圖像精細定位算法在在線質量檢測系統中的應用

蒲明玥

（成都印鈔有限公司，四川成都，611130）

引言

圖像匹配技術是計算機視覺和圖像信息處理領域中的一個基本問題，并在衛星遙感、空間飛行器的自動導航、光學和雷達的目標跟蹤與識別、自然資源分析及醫學圖像處理等許多領域中的得到了廣泛的應用。

隨著我國印制行業水平提高，印鈔造幣總公司提出了以塑造“精品工程”為目的的工藝改進需求，“膠、凹印在線質量檢測系統”作為提升產品印制質量、降低作廢率的有效保障手段，已經在行業內廣泛應用。

1 圖像定位匹配算法

圖像定位匹配比較一直是圖像檢測中的關鍵問題[1]，經常用于印刷、影印等行業的產品自動化質量檢測系統中。目前的印刷質量檢測系統一般是將標準模板圖像與實際產品的采集圖像進行匹配，通過檢測比較的結果來確定生產線上的產品是否符合質量要求。

圖像定位匹配是在已知基準圖像中尋找子圖像的最佳匹配位置，即確定待搜索圖像跟模板圖像相應區域的位置偏差的過程[1]。圖像定位匹配算法主要分為兩類：一類是基于特征的匹配，另一類是基于統計的匹配。主要利用空間域的一維或二維滑動模板，統計相應的均方差、絕對偏差、互相關等特征進行圖像匹配，這類算法一般匹配率高，但計算量大，速度較慢[2]。

由于印鈔行業的特殊性，對于產品的質量要求非常嚴格，因此要求在線檢測系統必須具備非常高的檢測精度以及較低的誤檢率，那么圖像精確定位匹配就成為在線檢測系統努力解決的首要關鍵問題。

1.1 相關匹配算法

假定有兩幅進行匹配定位計算的圖像：模板圖像為T，大小為；待檢測圖像為S，大小為。相關匹配算法計算待檢測圖像和模板圖像之間的相關系數，得到相關系數矩陣，通過對相關系數矩陣的分析，判斷兩幅圖像是否相關，并計算最大相關的位置偏差。采用歸一化的相關性計算可以有效降低圖像亮度變化帶來的誤差。

歸一化相關系數的定義為：

用Sx,y表示T中以為左上角點與S大小相同的T的子塊同時也表示該子塊對印的矩陣，即：

由關于定義可知，如果很大或接近 1，則表明圖像s在點與圖像T匹配。

1.2 相關匹配算法的改進

以上節圖像大小為例，如果采用傳統的模板匹配方法，存在以下不足之處：

b）象場中景物的平均灰度值的變化會影響匹配結果的正確性；

首先將二維模板圖像進行豎直方向均值投影，形成一維行向量（其中：

從待檢測圖像上第N行開始，每一行以MN′大小計算一維豎直投影均值行向量：；將模板一維投影向量在待檢測圖像的一維投影向量上平移，計算其相關系數：

在一維圖像中，設兩個圖像為和，假設失配的測度為：

故和匹配程度上界為。當等式成立，即與匹配的最好。因此，針對離散的情況，設圖像為的，可以將作為匹配測度，同連續的情況一樣有：

由柯西不等式知，當為常數時，有極大值，用內積公式可得，當數量矢量夾角為 0，即，，否則。

該方法可以將復雜度降低到，其中k值表示一維匹配成功的次數，而值遠遠小于的值，所以復雜度可以由來近似表示，顯然快速一維投影模板匹配大大地提高了匹配的速度，同時在投影中由于噪聲相互抵消，還能減少漏判和誤判的機率。

2 實驗結果及分析

根據上述思想，我們隨機選取2K產品圖像，使用該改進算法進行匹配定位。圖1中顯示三幅樣張圖像（模板圖像T、檢測圖像A和B）。對于模板圖像T，其綠色內框為選定模板區域，外框表示搜索區域。分別在圖像A、B上相應外框區域進行匹配定位，右側顯示了定位結果：圖像A跟模板偏差（-3，0），圖像B跟模板偏差（0，-1）。

另外，該方法對于圖像亮度變化時也具有非常好的魯棒性，圖像A整體亮度比模板圖像T偏低，且各區域亮度不均衡，局部有30～40灰度偏差，由于采用投影均值進行匹配，降低了圖像各像素點亮度偏差、不均衡造成的相關性計算時的差值誤差，相當于減弱了系統噪聲，匹配定位精度得到提升。

在實際生產過程中，由于紙張收分紙、高溫高壓作用等會產生變形，因此局部區域定位結果不能應用于整大張產品，否則相當于引入定位誤差造成誤檢。可以采用多級匹配定位方法，將產品進行任意定位區域形狀細分，對每個小區域分別設置定位匹配模板，檢測時各區域使用相應的定位結果。圖2中顯示了在線檢測系統對于定位區域的劃分。

在Intel Core 2 Duo 2.4GHZ CPU、2G內存PC機上測試，每小開產品設置10個定位匹配區域。測試結果單開定位耗時1.5～2ms，采用多線程等優化處理后，單路相機（2K幅面，32小開）定位耗時40ms，保證后續質量檢測有充足時間。

3 結束語

本文在傳統模板匹配算法的基礎上，提出了一維投影模板匹配算法。該算法通過將圖像進行灰度投影變換，形成一維圖像，并用一維圖像，并用一維圖像進行快速匹配。在一維模板匹配成功后，再進行二維模板匹配的檢驗。

[1]阮秋琦, 數字圖像處理學[M].北京: 電子工業出版社, 2000.

[2]Ren-Jean Liou, Mahmood R.Azimi-Sadjadi.Dim target detection using high order correlation method [J].IEEE Transactions on aerospace and electronic systems, 1993, 29(3): 841-856

[3]李帥,盧榮勝,史艷瓊,劉寧,李楠楠.基于高斯曲面擬合的亞像素邊緣檢測算法[J].工具技術,2011,4507:79-82.

[4]陳艷,張漫,馬文強,劉兆祥,籍穎.基于GPS和機器視覺的組合導航定位方法[J].農業工程學報,2011,2703:126-130.

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