周美麗,白宗文

(延安大學(xué) 陜西 延安716000)

基于逐一比對(duì)法的圖像拼接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周美麗,白宗文

(延安大學(xué) 陜西 延安716000)

圖像拼接技術(shù)就是將一組相關(guān)的圖像序列按照一定的步驟進(jìn)行拼接使其形成一幅完整的圖像技術(shù)。文中研究了基于逐一比對(duì)法的圖像拼接技術(shù),用MATALAB語言實(shí)現(xiàn)了圖像拼接系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與精確性。這一系統(tǒng)可推廣到實(shí)際生活中,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖像拼接；圖像配準(zhǔn)；圖像融合；圖像分割

近年來對(duì)于圖像拼接（image mosaic）技術(shù)的研究已經(jīng)日益的完善與成熟,應(yīng)用也越來越廣泛。尤其在計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中,圖像拼接技術(shù)就像一個(gè)樞紐把這兩個(gè)領(lǐng)域緊密結(jié)合在一起。在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中,圖像拼接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可視化場景描述；在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中,它可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)背景與真實(shí)物體的完美合成。不止如此,圖像拼接技術(shù)也可廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和實(shí)際生活中,無論在軍事方面還是在現(xiàn)實(shí)生活中,很多時(shí)候都需要全方位的立體場景圖片,只有通過全方位的立體場景圖片才能使觀察者可以作細(xì)致的觀察分析或宏觀掌控。利用圖像拼接技術(shù)就可以得到360度全方位無死角的全景圖像。這一技術(shù)也可用于紅外預(yù)警中。綜上圖像拼接技術(shù)已經(jīng)深入軍事、航空、生活等各大領(lǐng)域,是一項(xiàng)值得深入研究課題。本文對(duì)圖像拼接技術(shù)進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)了圖像拼接軟件系統(tǒng)。

1 圖像拼接流程

圖像拼接技系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到3個(gè)主要技術(shù)環(huán)節(jié)分別是圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)和圖像融合。如圖1所示。

圖1 圖像拼接步驟圖Fig.1 The chart of Image mosaic step

圖像預(yù)處理主要是把待拼接圖像和參考圖像進(jìn)行對(duì)比,如果待拼接圖像與參考圖像存在明顯的幾何畸變或噪聲的影響等,則圖像預(yù)處理就要糾正幾何畸變同時(shí)抑制噪聲等情況。通常圖像如果存在幾何畸變,則要找出圖像發(fā)生畸變的原因,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,從被污染或發(fā)生畸變的圖像信號(hào)中提取相關(guān)的信息,遵從使圖像發(fā)生畸變的逆過程恢復(fù)圖像本來面貌。實(shí)際的復(fù)原過程是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器,使其滿足預(yù)先規(guī)定的誤差準(zhǔn)則,最大程度地接近真實(shí)圖像［3］；如果圖像存在噪聲,通常是采用概率統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行分析,然后根據(jù)噪聲情況,利用相應(yīng)的去噪技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理。糾正圖像幾何畸變和抑制噪聲是十分關(guān)鍵的問題盡量使圖像質(zhì)量處在一個(gè)較理想的情況；以免影響圖像配準(zhǔn)的精確性而導(dǎo)致出現(xiàn)誤匹配的情況。圖像配準(zhǔn)則是對(duì)預(yù)處理之后的兩幅圖像進(jìn)行信息提取以作比較,進(jìn)而根據(jù)信息的相關(guān)性來實(shí)現(xiàn)圖像的對(duì)齊與匹配問題,圖像配準(zhǔn)是圖像拼接整個(gè)過程中最關(guān)鍵的一環(huán),也是本文著重研究的內(nèi)容,后面詳述。當(dāng)完成了圖像配準(zhǔn)后,就要把配準(zhǔn)對(duì)齊的圖像進(jìn)行合二為一,實(shí)現(xiàn)無縫隙拼接即進(jìn)行圖像融合。圖像融合是圖像拼接中最后一個(gè)環(huán)節(jié),通常將多源信道所采集到的關(guān)于同一目標(biāo)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)處理等,最大限度的提取各自信道中的有利信息,最后綜合成高質(zhì)量的圖像,以提高圖像信息的利用率、改善計(jì)算機(jī)解譯精度和可靠性、提升原始圖像的空間分辨率和光譜分辨率,利于監(jiān)測。數(shù)字圖像融合是圖像分析的一項(xiàng)重要技術(shù),該技術(shù)在數(shù)字地圖拼接、全景圖、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。此外在這一環(huán)節(jié)中還涉及到圖像邊界處理,使的圖像縫合處自然過渡,無視覺差異。綜上即是圖像拼接的步驟。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖像拼接技術(shù)中的3個(gè)環(huán)節(jié),每一個(gè)環(huán)節(jié)都有很多實(shí)現(xiàn)算法或方式,本文主要針對(duì)配準(zhǔn)這一關(guān)鍵步驟做了研究。圖像配準(zhǔn)實(shí)際上就是研究利用不同手段在不同時(shí)間或不同角度所獲得的多幅圖像進(jìn)行圖像對(duì)齊的問題。通常在進(jìn)行圖像對(duì)準(zhǔn)時(shí)要建立數(shù)學(xué)模型,取多幅待配準(zhǔn)圖像其中的一幅圖像作為參考圖像,其余的為搜索圖像。則首先在參考圖上選取以某一目標(biāo)點(diǎn)為中心的圖像子塊,并稱它為圖像配準(zhǔn)的模板,然后讓模板在搜索圖上有秩序地移動(dòng),每移到一個(gè)位置,把模板與搜索圖中的對(duì)應(yīng)部分進(jìn)行相關(guān)比較,直到找到配準(zhǔn)位置為止。

