獲取第二類區域對應的相關值；將相關值 最大的第二類區域作為目標區域。
在步驟S103中和步驟S103中，相關值越大，表示相關值對應的第一類區 域與標準采樣圖像越匹配，或者表示相關值對應的第二類區域與標準圖像越匹 配，在本發明實施例中，通過進行歸一化積相關特征運算獲取第一類區域和第 二類區域對應的相關值，相關值h(u,v)的計算公式為
Z"/(W + X，V"MXJ) AO," = ; w J-—，
VH，/2 ("+x，v+力V21,/2 (x'力
其中，(u，v)為待測采樣圖像中第一類區域的位置或者待測圖像中第二類 區域的位置，f (u+x,v+y)為第一類區域的像素值或者第二類區域的像素值，s (x, y)為標準采樣圖像像素值或者標準圖像像素值，x、 y的取值范圍即為標 準采樣圖像或標準圖像的橫縱坐標的取值范圍，由于歸一化積相關特征運算與
9圖像的明暗程度無關，降低了匹配對圖像質量的苛刻要求。
另外，根據粗匹配區域獲取第二類區域的位置具體步驟為標準采樣圖像 由標準圖像隔k個點進行采樣獲得，待測采樣圖像由待測圖像隔點隔k個點進 行采樣獲得，k為大于或等于1的整數時，根據粗匹配區域獲取第二類區域的
位置具體步驟為當一個像素點代表坐標的一個標度值，待測標準圖像上粗匹 配區域的像素點的坐標為(x,y)時，待測圖像上第二類區域的像素點的坐標為 ((k+l) x+m， (k+l) y+n),其中m, n為整凄t。 m, n可以根據需要進行設置。
在本發明較佳實施例中，對標準圖像隔點采樣獲得標準采樣圖像，對待測 圖像隔點采樣獲得待測釆樣圖像，當一個像素點代表坐標的一個標度值，待測 圖像上粗匹配區域的像素點的坐標為(x，y)時，待測圖像上第二類區域的像素 點的坐標為(2x，2y),當然，還可以包括(2x+m,2y+n)，其中m, n可以為 正整數，也可以為負整數，還可以為0。由于采用隔點采樣縮短了大約3/4的匹 配時間，同時因為相鄰相素之間的關聯性，保證了精確匹配的時候能夠較準確 的找到匹配的目標區域的位置。
作為本發明的 一個較佳實施例，為了進一步減少匹配的時間，加快匹配的 效率例如在對多個待測圖像進行匹配時，先排除明顯不包含與標準圖像匹配的 目標區域的待測圖像。灰度圖像匹配方法還包括檢測待測圖像是否包含目標 區域。
圖2示出了本發明實施例在待測圖像上檢測目標區域的流程圖。 在步驟S201中，分別對標準圖像和待測圖像進行二值化， 在步驟S202中，獲取標準比值，根據標準比值設置標準比值區間； 在步驟S203中，獲取待測比值，判斷待測比值是否在標準比值區間上，是 則執行步驟S204，否則執行步驟S205;
在步驟S204中，確定待測圖像包含目標區域； 在步驟S205中，確定待測圖像不包含目標區域。
10其中，設置的標準比值區間包括所述標準比值，比較常用的二值化方法有 雙峰法、P參數法、迭代法等，在此不再——列舉。標準比值為完成二值化的
標準圖像中像素值為0的像素個數和像素值為255的像素個數的比值，待測比 值為完成二值化的待測圖像中像素值為0的像素個數和像素值為255的像素個 數的比值。在本發明實施例中，當確定待測圖像不包括目標區域時，無需對待 測圖像進行匹配，節省了匹配的時間，提高了匹配的效率。
為了減少匹配過程的運算量，為了縮小匹配的范圍，快速準確的獲取目標 區域，即獲取感興趣區(Region Of Interest ， ROI)，作為本發明的一個較佳 實施例，灰度圖像匹配方法還包括對標準圖像和待測圖像進行分割。分割可 以通過設置分割區域或者手動截取實現，例如可用鼠標在待測圖像上選定一個 矩形區域，只對待測圖像的矩形區域內的內容進行匹配。
在本發明實施例中，還可以根據需要對匹配過程的參數進行更多設定，例 如，調整預設相關值的取值范圍，通過設置數量獲取多個目標區域以進行參考； 通過設置匹配時允許的偏轉角度，例如匹配過程中第 一類區域或者第二類區域 和標準圖像或者標準采樣圖像相比,允許的反向旋轉角度范圍和正向旋轉角度 范圍；另外，當標準圖像或者待測圖像有多個時，還可以循環調用標準圖片進 行連續匹配。具體不再--列舉。
