數(shù)字圖像匹配

1、數(shù)字圖像匹配一.需求分析題目:數(shù)字圖像匹配問題描述: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(jìn)行匹配的算法及演示程序?；疽筮M(jìn)行匹配的兩幅圖像為格式或格式。能夠進(jìn)行對兩幅數(shù)字圖像的匹配。（3采）用.交互式程序?qū)D像進(jìn)行匹配。提高要求:能夠?qū)?shù)字進(jìn)行簡單處理，例如放大，縮小，翻轉(zhuǎn)，灰度處理，圖象二值化。開發(fā)環(huán)境：自帶的界面編輯器基本功能: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(gè)是數(shù)字圖像處理模塊，另一個(gè)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(jìn)行簡單的處理，可以對圖像進(jìn)行放大，縮小，翻轉(zhuǎn)，灰度處

2、理。在數(shù)字圖像匹配模塊中，用戶可以對兩張圖像進(jìn)行匹配并顯示匹配結(jié)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(yīng)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(shí)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(yīng)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。二算法設(shè)計(jì)1.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(shí)看到的黑白照片：亮度由暗到明，變化

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

4、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(diǎn)的坐標(biāo)可能不是而是這是因?yàn)橛袝r(shí)為了在計(jì)算機(jī)中處理的方便像素點(diǎn)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(biāo)就是如此.2數(shù)字圖像匹配算法設(shè)計(jì)：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(yù)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(fù)雜的工作?；诨叶鹊拿嫫ヅ渌惴０迤ヅ涫侵赣靡粋€(gè)較小的圖像，即模板與源圖像進(jìn)行比較，

5、以確定在源圖像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(shù)臺與源圖像對應(yīng)區(qū)域的誤差平方和。設(shè)為義的源圖像，為義WW的模板圖像則誤差平方和測度定義為Dx,y)J1Kf(xj,y)(j,k)Rj10k10由上式展開可得:D(X,y)K11f(Xj,yk)22.t(j,k)If(xj,yk)t(j,k)2jIDkIDjkjIDkID令DS(x,y)f(xj,yk)RjkDST(x,y)2.t(j,k)胃(xj,yk)jkDT(x,y)t(j,k)2jknDS(x,y)稱為源圖像中與模板對應(yīng)區(qū)域的能量，它與像素位置(x,y)有關(guān)，但隨像素

6、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(yīng)區(qū)域的互相關(guān)，它隨像素位置(x,y)的變化而變化，當(dāng)模板t(j,k)和源圖像中對應(yīng)區(qū)域相匹配時(shí)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(guān)，只用一次計(jì)算便可。顯然，計(jì)算誤差平方和測度可以減少計(jì)算量?；谏鲜龇治觯粼O(shè)DS(x,y)也為常數(shù)，則用DST(x,y)便可進(jìn)行圖像匹配，當(dāng)DST(x,y)取最大值時(shí)，便可認(rèn)為模板與圖像是匹配的。但假設(shè)DS(x,y)為常數(shù)會(huì)產(chǎn)生誤差，嚴(yán)重時(shí)將無法下確匹配，因此可用歸一化互相關(guān)作為誤差平方和測度，其定義為：t(j,k)If(xj,yk)R(x,y)./.k

7、卬_產(chǎn)f(xj,yk)t(j,k)2j*k*j*k*下圖給出了模板匹配的示意圖，其中假設(shè)源圖像f(x,y)和模板圖像t(k,l)的原點(diǎn)都在左上角。對任何一個(gè)f(x,y)中的(x,y),根據(jù)上式都可以算得一個(gè)R(x,y).當(dāng)x和y變化時(shí)，t(j,k)在源圖像區(qū)域中移動(dòng)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(gè)區(qū)域，便可得到匹配圖像?；诨叶鹊目焖倨ヅ渌惴?局部灰度特征的編碼與計(jì)算首先將整幅圖像劃分為X尺寸且互不重疊的方塊，可根據(jù)問題任意選擇,稱該方塊為塊.如果圖像的邊長不是的整數(shù)倍，則將最底部與最右邊剩余的幾

8、行、幾列裁剪掉下文將說明這并不影響最終的匹配結(jié)果對邊長為的圖像，共可得到個(gè)塊.對于塊，表示所包含像素的灰度值之和.定義1.塊如圖1中的所示與其周圍個(gè)相鄰的塊如圖1中的,所示組成塊的鄰域.將塊的鄰域分為個(gè)部分，分別為12346789,如圖1所示稱為塊的鄰域.塊分別屬于個(gè)鄰域，即1234511uUUUUUUUUUUU.245245783568942356對于每個(gè)鄰域中的個(gè)塊,可規(guī)定一個(gè)順序如圖中所取的逆時(shí)針序?qū)λ膫€(gè)塊的像素灰度值之和，RR做排序，顯然jj1j2j3j4共有種可能，每種排序結(jié)果可以用位的二進(jìn)制編碼來表示，記作0000,00001，10111.圖將塊所在的個(gè)塊的做位串拼接得到即,