通過對(duì)比、分析這里選擇了基于逐一比對(duì)法來實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn)問題。 逐一比較法易于理解,也容易通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。此算法的一般步驟就是首先取一大小為M*N搜索圖S,在確定大小為U*V的待配準(zhǔn)模板T。通常情況是搜索圖范圍比待配準(zhǔn)模板大的多,如圖2所示。

圖2 搜索圖像與模板Fig.2 Search image and template

這樣就可以把搜索圖分成很多與待配準(zhǔn)圖像同樣大小的分塊圖像,然后在這些分塊圖像中經(jīng)過逐一比對(duì)法找出一個(gè)與待配準(zhǔn)圖像最相似的分塊圖像記為S’，比較待拼接模板T與S’的內(nèi)容,若兩者一致,則T和S’之差為零。在實(shí)際匹配過程中這種情況幾乎沒有,通常只要二者之差滿足一個(gè)測度值即T和S’之差最小值來衡量T和S’的匹配程度。測度值的計(jì)算如式（1）所示。

其中,D（i,j）即為測度值,其值越小圖像越匹配。通過分析等號(hào)第一項(xiàng)就是與模板匹配區(qū)域s’的能量,它隨著位置的改變而不同,當(dāng)T和s’匹配時(shí)達(dá)到最大值。則圖像匹配程度亦可描述如式（2）示:

其中R（i,j）取極大值時(shí),則表示該分塊圖像與待匹配圖像可以進(jìn)行配準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

本文利用逐一比對(duì)法對(duì)待配準(zhǔn)圖像如圖2（同意圖像的分割結(jié)果）進(jìn)行了配準(zhǔn),然后將配準(zhǔn)之后,對(duì)待拼接圖像進(jìn)行邊緣處理,然后進(jìn)行圖像融合,融合結(jié)果如圖3所示。

圖3 待配準(zhǔn)圖像Fig.3 The image for matching

圖4 完成的拼接圖像Fig.4 The stitched image

通過對(duì)實(shí)結(jié)果分析可得。采用逐一比對(duì)法配準(zhǔn)圖像進(jìn)行圖像融合后具有很好視覺效果。圖像配準(zhǔn)問題是圖像拼接技術(shù)中的重要步驟,本文利用逐一對(duì)比法圖像配準(zhǔn)算法開發(fā)的圖像拼接系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)測試具有良好的效果,尤其是在實(shí)驗(yàn)過程中如果選用的帶拼接模板包含的信息就越多,匹配效果也就越好,可信度也越高。但通常選擇合適的模板不好掌握,因?yàn)榘€信息越多意味著配準(zhǔn)速度就會(huì)越慢,因此利用該圖像拼接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像拼接問題時(shí)選擇合適的圖像分塊很重要。