圖3示出了本發明實施例提供的灰度圖像匹配系統，為了便于說明僅示出 了與本發明實施例相關的部分。
該系統可以是內置于計算機，攝像裝置或者其他圖像處理設備的軟件單元、 硬件單元或者軟硬件相結合的單元，也可以是運行于這些設備內的軟件單元、 硬件單元或者軟^/f牛相結合的單元。
在本發明實施例中，灰度圖像匹配系統主要包括標準圖像獲取單元31、待 測圖像獲取單元32、采樣單元33、標準采樣圖像獲取單元34、待測采樣圖像 獲取單元35、粗匹配區域獲取單元36,和目標區域獲耳又單元37。
標準圖像獲取單元31獲取標準圖像，待測圖像獲取單元32,獲取待測圖像；采樣單元33對標準圖像獲取單元31獲取的標準圖像和待測圖像獲取單元 32獲取的待測圖像進行采樣，并分別將采樣的結果發送給標準采樣圖像獲取單 元34和待測采樣圖像獲取單元35;粗匹配區域獲取單元36根據標準采樣圖像 獲取單元34獲取的標準采樣圖像，在待測采樣圖像獲取單元35獲取的待測采 樣圖像上獲取粗匹配區域；目標區域獲取單元37根據粗匹配區域獲取單元36 獲取的粗匹配區域和標準圖像獲取單元31獲取的標準圖像在待測圖像獲取單 元32獲取的待測圖像上獲取目標區域，其實施方式如上所述，不再贅述。
其中，粗匹配區域獲取單元36進一步包括將標準采樣圖像的大小作為第 一類區域的大小，才艮據第一類區域的大小在待測采樣圖像單元獲取的待測采樣 圖像上獲取第 一類區域的第 一類區域獲取模塊；根據第 一類區域獲取模塊獲取 的第一類區域和標準采樣圖像獲取單元獲取的標準采樣圖像，獲取第一類區域 對應的相關值的相關值獲取模塊；獲取預設相關值的預設相關值獲取模塊，以 及當相關值獲取模塊獲取的第 一類區域對應的相關值大于或等于預設相關值獲 取模塊獲取的預設相關值時，判斷第一類區域為粗匹配區域的判斷模塊，其實 施方式如上所述，不再贅述。
目標區域荻取單元37進一步包括將標準采樣圖像的大小作為第一類區域 的大小，根據粗匹配區域獲取單元獲取的粗匹配區域獲取第二類區域的位置， 根據第 一類區域的大小和位置在待測圖像上獲取第二類區域的第二類區域獲取 模塊；根據第二類區域獲取模塊獲取的第二類區域和標準圖像獲取單元獲取的 標準圖像獲取第二類區域對應的相關值的相關值獲取模塊，以及將相關值獲取 模塊獲取的最大相關值對應的第二類區域，作為粗匹配區域的目標區域獲取模 塊，其實施方式如上所述，不再贅述。
作為本發明的一個較佳實施例，為了進一步減少匹配的時間，加快匹配的 效率，灰度圖像匹配系統還包括檢測單元，用于判斷待測圖像獲取單元獲取的 待測圖像是否包含目標區域。其中，檢測單元進一步包括對標準圖像獲取單 元獲取的標準圖像和待測圖像獲取單元獲取的待測圖像進行二值化的二值化模塊；根據二值化模塊的二值化結果獲取標準比值和待測比值的比值獲取模塊； 根據比值獲取模塊獲取的標準比值設置標準比值區間的標準比值區間設置模 塊，以及當比值獲取模塊獲取的待測比值在標準比值區間設置模塊設置的標準 比值區間上時，確定待測圖像包含目標區域，否則確定待測圖像不包含目標區 域的判斷模塊。其中標準比值區間包括標準比值，標準比值為完成二值化的標
準圖像中像素值為0的像素個數和像素值為255的像素個數的比值，待測比值 為完成二值化的待測圖像中像素值為0的像素個數和像素值為255的像素個數 的比值。其實施方式如上所述，不再贅述。
作為本發明的一個較佳實施例，為了縮小匹配的范圍，獲取感興趣區ROI， 以減少匹配過程的運算量，快速準確的獲取目標區域，灰度圖像匹配系統還包 括分割單元，用于對標準圖像獲取單元獲取的標準圖像和待測圖像獲取單元獲 取的待測圖像進行分割。其實施方式如上所述，不再贅述。
當然，還可以對灰度圖像匹配系統的參數進行設置，其實施方式如上所述， 不再贅述。