9、TOC o 1-5 h z其中為所在的鄰域的二進(jìn)編碼為移位操作其后面的數(shù)字表示移位jij位數(shù).定義為塊的位二進(jìn)制編碼特征表示簡稱塊的編碼iii對一幅圖像提取它所有塊的編碼需要計(jì)算各個(gè)塊的灰度值和、計(jì)ii算各個(gè)鄰域的編碼、計(jì)算各個(gè)塊的編碼等共步圖像最外一圈的jii塊的編碼無定義對于邊長為的圖像上述運(yùn)算的時(shí)間復(fù)雜度為i顯然表示塊的灰度與相鄰個(gè)塊灰度的分布序關(guān)系體現(xiàn)了圖ii像灰度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.2特征的匹配過程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

10、圖稱為限制塊記作其中為限制塊左上角頂點(diǎn)在搜索圖上的坐標(biāo)這樣劃分后如果在搜索圖的右側(cè)或底部有剩余部分則相應(yīng)地從的最右側(cè)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義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(shí)即比較每一個(gè)元素與中每一個(gè)元素是否相等如果相等則記下矩陣中的行號、列號三應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：1數(shù)字圖像匹配相關(guān)函數(shù)：函數(shù)功能：從圖像文件等格式中讀入圖像數(shù)據(jù)。格式：文件名，（圖像文件格式說明:文件名為指定圖像文件名稱的字符串。圖像文件格式為圖像文件格式的字符串。文件名

11、必須在當(dāng)前目錄或路徑中，如果找不到則錄找文件名圖像文件格式為無符號位整數(shù)。如果文件灰度圖像詳細(xì)解釋見“算法設(shè)計(jì)”中的“概念解釋”）則為一個(gè)二維數(shù)組；如果文件是一個(gè)真彩色圖像，則是一個(gè)三維數(shù)組lXX）。舉例：讀取存放在盤下的名為的圖像，并將其整個(gè)點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳給注：在中申請一個(gè)變量時(shí)不需要指定類型，其具體類型由系統(tǒng)自動(dòng)判別函數(shù)功能：交圖像寫入圖像文件（以等格式）。格式：文件名，圖像文件格式說明：文件名為指定圖像文件名稱的字符串。圖像文件格式是指定圖像文件的保存格式的字符串。如果是一個(gè)無符號位整數(shù)表示的灰度圖像或真彩色圖像，直接交數(shù)組中的值寫入文件。如果為雙精度浮點(diǎn)數(shù)，首先使用自動(dòng)將數(shù)組中的值變換為無

12、符號位整數(shù)，即交0，1范圍內(nèi)的浮點(diǎn)數(shù)變換為0，255范圍內(nèi)8位整數(shù)，然后寫入文件。函數(shù)功能：圖像顯示格式：說明：在圖形窗口顯示，其中為用函數(shù)賦值的變量是一個(gè)圖形矩陣。函數(shù)功能：轉(zhuǎn)換圖像或顏色映像表為灰度圖像。格式：I=rgb2gray(RGB)說明：為用函數(shù)賦值的變量是一個(gè)圖形矩陣；為一個(gè)表示灰度圖像的二維數(shù)組。函數(shù)功能：圖像剪裁格式：III說明：格式I為交互方式，顯示輸入圖像，等待用戶用鼠標(biāo)定義要剪裁的矩形。格式I為非交互方式，對灰度圖像進(jìn)行非交互方式的剪裁操作，通過四元素向量指定剪裁矩陣，這些值是定義在坐標(biāo)系中的，和是圖像矩陣的一處坐標(biāo)，是以此坐標(biāo)為準(zhǔn)向右的延伸的長度，是以此坐標(biāo)為準(zhǔn)向下延