4 結(jié)論

本文利用MATLAB語言對(duì)圖像拼接中的各個(gè)算法步驟設(shè)計(jì)了相關(guān)模塊,從而開發(fā)了圖像拼接系統(tǒng),此系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證,對(duì)于實(shí)現(xiàn)簡單的圖像拼接具有很好的效果,可在一定范圍內(nèi)推廣使用。

［1］Barbara Zitova.Jan Flusser.Image registration methods:a survey［J］.Imaging and Vision Computing，2003（21）:977-1000.

［2］L.G.Brown.A survey of image registration techniques［J］.ACM Computer Surveys，1992，4（24）:556-569.

［3］陳永強(qiáng).王啟付.虛擬環(huán)境中變形圖像拼接技術(shù)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，1（29）:223-231.CHEN Yongqiang，WANG Qi-fu..Research on deformation image mosaic technology in virtual environment［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，2001，1（29）: 223-231.

［4］Richard Szeliski.Video mosaics for virtual environments［M］.Computer Graphics and Applications，1996.

［5］陸方杰.基于特征的數(shù)字圖像拼接技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué),2007.

［6］Sevket Gumustekin.An introduction to image mosaicing［EB/OL］.（2008-03-20）.http://www.iyte.edu.tr/eee/sevgum/research/mosaicing99/

［7］李寒，牛紀(jì)禎，郭禾.基于特征點(diǎn)的全自動(dòng)無縫圖像拼接方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007，28（9）:2083-2085.LI Han，NIU Ji-zhen.The mosaic method of Automatic seamless image based on feature points ［J］.Computer Engineering and Design，2007，28（9）:2083-2085.

［8］于為.郁道銀.鄒群峰.醫(yī)學(xué)超聲圖像的處理與拼接［J］.中國生物醫(yī)學(xué)上程學(xué)報(bào),1999,16(3):252-257,266.YU Wei，YU Dao-yin，ZOU Qun-feng.Processing and splicing of medical ultrasound images.Journal of China Biomedical Engineering，1999,16(3):252-257,266.

［9］王小睿.吳信才.遙感多圖像的自動(dòng)配準(zhǔn)方法［J］.中國圖像圖形學(xué)報(bào),1997,10（2）:115-131.WANG Xiao-rui,WU Xin-cai.Automatic registration method of remote sensing multi image［J］.Journal of Image and Graphics，1997,10（2）:115-131.

［10］封靖波,蘇志勛,劉秀平.一種基于相似曲線的全景圖自動(dòng)拼接算法［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2003，11（6）:89-106.FENG Jing-bo，SU Zhi-xun，LIU Xiu-ping.An automatic panoramic image stitching algorithm based on similar curve［J］.Chinese Journal of Computer，2003，11（6）:89-106.

Design of image mosaic system based on comparison method

ZHOU Mei-li,BAI Zong-wen
（Yanan University,Yanan 716000，China）

Image mosaic technology that make a group of mutually overlapping image sequence to match，take sample and fusion，finally become a complete and HD image.This paper studies the？image mosaic technology？based on the？one by one comparison method is studied in this paper，and the image mosaic？system is designed in matlab.It proves that the system has good feasibility and accuracy through the simulation experiments.This system can be applied to real life，and have certain application value.

image mosaic；image registration；image fusion；image segmentation

TN919

：A

：1674-6236（2015）18-0059-02

2014-12-10稿件編號(hào)：201412086

陜西省自然科學(xué)基金(2014JM8357)；延安市科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012kg-07)(2013kg-15)；延安大學(xué)自然科學(xué)基金(YD2011-16)

周美麗（1981—）,女,陜西橫山人,碩士,講師。研究方向:圖像處理、信號(hào)檢測。