本文根據黑白像素統計特征做預篩選，根據相關特征作二次篩選，通過粗 精匹配相結合大大減少了灰度圖像的匹配運算量，縮短了匹配運算時間，提高 了匹配結果的準確度和魯棒性，且匹配過程降低了對于圖像質量的苛刻要求， 還可以自主設定處理區域，靈活性較強；另外還能滿足一般的工業生產對于產 品的質量檢測，不規則形狀檢測等混料檢測以及圖像中特征目標物體的搜索的 要求，具較好的實時性。
本領域普通技術人員可以理解，實現上述實施例方法中的全部或部分步驟 是可以通過程序來指令相關的硬件來完成，所述的程序可以在存儲于一計算機 可讀取存儲介質中，所述的存儲介質，如ROM/RAM、磁盤、光盤等。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發 明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明
的保護范圍之內。
權利要求
1、一種灰度圖像匹配方法，其特征在于，該方法包括獲取標準圖像和待測圖像；分別對所述標準圖像和待測圖像進行采樣后，獲取標準采樣圖像和待測采樣圖像；根據所述標準采樣圖像在所述待測采樣圖像上獲取粗匹配區域；根據所述粗匹配區域和標準圖像在所述待測圖像上獲取目標區域。
2、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述根據所述標準采樣圖像在 所述待測采樣圖像上獲取粗匹配區域的步驟具體為將所述標準采樣圖像的大小作為第一類區域的大小，根據所述第一類區域 的大小在所述待測采樣圖像上獲取第 一類區域；根據所述第 一類區域和標準采樣圖像獲取第 一類區域對應的相關值；獲取預設相關值，當所述第一類區域對應的相關值大于或等于所述預設相 關值時，確定所述第一類區域為粗匹配區域；所述根據所述粗匹配區域和標準圖像在所述待測圖像上獲取目標區域的步 驟具體為根據粗匹配區域獲取第二類區域的位置，將所述標準圖像的大小作為第二 類區域的大小，根據所述第二類區域的位置和大小在待測圖像上獲取第二類區 域；根據所述第二類區域和標準圖像獲取第二類區域對應的相關值； 將相關值最大的第二類區域作為目標區域。
3、 如權利要求2所迷的方法，其特征在于，所述相關值的計算公式為其中，h(u,v)為相關值，(u，v)為所述待測采樣圖像中所述第一類區域的位 置或者所述待測圖像中所述第二類區域的位置，f (u+x，v+y)為所述第一類區域像素值或者所述第二類區域像素值，s (x, y)為所述標準采樣圖像的像素值 或者所述標準圖像的像素值，所述x、 y的取值范圍即為所述標準采樣圖像或標 準圖像的橫縱坐標的取值范圍。
4、 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述標準采樣圖像由標準圖像 隔k個點進行采樣獲得，所述待測采樣圖像由待測圖像隔k個點進行采樣獲得， k為大于或等于1的整數，所述根據所述粗匹配區域獲取第二類區域的位置具 體步驟為當 一個像素點代表坐標的一個標度值，待測采樣圖像上粗匹配區域的像素 點的坐標為(x,y)時，待測圖像上第二類區域的像素點的坐標為 ((k+l) x+m, (k+l) y+n),其中，m, n為整數。
5、 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在所述獲取標準圖像和待測圖 像的步驟之后，所述方法還包括檢測所述待測圖像是否包含目標區域； 所述檢測所述待測圖像是否包含目標區域的步驟具體包括 根據標準圖像的二值化結果獲取標準比值，根據所述標準比值設置標準比 值區間；根據待測圖像的二值化結果獲取待測比值，當所述待測比值在標準比值區 間上時，確定所述待測圖像包括目標區域，否則確定所述待測圖像不包含目標 區域。
