李慧群

摘 要：該文針對平臺定位系統(tǒng)中的圖像識別和位移計算模塊展開研究。利用MATLAB的數(shù)字圖像處理環(huán)境，開發(fā)了一套圖像識別與處理程序，實現(xiàn)了從CCD讀取圖像、圖像分割、特征信息提取、模板匹配、相對位移計算等功能。該文研究的圖像均是二維圖像，首采用灰度變換增強、二值化圖像等方法對圖像進行預(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題。

關(guān)鍵詞：圖像識別 模板匹配 MATLAB 邊緣提取

中圖分類號：TP333 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0003-02

直寫平臺上定位系統(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，通過使用圖像攝取裝置將被檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，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[1]。圖像處理系統(tǒng)對這些數(shù)字化信號進行各種運算，以得到被檢測目標(biāo)的特征值，如數(shù)量、面積、長度、位置，進而依據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果進行判別，根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。直寫平臺上的定位系統(tǒng)在用于生產(chǎn)和裝配上可以提高一定柔性和自動化程度。

1 圖像識別系統(tǒng)

1.1 圖像識別概述

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

圖像識別所討論的問題，是研究計算機代替人工，可以自動地接受并處理大量的物理信息，從而在人工視覺難以滿足要求的場合代替人類的部分腦力勞動。在研制自動識別機時，計算機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和波長不同的光波所引起，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，計算機通常要采用預(yù)處理、分割、特征提取、分析分類、識別等步驟。

1.2 圖像識別系統(tǒng)的構(gòu)成

在直寫平臺的圖像識別系統(tǒng)，設(shè)計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算機、輸出設(shè)備、及存儲設(shè)備中的圖像數(shù)據(jù)庫、圖像處理程序庫與模型庫。

2 圖像分割與特征提取

圖像識別系統(tǒng)想要進行圖像分析和識別，首先必須先得到圖像，并且所獲取圖像的質(zhì)量會影響對圖像的分析和識別的結(jié)果，所以要對原始圖像進行預(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別的關(guān)鍵步驟，其中如何提取具有較強表示能力的圖像特征是智能圖像處理的一個研究熱點。特征提取依據(jù)原始圖像，通過計算產(chǎn)生一組原始特征進行特征形成，良好的特征應(yīng)具有獨立性好、可區(qū)別性、數(shù)量少等特點。

在圖像識別系統(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，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，這些點決定了目標(biāo)的輪廓特征[4]。因此在圖像識別系統(tǒng)的圖像配準中，特征主要針對點特征。而在點特征提取過程中則先要剔除不穩(wěn)定的特征點，不穩(wěn)定的特征點主要是分布于圖像邊緣的特征點或是一些低對比度的特征點。因此在程序中側(cè)重于角點的提取。所采用的圖像的角點檢測方法是先將圖像分割為區(qū)域，然后提取區(qū)域邊界直線，之后求直線的交點為角點。

3 模板匹配

在直寫平臺上要通過圖像識別系統(tǒng)對元件進行識別，需要進行模板匹配。其工作的基本原理是通過相關(guān)函數(shù)的計算通過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特點，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。

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

第一步是從和出發(fā)，在的所有搜索位置上和進行匹配相似度運算，找到相關(guān)的粗匹配位置，并確定粗匹配位置。這個時期搜索過程很快，因為當(dāng)前和數(shù)據(jù)量很少，但是這時相似度值較小，所以可能產(chǎn)生若干個可能的粗匹配位置。

第二步要從較高分辨率的圖像和上直接進行，先在上一步得到的粗匹配位置進行相關(guān)搜索，找出一個或少數(shù)幾個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)計及調(diào)試

4.1 程序設(shè)計

要實現(xiàn)對元件的跟蹤，整體設(shè)計思路是通過CCD攝像頭獲得元件的圖像，對濾波，灰度變換，讀取坐標(biāo)等獲得的原始圖像數(shù)據(jù)進行處理，并在獲得模板和搜索圖的特征提取的基礎(chǔ)上接著使用改進后的匹配算法進行模板匹配計算。在實際工作中還需要保證兩件事情可以同時進行，一是根據(jù)前后兩幀中元件的坐標(biāo)差值與平臺的光柵尺的讀數(shù)比較得出元件是否按操作運動；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，來保證模板的正確性。

根據(jù)當(dāng)前圖像識別系統(tǒng)的總體設(shè)計樣式和要求，對系統(tǒng)進行設(shè)計，該系統(tǒng)主要包括圖像獲取、圖像處理、模板匹配、結(jié)果實現(xiàn)與反饋等模塊。

4.2 程序調(diào)試

在直寫平臺上對系統(tǒng)進行試運行并進行結(jié)果分析。

首先實現(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。

對平臺進行操作，移動元件三次，每次移動后動運行圖像識別程序獲得一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中絕對坐標(biāo)的單位是，像素的單位是個。設(shè)第次和第次的X軸絕對坐標(biāo)的差為，Y軸絕對坐標(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。

由于元件的絕對坐標(biāo)和像素坐標(biāo)的單位不同，在這里將對絕對坐標(biāo)和像素坐標(biāo)比值進行分析得出誤差。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，這是系統(tǒng)最主要的缺陷之一。這個缺陷是由系統(tǒng)缺少鏡頭標(biāo)定這個環(huán)節(jié)所造成的。

經(jīng)過多次的實踐過程可以得到系統(tǒng)中絕對坐標(biāo)和像素坐標(biāo)位移的換算比例為。

5 結(jié)語

在直寫平臺的圖像識別系統(tǒng)里所使用的匹配算法依然存在一些的問題，之后要在本文研究的匹配算法上面繼續(xù)改進。其中比如，如何屏蔽不合適的檢測點，如何減少匹配計算的數(shù)量以提高運算速度等，都是后續(xù)工作的前進方向。并且，在加深環(huán)境對匹配效果影響的研究前提下去實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)元件的跟蹤。同時為了實現(xiàn)一個完整的自動檢測過程，在該直寫平臺上還添加串口通信和電機的伺服控制單元，根據(jù)數(shù)據(jù)輸出來控制電機帶動攝像機運動，使整個系統(tǒng)形成一個閉環(huán)，提高系統(tǒng)的工作精度。

參考文獻

[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，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)計語言[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.