直寫平臺定位系統圖像識別程序設計

李慧群

摘 要：該文針對平臺定位系統中的圖像識別和位移計算模塊展開研究。利用MATLAB的數字圖像處理環境，開發了一套圖像識別與處理程序，實現了從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。

關鍵詞：圖像識別 模板匹配 MATLAB 邊緣提取

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

直寫平臺上定位系統應該包括：光源、CCD攝像頭、圖像采集卡、圖像處理系統等，通過使用圖像攝取裝置將被檢測的目標轉換成圖像信號，傳送給圖像處理系統，然后根據亮度、顏色和像素分布等信息，再轉變成數字化信號[1]。圖像處理系統對這些數字化信號進行各種運算，以得到被檢測目標的特征值，如數量、面積、長度、位置，進而依據預設的允許度和其他條件輸出結果進行判別，根據判別的結果來控制現場的設備動作。直寫平臺上的定位系統在用于生產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

1.1 圖像識別概述

圖像處理系統是直寫平臺定位系統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，它們與目標元件表面的光線條件、特性、方向等多種因素有關[2]。在各種不同情況的工作環境里，景物與圖像已有較多區別。所以要區分圖像屬于哪一類，計算機通常要采用預處理、分割、特征提取、分析分類、識別等步驟。

1.2 圖像識別系統的構成

在直寫平臺的圖像識別系統，設計其基本組成包括圖像輸入設備、執行處理分析與控制的計算機、輸出設備、及存儲設備中的圖像數據庫、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量會影響對圖像的分析和識別的結果，所以要對原始圖像進行預處理：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域且提取目標的技術。圖像分割算法的研究近代得到高速發展，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。特征提取依據原始圖像，通過計算產生一組原始特征進行特征形成，良好的特征應具有獨立性好、可區別性、數量少等特點。

在圖像識別系統中，所使用的技術是二值化圖像，即將目標圖像（區域或邊界）和背景（也包括非目標部分）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，在形狀和結構分析中具有顯著作用，可以凸顯目標元件的輪廓。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，這些點決定了目標的輪廓特征[4]。因此在圖像識別系統的圖像配準中，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定的特征點，不穩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域，然后提取區域邊界直線，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函數的計算通過已知模式到被搜索圖中尋找相應模式[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高的處理速度。

程序先要對模板和被搜索圖均進行分層預處理。分層預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，在的所有搜索位置上和進行匹配相似度運算，找到相關的粗匹配位置，并確定粗匹配位置。這個時期搜索過程很快，因為當前和數據量很少，但是這時相似度值較小，所以可能產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搜索，找出一個或少數幾個可能性更大的匹配位置，重復以上步驟，直到在最高分辨率的搜索圖和模板上找到匹配位置后結束搜索。

4 程序設計及調試

4.1 程序設計

要實現對元件的跟蹤，整體設計思路是通過CCD攝像頭獲得元件的圖像，對濾波，灰度變換，讀取坐標等獲得的原始圖像數據進行處理，并在獲得模板和搜索圖的特征提取的基礎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，一是根據前后兩幀中元件的坐標差值與平臺的光柵尺的讀數比較得出元件是否按操作運動；二是模板更新，在工作中需要根據當前目標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。

根據當前圖像識別系統的總體設計樣式和要求，對系統進行設計，該系統主要包括圖像獲取、圖像處理、模板匹配、結果實現與反饋等模塊。

4.2 程序調試

在直寫平臺上對系統進行試運行并進行結果分析。

首先實現模板的提取，這是是在初始圖像中完成的。要取得初始的匹配模板，只需要用鼠標在初始圖像中的目標區域里要跟蹤的目標元件進行矩形框選取。如果在工作中需要更新模板即后續蹤效果不良好的情況下，重復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據，數據中絕對坐標的單位是，像素的單位是個。設第次和第次的X軸絕對坐標的差為，Y軸絕對坐標的差為，X軸像素坐標的為，Y軸像素坐標的差為，則位移，。如表1所示。

由于元件的絕對坐標和像素坐標的單位不同，在這里將對絕對坐標和像素坐標比值進行分析得出誤差。建表如表2所示：

由此可知，系統的誤差可控制在10%以內，但存在較大波動，這是系統最主要的缺陷之一。這個缺陷是由系統缺少鏡頭標定這個環節所造成的。

經過多次的實踐過程可以得到系統中絕對坐標和像素坐標位移的換算比例為。

5 結語

在直寫平臺的圖像識別系統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量以提高運算速度等，都是后續工作的前進方向。并且，在加深環境對匹配效果影響的研究前提下去實現在復雜環境下對目標元件的跟蹤。同時為了實現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，根據數據輸出來控制電機帶動攝像機運動，使整個系統形成一個閉環，提高系統的工作精度。

參考文獻

[1] 章毓晉.圖像處理和分析基礎[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 夏良正.數字圖像處理[M].南京：東南大學出版社，1999.

[3] 羅軍輝，馮平，哈力旦稟.MATLAB7. 0在圖像處理中的應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4] 馬平.數字圖像處理和壓縮[M].北京：電子工業出版社，2007

[5] 程衛國，馮峰，姚東.MATLAB5.3應用指南[M].北京：人民郵電出版社，1999.

[6] 樓順天，姚若玉，沈俊霞.MATLAB7.X程序設計語言[M].西安：西安電子科技大學出版社，2000.