13、伸的長度，由此構(gòu)成要剪裁的矩形區(qū)域。函數(shù)功能：用來求出某一個(gè)變量的的大小參數(shù)格式說明：用函數(shù)賦值的變量是一個(gè)圖形矩陣且為灰度圖像，用來保存的高度值，用來保存的寬度值。2數(shù)字圖像匹配函數(shù)：(1)基于灰度的摸板匹配算法函數(shù)功能：求圖像均值格式：說明：函數(shù)可用來計(jì)算圖像矩陣的均值是雙精度標(biāo)量。舉例：m=mean2(I)運(yùn)行結(jié)果：函數(shù)功能：求圖像間相關(guān)系數(shù)格式：說明：函數(shù)計(jì)算圖像矩陣與的相關(guān)系數(shù)，矩陣與的大小相同，如均為：X。計(jì)算公式如下：(ABA)(BB)TOC o 1-5 h zmnmn HYPERLINK l bookmark16 r,mn(AA)2).(BB)2) HYPERLINK l bo

14、okmark18 mnmnmnmn其中，AB。相關(guān)系數(shù)是表示矩陣與的線性聯(lián)系密切程度的一個(gè)統(tǒng)諦睛系數(shù)值是小于等于的正數(shù)。值為時(shí)，表示矩陣與的線性聯(lián)系最為密值為時(shí)，表示矩陣與不相關(guān)，線性聯(lián)系最最弱。舉例：，運(yùn)行結(jié)果如下：函數(shù)功能：在線性坐標(biāo)系中繪制二維數(shù)據(jù)格式：（顏色說明：可以為任意一個(gè)失量。舉例：在縱坐標(biāo)為處畫一條平行于x由，長度為的紅色的線段其中表示從到以默認(rèn)值為的速度遞增表示紅色命令功能：可以交圖形添加到現(xiàn)有的圖形中，從而實(shí)現(xiàn)圖形的疊加。如果交設(shè)置為，則在繪圖時(shí)交不再清除已經(jīng)存在的圖形，而是交新的數(shù)據(jù)直接加到當(dāng)前圖形中。當(dāng)新的數(shù)據(jù)落在原來的坐標(biāo)范圍之外時(shí)，交自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)比例的調(diào)整。功能：實(shí)

15、現(xiàn)兩幅數(shù)字圖像的匹配實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：I讀取原圖像搜索圖和匹配圖像（模板圖）讀取原圖像讀取匹配圖像II將原圖像和匹配圖像灰度化，以便于計(jì)算將原圖灰度化將匹配圖灰度化III獲取原圖像和匹配圖像的尺寸獲取匹配圖象的大小尺寸，其值為高，寬將匹配圖象的長度值賦給將匹配圖象的寬度值賦給獲取原圖象的大小尺寸，其值為高，寬將原圖象的長度值賦給將原圖象的寬度值賦給w顯示出原圖，并調(diào)用w顯示出原圖，并調(diào)用命令，以實(shí)現(xiàn)以后在原圖像上做標(biāo)記顯示原圖像V在原圖像上進(jìn)行掃描，橫坐標(biāo)到原圖像的寬度減去匹配圖的寬度，縱坐標(biāo)到原圖像高度減去匹配圖的高度；對于原圖像上掃描到的每個(gè)像素點(diǎn)，以此像素點(diǎn)的坐標(biāo)為準(zhǔn)，剪裁參見函數(shù)說明出一個(gè)大小

16、和匹配圖大小一樣的矩陣，此像素點(diǎn)為該矩陣的左上角第一個(gè)像素；對這個(gè)臨時(shí)矩陣和匹配圖像的矩陣取相關(guān)系數(shù)值參見函數(shù)說明規(guī)定相關(guān)系數(shù)的值(我設(shè)為)如果取得的相關(guān)系數(shù)值大于規(guī)定值，可認(rèn)為在以此坐標(biāo)為左上角第一個(gè)像素的臨時(shí)矩陣和匹配圖矩陣是相匹配的；如果在此坐標(biāo)下是匹配的話，則以此為左上角，將匹配區(qū)域標(biāo)記出來。取得相關(guān)系數(shù)規(guī)定值為下面用函數(shù)在原圖的坐標(biāo)系上畫出匹配區(qū)域(2)基于灰度的快速模板匹配算法函數(shù)功能：十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)格式：位數(shù)說明：為十進(jìn)制數(shù)，為轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制序列，位數(shù)為的二進(jìn)制位數(shù)。舉例：將轉(zhuǎn)換為位的二進(jìn)制運(yùn)行結(jié)果：01101函數(shù)功能：二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)格式：說明：為二進(jìn)制序列，為轉(zhuǎn)

