【文章內(nèi)容簡介】 備。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 3 章 圖像配準(zhǔn)與拼接算法研究 圖像配準(zhǔn)是圖像處理的基本任務(wù)之一，用于將不同時間 、不同傳感器、不同視角及不同的拍攝條件下獲取的兩幅或者多幅圖像進行匹配。 通過圖像配準(zhǔn)提取出參考圖像和待拼接圖像中的匹配信息，利用各種算子找出待拼接圖像中特征點在參考圖像中所對應(yīng)的位置，尋找最佳匹配，進而確定兩幅圖像的變換關(guān)系。在針對同一場景進行采集時，由于采集設(shè)備的原因和光照強度的影響，在采集到的圖像中可能存在大面積的同色區(qū)域，或者平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等多種問題，這些問題會影響整個拼接過程，而通過圖像配準(zhǔn)我們就可以選擇一種最佳的配準(zhǔn)算法，能夠在各種復(fù)雜的情況下都能找到準(zhǔn)確的圖像對應(yīng)關(guān)系，達到圖像拼接的目的。一種 好的圖像配準(zhǔn)算法，應(yīng)該能夠在各種情況下準(zhǔn)確找到圖像間的對應(yīng)信息，完成最優(yōu)的拼接過程 [12]。 圖像配準(zhǔn)的方法 迄今為止，在國內(nèi)外的圖像處理研究領(lǐng)域，已經(jīng)報道了相當(dāng)多的圖像配準(zhǔn)研究工作，并產(chǎn)生了不少圖像配準(zhǔn)方法。各種方法都是面向一定范圍的應(yīng)用領(lǐng)域，也具有各自的特點。大致上來講，有三種圖像配準(zhǔn)方法，包括：基于灰度信息的圖像配準(zhǔn)方法，基于特征的圖像配準(zhǔn)方法和基于優(yōu)化策略的圖像配準(zhǔn)方法。本設(shè)計主要用到的就是基于特征的圖像配準(zhǔn)方法?；谔卣鞯膱D像配準(zhǔn)是配準(zhǔn)中最常見的方法。對于不同特征的圖像，選擇圖像中容易提取 ，并能夠在一定程度上代表待配準(zhǔn)圖像相似性的特征作為配準(zhǔn)依據(jù)。它可以克服利用圖像灰度信息進行圖像配準(zhǔn)的缺點，主要體現(xiàn)在以下 3 個方面： (1)圖像的特征點比圖像的 像素點少很多，從而大大減少了匹配過程 計算量；(2)特征點的匹配度量值對位置變化比較敏感，可以大大提高匹配的精度； (3)特征點的提取過程可以減少噪聲的影響，對灰度變化、圖像形變以及遮擋等都有較好的適應(yīng)能力。 因此，基于特征的圖像配準(zhǔn)方法 [13]是實現(xiàn)高精度、快速有效和適用性廣的配準(zhǔn)算法的最佳選擇。根據(jù)特征選擇和特征匹配方法的不同，衍生出多種不同的基于特 征的圖像配準(zhǔn)方法，可分為基于點特征的圖像配準(zhǔn)算法和基于線特征的圖像配準(zhǔn)算法。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 基于點特征的圖像配準(zhǔn)算法 已知 ? ?mpppP , 21 ?? 是標(biāo)準(zhǔn)參考圖像上的特征點集， ? ?nqqqQ , 21 ?? 是待配準(zhǔn)圖像上的特征點集，配準(zhǔn)要實現(xiàn)的目的 就是確立兩個點集之間的對應(yīng)關(guān)系。利用對應(yīng)關(guān)系來求解變換模型參數(shù) ， 具體配準(zhǔn)過程如下： (1)對參考圖像上的特征點集 P 中的一個特征點 ip 建立以其為中心，大小 為nn? 的目標(biāo)窗口 nnP ； (2)相對于參考圖像上的特征點 ip ，在待配準(zhǔn)圖像上取大小為 mm? 的窗口mmQ （ nm?? ），并確保特征點 ip 的同名特征點在搜索窗口 mmQ 內(nèi)； (3)目標(biāo)窗口 nnP 在搜索窗口 mmQ 上滑動 ， 同時計算其相似性度量 ， 確定特征點ip 的同名特征點 iq 。 需要注意的是，在匹配過程中，并非 P 和 Q 中的所有點都有匹配點對，點集 P中的某些對應(yīng)點會在 Q 中丟失。因此，所尋找的是 P 和 Q 之間的最大匹配點子集kiqp ii ,2,1,),( ?? ，其中 ),min( nmk ? 。 在基于點特征的圖像配準(zhǔn)算法中，特征點通常選取的是圖像中易于確定的特殊點，比如角點、直線交叉點、 T 型交匯點、高曲率點，以及特定區(qū)域的中心、重心等。 基于線特征的圖像配準(zhǔn)算法 線特征的提取是基于線特征的圖像配準(zhǔn)算法中的關(guān)鍵一步。提取線特征的過程可分為兩步：首先，抽取反映灰度變化的基本單元 —— 邊緣 。 其次，再將這 些不連續(xù)的邊緣片段連接或者編組為有意義的線狀特征。通常，稱前者為邊緣檢測，后者為邊緣連接。