基于逐一比對法的圖像拼接系統(tǒng)設計

周美麗,白宗文

(延安大學 陜西 延安716000)

基于逐一比對法的圖像拼接系統(tǒng)設計

周美麗,白宗文

(延安大學 陜西 延安716000)

圖像拼接技術就是將一組相關的圖像序列按照一定的步驟進行拼接使其形成一幅完整的圖像技術。文中研究了基于逐一比對法的圖像拼接技術,用MATALAB語言實現(xiàn)了圖像拼接系統(tǒng)的設計,通過仿真實驗驗證了系統(tǒng)的可行性與精確性。這一系統(tǒng)可推廣到實際生活中,具有一定的應用價值。

圖像拼接；圖像配準；圖像融合；圖像分割

近年來對于圖像拼接（image mosaic）技術的研究已經(jīng)日益的完善與成熟,應用也越來越廣泛。尤其在計算機視覺和計算機圖形學領域中,圖像拼接技術就像一個樞紐把這兩個領域緊密結(jié)合在一起。在計算機視覺領域中,圖像拼接技術可以實現(xiàn)可視化場景描述；在計算機圖形學領域中,它可以實現(xiàn)靜態(tài)背景與真實物體的完美合成。不止如此,圖像拼接技術也可廣泛應用于軍事領域和實際生活中,無論在軍事方面還是在現(xiàn)實生活中,很多時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致的觀察分析或宏觀掌控。利用圖像拼接技術就可以得到360度全方位無死角的全景圖像。這一技術也可用于紅外預警中。綜上圖像拼接技術已經(jīng)深入軍事、航空、生活等各大領域,是一項值得深入研究課題。本文對圖像拼接技術進行了研究并設計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)的設計涉及到3個主要技術環(huán)節(jié)分別是圖像預處理、圖像配準和圖像融合。如圖1所示。

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

圖像預處理主要是把待拼接圖像和參考圖像進行對比,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,則圖像預處理就要糾正幾何畸變同時抑制噪聲等情況。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,建立相應的數(shù)學模型,從被污染或發(fā)生畸變的圖像信號中提取相關的信息,遵從使圖像發(fā)生畸變的逆過程恢復圖像本來面貌。實際的復原過程是設計一個濾波器,使其滿足預先規(guī)定的誤差準則,最大程度地接近真實圖像［3］；如果圖像存在噪聲,通常是采用概率統(tǒng)計的方法對其進行分析,然后根據(jù)噪聲情況,利用相應的去噪技術對圖像進行處理。糾正圖像幾何畸變和抑制噪聲是十分關鍵的問題盡量使圖像質(zhì)量處在一個較理想的情況；以免影響圖像配準的精確性而導致出現(xiàn)誤匹配的情況。圖像配準則是對預處理之后的兩幅圖像進行信息提取以作比較,進而根據(jù)信息的相關性來實現(xiàn)圖像的對齊與匹配問題,圖像配準是圖像拼接整個過程中最關鍵的一環(huán),也是本文著重研究的內(nèi)容,后面詳述。當完成了圖像配準后,就要把配準對齊的圖像進行合二為一,實現(xiàn)無縫隙拼接即進行圖像融合。圖像融合是圖像拼接中最后一個環(huán)節(jié),通常將多源信道所采集到的關于同一目標的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理和計算機技術處理等,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、改善計算機解譯精度和可靠性、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重要技術,該技術在數(shù)字地圖拼接、全景圖、虛擬現(xiàn)實等領域有著重要應用。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)設計原理

圖像拼接技術中的3個環(huán)節(jié),每一個環(huán)節(jié)都有很多實現(xiàn)算法或方式,本文主要針對配準這一關鍵步驟做了研究。圖像配準實際上就是研究利用不同手段在不同時間或不同角度所獲得的多幅圖像進行圖像對齊的問題。通常在進行圖像對準時要建立數(shù)學模型,取多幅待配準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點為中心的圖像子塊,并稱它為圖像配準的模板,然后讓模板在搜索圖上有秩序地移動,每移到一個位置,把模板與搜索圖中的對應部分進行相關比較,直到找到配準位置為止。

通過對比、分析這里選擇了基于逐一比對法來實現(xiàn)圖像配準問題。 逐一比較法易于理解,也容易通過計算機實現(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的待配準模板T。通常情況是搜索圖范圍比待配準模板大的多,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)過逐一比對法找出一個與待配準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。通過分析等號第一項就是與模板匹配區(qū)域s’的能量,它隨著位置的改變而不同,當T和s’匹配時達到最大值。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,則表示該分塊圖像與待匹配圖像可以進行配準。

3 實驗仿真與分析

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

圖3 待配準圖像Fig.3 The image for matching

圖4 完成的拼接圖像Fig.4 The stitched image

通過對實結(jié)果分析可得。采用逐一比對法配準圖像進行圖像融合后具有很好視覺效果。圖像配準問題是圖像拼接技術中的重要步驟,本文利用逐一對比法圖像配準算法開發(fā)的圖像拼接系統(tǒng),通過實驗測試具有良好的效果,尤其是在實驗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,因為包還信息越多意味著配準速度就會越慢,因此利用該圖像拼接系統(tǒng)實現(xiàn)圖像拼接問題時選擇合適的圖像分塊很重要。

4 結(jié)論

本文利用MATLAB語言對圖像拼接中的各個算法步驟設計了相關模塊,從而開發(fā)了圖像拼接系統(tǒng),此系統(tǒng)通過實驗仿真驗證,對于實現(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。

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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：201412086

陜西省自然科學基金(2014JM8357)；延安市科學技術研究發(fā)展計劃項目(2012kg-07)(2013kg-15)；延安大學自然科學基金(YD2011-16)

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