17、換后的十進(jìn)制數(shù)。舉例：將二進(jìn)制為的序列轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制運(yùn)行結(jié)果：45函數(shù)功能：根據(jù)輸入的四項(xiàng)參數(shù)的大小順序，返回一個(gè)5位二進(jìn)制的編碼格式：shunxu=getOrder(temp_shunxu_1,temp_4)舉例：運(yùn)行結(jié)果：10000函數(shù)功能：根據(jù)特征塊的左上角坐標(biāo)得出該特征塊的特征值，特征值的定義詳見基于灰度的快速匹配算法中的定義2。格式：說明：為特征塊左上角的橫坐標(biāo)與衷縱坐標(biāo)，為圖像矩陣，為最佳分塊標(biāo)準(zhǔn)值函數(shù)功能：求向量中的最小值格式：說明：為一個(gè)向量，中保存的是中的最小值舉例：運(yùn)算結(jié)果2函數(shù)功能：求向量中的最大值格式：說明：為一個(gè)向量，中保存的是中的最大值舉例：運(yùn)算結(jié)果66函數(shù)功能：求向

18、量中和格式：說明：為一個(gè)向量，中保存的是中的和舉例：運(yùn)算結(jié)果函數(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：I讀取原圖像搜索圖和匹配圖像（模板圖）讀取原圖像讀取匹配圖像II將原圖像和匹配圖像灰度化，以便于計(jì)算將原圖灰度化將匹配圖灰度化III獲取原圖像和匹配圖像的尺寸及分塊標(biāo)準(zhǔn)值獲取匹配圖象的大小尺寸，其值為高，寬將匹配圖象的長度值賦給將匹配圖象的寬度值賦給獲取原圖象的大小尺寸,其值為高，寬將原圖象的長度值賦給將原圖象的寬度值賦給尺兩個(gè)邊中最短的一條邊以分成義特征塊為基準(zhǔn)，得出最佳分塊標(biāo)準(zhǔn)值W計(jì)算及記錄匹配圖的個(gè)特征塊的信息；顯示出原圖，并調(diào)用命令，以實(shí)現(xiàn)以后在原圖像上做標(biāo)記去掉外圍的一圈取順時(shí)針為正方向temp_pipeitu

19、(t,s)=bin2dec將二進(jìn)制編碼值(特征塊值)以十進(jìn)制的形式保存在義的矩陣中的對應(yīng)位置V在原圖像上進(jìn)行掃描，橫坐標(biāo)到原圖像的寬度減去匹配圖的寬度，縱坐標(biāo)到原圖像高度減去匹配圖的高度；對于原圖像上掃描到的每個(gè)像素點(diǎn)，以此像素點(diǎn)的坐標(biāo)為準(zhǔn)，剪裁參見函數(shù)說明出一個(gè)大小和匹配圖大小一樣的矩陣，此像素點(diǎn)為該矩陣的左上角第一個(gè)像素；對這個(gè)臨時(shí)矩陣進(jìn)行特征值提取，并和匹配圖的特征值進(jìn)行比較，如果特征塊的匹配數(shù)大于一定數(shù)(我設(shè)定為大于等于8),可認(rèn)為在以此坐標(biāo)為左上角第一個(gè)像素的臨時(shí)矩陣和匹配圖矩陣是相匹配的；如果在此坐標(biāo)下是匹配的話，則以此為左上角，將匹配區(qū)域標(biāo)記出來。:去掉3外圍的一圈=1%:取3順

20、時(shí)針為正方向如果特征值相同，就加下面用函數(shù)在原圖的坐標(biāo)系上畫出匹配區(qū)域plot(j:j+pipei_width,i,r);plot(j:j+pipei_width,i+pipei_height,r);plot(j,i:i+pipei_heightr,);plot(j+pipei_width,i:i+pipei_height,r);endendendD3界面設(shè)計(jì)：本程序采用交互式來演示圖像匹配過程，采用自帶的界面編輯器。主要涉及圖像顯示，各個(gè)功能按鈕對顯示的圖像所進(jìn)行的操作(如：放大，縮小，旋轉(zhuǎn)和圖像匹配)，文件對話框(用來讀取和保存圖像)。uigetfiie函數(shù)口功能：打開磁盤內(nèi)的文件格式：p

21、name,adrname口uigetfiie(格式,名稱)口說明：pname為選擇的文件名，adrname為路徑；uigetfiie通常和if口exist(文件名連用，如果存在文件的話，則把相應(yīng)的值傳給pname和口口口口口口口口口舉例：pname,adrname口uigetfiie(*.jpg,*.bmp)口運(yùn)行結(jié)果:Duiputfiie功能：保存文件格式：temp_pname,temp_adrname=uiputfiie(strcat(adrname,pname),保存圖象);axes函數(shù)：口功能：固定地點(diǎn)，此程序用此函數(shù)在固定區(qū)域內(nèi)顯示圖像舉例：axes（handles.axesl）;%handles.a