基于ORB算法的海上氣象傳真圖片的收發(fā)比對

摘 要：氣象傳真監(jiān)測系統(tǒng)是一套用于監(jiān)測海上氣象傳真播發(fā)質(zhì)量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在應(yīng)用過程中提出了如何通過機(jī)器自動比對的方式來實(shí)現(xiàn)對氣象傳真圖片的原圖與接收圖片之間的比較，并給出相似度的結(jié)果，用來實(shí)現(xiàn)對收發(fā)圖片的自動比對問題，量化監(jiān)測結(jié)果。針對該問題我們提出了利用特征檢測和特征描述的ORB算法來解決這個問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對氣象傳真收發(fā)圖片的自動比對，提升了氣象傳真圖片的自動比對效率。

關(guān)鍵詞：氣象傳真；圖像比對；自動比對；ORB特征檢測

0 引 言

船舶在海上航行的時候，需要密切關(guān)注海上的氣象情況，根據(jù)氣象預(yù)報(bào)情況做出合理的航線可以有效地提升船舶的航行安全以及航行的經(jīng)濟(jì)性。氣象傳真播發(fā)的海上天氣分布情況、天氣預(yù)報(bào)情況和警報(bào)等大量有用的海域情報(bào)，對于保證海上航行安全、選擇最佳航線等方面都具有重要作用。一般國際航行的船舶都會配備合適的氣象傳真接收機(jī)，用以接收航行途徑各個海域國家播發(fā)的海上氣象傳真預(yù)報(bào)信息。

上海通信中心管理的上海海岸電臺作為我國重要的海上氣象傳真業(yè)務(wù)播發(fā)單位，在啟用了國產(chǎn)化氣象傳真播發(fā)設(shè)備后，一直致力于提升國產(chǎn)氣象傳真的播發(fā)質(zhì)量，陸續(xù)在全國各地建設(shè)了氣象傳真接收基站，通過實(shí)時接收播發(fā)的氣象傳真圖片來比較對比氣象傳真的播發(fā)質(zhì)量，由于人工審核的主觀性以及難以量化定性的特點(diǎn)，特意在氣象傳真播發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)計(jì)增加了一種自動比對技術(shù)來比較氣象傳真播發(fā)原圖與各個站點(diǎn)收到的播發(fā)圖進(jìn)行比較，并通過算法給出的相似度來自動判斷氣象傳真圖片的接收質(zhì)量，從而可以進(jìn)一步提升氣象傳真的播發(fā)質(zhì)量，有助于管理上對國產(chǎn)發(fā)信機(jī)進(jìn)行更加合理的參數(shù)調(diào)整，甚至進(jìn)一步推動國產(chǎn)廠家對氣象傳真播發(fā)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級以及提升，推動我國在氣象傳真播發(fā)業(yè)務(wù)上升級進(jìn)步。

1 氣象傳真圖片ORB比對法

氣象傳真圖片比對存在著一個難題，即原圖在通過調(diào)制解調(diào)以后發(fā)送出去到接收端收到無線電信號調(diào)制解調(diào)后顯示出原圖以后兩者的尺寸大小，存在較大差異，從肉眼角度可以有效識別出來兩者是一張圖，并通過清晰與否來判斷圖片質(zhì)量，但是如果通過機(jī)器來直接分析兩者的相似度，這就導(dǎo)致其無法簡單地通過像素點(diǎn)位方式來進(jìn)行比對，這時候ORB方式就完美解決了這個痛點(diǎn)。?ORB（Oriented Brief）是一種特征檢測和描述算法，結(jié)合了FAST特征點(diǎn)檢測和BRIEF特征描述，可以通過特征提取以及特征描述的方式實(shí)現(xiàn)2張圖片之間的相似度匹配問題。

在進(jìn)行圖像對比之前，我們首先得了解一下什么是 Emgu CV。Emgu CV 是一個跨平臺的 .NET 封裝庫，基于 OpenCV（開源計(jì)算機(jī)視覺庫），它允許 .NET 開發(fā)者使用 OpenCV 提供的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理功能。Emgu CV 支持多種圖像處理任務(wù)，如特征檢測、圖像識別和視頻分析，使開發(fā)者能夠輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的視覺應(yīng)用。本文將介紹如何利用 Emgu CV 中的 ORB 特征檢測和描述算法來實(shí)現(xiàn)圖像對比，具體步驟包括圖像加載、特征點(diǎn)檢測、描述符計(jì)算及最終的相似度評估。

在 .NET 中，有許多方法可以進(jìn)行圖像對比，例如：使用 Bitmap 類逐像素比較2幅圖像，或者采用特征檢測和描述算法以及深度學(xué)習(xí)方法。然而，深度學(xué)習(xí)在 .NET 中通常需要額外建立服務(wù)來調(diào)用模型，這樣的操作過程相對繁瑣。而逐像素比較對圖像的方向和大小要求十分嚴(yán)格，并不適合氣象傳真的圖片比對，因?yàn)樵瓐D和收到的圖片大小并不能完全匹配。相比之下，特征檢測和描述算法能夠有效解決這些問題。本文將使用 ORB 特征檢測算法進(jìn)行圖像對比，而ORB 算法具有多項(xiàng)顯著優(yōu)點(diǎn)，包括高效性、旋轉(zhuǎn)不變性、尺度不變性和抗光照變化。首先，ORB 在計(jì)算上比同為特征檢測算法的 SIFT 和 SURF 更快，因此非常適合實(shí)時應(yīng)用。其次，ORB 是通過計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的方向，能夠有效抵抗圖像的旋轉(zhuǎn)，這使得它在處理旋轉(zhuǎn)物體時表現(xiàn)優(yōu)異。此外，盡管 ORB 的特征描述符主要針對固定尺度圖像設(shè)計(jì)，但結(jié)合多尺度處理后，它對尺度變化也展示出良好的魯棒性。因此，其對光照變化具有一定的適應(yīng)能力，能夠在不同光照條件下進(jìn)行可靠的特征匹配。綜上所述， ORB 算法使得我們能夠在保持高性能的同時，靈活應(yīng)對各種圖像條件，這契合了我們對于氣象傳真圖片的比對需求。