6、 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述標準比值區間包括所述標 準比值，所述標準比值為完成二值化的標準圖像中像素值為0的像素個數和像 素值為255的像素個數的比值，所述待測比值為完成二值化的待測圖像中像素 值為0的像素個數和像素值為255的像素個數的比值。
7、 一種灰度圖像匹配系統，其特征在于，所述系統包括 標準圖像獲取單元，用于獲取標準圖像；待測圖像獲取單元，用于獲取待測圖像；采樣單元，用于分別對所述標準圖像獲取單元獲取的標準圖像和所述待測圖像獲取單元獲取的待測圖像進行采樣；標準采樣圖像獲取單元，用于根據所述采樣單元對標準圖像進行采樣的結 果獲取標準采樣圖像；待測采樣圖像獲取單元，用于根據所述采樣單元對待測圖像進行采樣的結 果獲取待測采樣圖像；粗匹配區域獲取單元，用于根據所述標準采樣圖像獲取單元獲取的標準采 樣圖像，在所述待測采樣圖像獲取單元獲取的待測釆樣圖像上獲取粗匹配區域。貝標區域獲取單元，用于根據粗匹配區域獲取單元獲耳義的粗匹配區域和標 準圖像獲取單元獲取的標準圖像在待測圖像獲取單元獲取的待測圖像上獲取目 標區域。
8、如權利要求7所述的系統，其特征在于，所述粗匹配區域獲取單元進一 步包括第一類區域獲耳"漠塊，用于將標準采樣圖像的大小作為第一類區域的大小，根據所述第一類區域的大小在所述待測采樣圖像上獲取第一類區域；相關值獲取模塊，用于根據所述第 一類區域獲取模塊獲取的第 一類區域和標準采樣圖像獲取單元獲取的標準釆樣圖像獲取第 一類區域對應的相關值； 預設相關值獲取模塊，用于獲取預設相關值；判斷模塊，當相關值獲取模塊獲取的第一類區域對應的相關值大于或等于 預設相關值獲取模塊獲取的預設相關值時，判斷所述第 一類區域為粗匹配區域； 所述目標區域獲取單元進一步包括第二類區域獲取模塊，用于將標準采樣圖像的大小作為第 一類區域的大小， 根據所述粗匹配區域獲取單元獲取的粗匹配區域獲取第二類區域的位置，根據 第 一類區域的大小和位置在所述待測圖像上獲取第二類區域；相關值獲取模塊，用于根據第二類區域獲舉4莫塊獲耳又的第二類區域和標準 圖像獲取單元獲取的標準圖像獲取第二類區域對應的相關值；目標區域獲取沖莫塊，用于將相關值獲取模塊獲取的最大相關值對應的第二 類區域，作為4且匹配區域。
9、 如權利要求8所述的系統，其特征在于，所述系統還包括 檢測單元，用于判斷待測圖像獲取單元獲取的待測圖像是否包含目標區域。
10、 如權利要求9所述的系統，其特征在于，所述檢測單元進一步包括 二值化^t塊，用于對所述標準圖像獲取單元獲取的標準圖像和所述待測圖像獲取單元獲取的待測圖像進行二值化；比值獲取模塊，用于根據所述二值化模塊的二值化結果獲取標準比值和待 測比4直；標準比值區間設置模塊，用于根據所述比值獲取模塊獲取的標準比值設置 標準比J直區間；判斷模塊，當所述比值獲取模塊獲取的待測比值在標準比值區間設置模塊 設置的標準比值區間上時，確定待測圖像包含目標區域，否則確定待測圖像不 包含目標區域。
全文摘要
本發明適用于圖像處理領域，提供了一種灰度圖像匹配方法及系統，所述方法包括獲取標準圖像和待測圖像；分別對所述標準圖像和待測圖像進行采樣后，獲取標準采樣圖像和待測采樣圖像；根據所述標準采樣圖像在所述待測采樣圖像上獲取粗匹配區域；根據所述粗匹配區域和標準圖像在所述待測圖像上獲取目標區域。在本發明實施例中，通過對獲取的標準圖像和待測圖像進行采樣獲取標準采樣圖像和待測采樣圖像，根據標準采樣圖像，在待測采樣圖像上獲取粗匹配區域，根據粗匹配區域和標準圖像，在待測圖像上獲取目標區域。匹配過程運算量小，時間短，匹配結果較準確。
文檔編號G06K9/64GK101477632SQ20081024183
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者熊亞俊, 偉 苗, 蔣會軒, 高云峰, 黃青龍 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司;深圳市大族數控科技有限公司;深圳市大族光電設備有限公司