2 氣象傳真圖片ORB比較法的實(shí)現(xiàn)

2.1 ORB特征描述對比

為了實(shí)現(xiàn)ORB比較法在氣象傳真圖片比對技術(shù)當(dāng)中的應(yīng)用，首先需要通過 NuGet 包管理器安裝 Emgu CV 庫，以便在 .NET 環(huán)境中使用其功能。安裝完成后，將使用 CvInvoke.Imread 函數(shù)讀取圖片，并將其加載為 Emgu CV 的 Mat 對象。Mat 對象主要提供圖像的像素?cái)?shù)據(jù)、類型、維度和大小等重要信息，這些信息對于后續(xù)處理至關(guān)重要。接下來，需要將讀取到的圖片轉(zhuǎn)換為灰度圖像，以簡化特征檢測過程。灰度圖像通常更易于處理，因?yàn)樗鼫p少了色彩信息的復(fù)雜性。之后，我們會創(chuàng)建一個 ORB 檢測器，并根據(jù)具體需求設(shè)定相關(guān)參數(shù)，如特征點(diǎn)數(shù)量和縮放因子。這些參數(shù)將影響特征檢測的效果和速度。一旦特征點(diǎn)被成功檢測到，接下來我們會為每個特征點(diǎn)計(jì)算其描述符。這些描述符是用于表示特征點(diǎn)特征的向量，能夠在后續(xù)的特征匹配中發(fā)揮重要作用。然后，我們將使用ORB算法進(jìn)行特征匹配，以便找到最佳匹配的特征點(diǎn)對。最后，為了提高匹配的準(zhǔn)確性，我們需要根據(jù) Lowe 的比率測試對匹配結(jié)果進(jìn)行篩選。該測試通過比較最優(yōu)匹配和次優(yōu)匹配之間的距離，確保只有那些具有足夠差異的匹配結(jié)果被保留，從而有效減少錯誤匹配的可能性。通過這一系列步驟，我們能夠?qū)崿F(xiàn)高效且準(zhǔn)確的圖像對比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣象傳真圖片的源數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的實(shí)時收發(fā)比對。

2.2在.NET中實(shí)現(xiàn)一鍵匹配最相似圖片

在實(shí)現(xiàn)自動匹配之前，需要準(zhǔn)備待檢測的圖片，將當(dāng)天的所有圖片保存在一個文件夾中。接著，通過遍歷該文件夾中的每幅圖片，與選中的圖片進(jìn)行對比，計(jì)算出相似度，以找出相似度最高的圖片。完成比較后，可以使用網(wǎng)頁的彈窗功能，創(chuàng)建一個模態(tài)窗口，展示找到的最相似圖片，以及其相似度和名稱等信息。這樣點(diǎn)擊一鍵查詢能夠高效地實(shí)現(xiàn)圖像自動匹配，并為用戶提供直觀的結(jié)果展示。

此外也可以單獨(dú)點(diǎn)擊圖片得到原圖與該張圖片的相似度。

3 系統(tǒng)部署安裝

在 Visual Studio 中，首先需要編譯應(yīng)用程序并生成發(fā)布文件夾。完成編譯后，打開 IIS 管理器，首先添加一個新的應(yīng)用程序池，將其 .NET CLR 版本設(shè)置為 v4.0，并確保“啟用 32 位應(yīng)用程序”選項(xiàng)關(guān)閉（其他設(shè)置保持默認(rèn)）。接下來，添加一個新網(wǎng)站，選擇剛才生成的發(fā)布文件夾作為網(wǎng)站的物理路徑，并設(shè)置相應(yīng)的綁定（如端口和域名）。最后，配置網(wǎng)站的權(quán)限，確保 IIS 用戶能夠訪問應(yīng)用程序文件，然后啟動網(wǎng)站以進(jìn)行測試和訪問。

4 結(jié)束語

本文主要是通過Emgu CV 中的 ORB 特征檢測和描述算法來實(shí)現(xiàn)圖像對比，該算法可以完美匹配氣象傳真原圖與接收圖片之間的比對難題，畢竟原圖和實(shí)際氣象傳真接收設(shè)備之間存在比較大的尺寸以及像素點(diǎn)位的差異，研究人員只能通過提取特征值的方式將兩者進(jìn)行有效比對才能解決兩種圖片之間的比對，該技術(shù)基于成熟的大模型技術(shù)，比對下來的效果也基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需要，可以有效地通過量化方式對氣象傳真收發(fā)圖片之間的比對難題，切實(shí)解決了當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難。