常用的邊緣檢測方法有 Roberts 算子、 Laplacian 算子、 Sobel算子、 Prewitt 算子等。邊緣連接算法可分為局部邊緣連接算法和全局邊緣連接算法。 基于點特征的圖像配準(zhǔn)算法具有較強的有效性和可靠性，然而，當(dāng)待配準(zhǔn)圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像之間存在較大的幾何差異時，點特 征的提取很困難?；诰€特征的圖像配準(zhǔn)算法能夠有效地解決這個缺陷，以下介紹兩種基于線特征的算法： (1)局部邊緣連接算法 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 鏈碼描述子是一種典型的局部邊緣連接算 法，它在一個局部領(lǐng)域內(nèi)進行連接操作，包括標(biāo)注和連接兩步。鏈碼首先是由美國學(xué)者 Freeman 提出的，所以鏈碼有時又被稱為 Freeman 碼。它實際上是一串方向符號的序列。在數(shù)字圖像中，圖像的邊緣點實際上是一些離散的像素點，除圖像邊界上的點外，所有的像素點都有 8 個相鄰的點與之連接。如果將這 8 個點的連接方向用方向符號來代替，再沿邊緣方向依次記錄每兩點間的連接方向，就可得到邊緣輪廓的方向鏈碼。 (2)全局邊緣連接算法 Hough 變換是最常用的全局邊緣連接算法，它能夠?qū)⑦吘墮z測算子抽取出的圖像邊緣像素連接起來組成的區(qū)域 封閉的邊界。 Hough 變換的主要優(yōu)點是：對圖像的局部缺損不敏感，受噪聲的影響較小。 Hough 變換的基本思想是點 —— 線的對偶性。圖像變換前在圖像空間，變換后在參數(shù)空間，將笛卡爾坐標(biāo)系（圖像空間）中的線變換成斜率 —— 截距坐標(biāo)空間中的點，或極坐標(biāo)（參數(shù)空間）中的點，即原始圖像中給定性質(zhì)的曲線或直線上的所有點都集中到參數(shù)空間的某個點上形成峰值。這樣，就把原始圖像中給定形狀的曲線或直線的檢測問題，變成了尋找參數(shù)空間中的峰值問題，也即把檢測整體特性（給定曲線的點集）變成檢測局部特性的問題。 圖像配準(zhǔn)的原理 將兩 幅圖像進行 Harris 角點檢測后，分別得到角點對應(yīng)與該圖像的坐標(biāo)位置，以該坐標(biāo)位置為中心，分別取其附近的 8 個像素值，然后進行與另一幅圖像進行匹配，找出距離最小的點作為匹配點。 接著，將圖像一中的角點 1 與圖像二中的所有角點進行相減，得到一個最小誤差值，并記錄下該位置，這樣依次將圖像一中的角點 2，角點 3 一直到最后的角點都進行相減，即可得到兩幅圖像之間的最佳匹配點。對已經(jīng)找出的匹配點，在圖像上進行顯示，這樣有利于人眼判斷該算法是否匹配正確。 圖像配準(zhǔn)的 MATLAB 實現(xiàn) 通過篩選角點的步驟后，在剩下為數(shù)不多的 角點中，選擇兩對正確的匹配角點對，為圖像拼接建立起橋梁。利用 MATLAB 編程實現(xiàn)這部分的功能，程序代碼詳見附錄， MATLAB 仿真顯示結(jié)果如圖 31 所示： 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 c o r n e r m a t c h i n g l e f t i m a g e c o r n e r m a t c h i n g r i g h t i m a g e 圖 31 匹配角點對的 MATLAB 實現(xiàn)顯示圖 圖像拼接的原理 圖像拼接，是設(shè)計的最后關(guān)鍵步驟，利用角點檢測后篩選得到的兩對匹配角點對，把兩幅圖像拼接完成， 將配準(zhǔn)后的圖像進行無縫縫合 [14]，需要對重疊區(qū)域重新設(shè)定數(shù)據(jù)值，在保證縫合處色調(diào)自然基礎(chǔ)上，保證信息損失量達到最小，目的是使處理后的最終結(jié)果能夠自然過渡，縫合的邊界更加平滑 ，最后顯示出完整的 全景圖像。 圖像拼接的 MATLAB 實現(xiàn) 利用圖像配準(zhǔn)過程中找到的匹配角點對，通過 MATLAB 編程，實現(xiàn)圖像拼接，使最后的完整全景圖像顯示出來。程序代碼詳見附錄， MATLAB 仿真結(jié)果顯示如圖 32 所示： 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 i m a g e r e g i s t r a t i o n100 200 300 400 500 600 700 800100200300400500600 圖 32 圖像拼接 ——全景顯示圖 本章小結(jié) 本章的工作是對圖像配準(zhǔn)和圖像拼接的掌握，對圖像配準(zhǔn)的方法的理解，尤其是基于特征中的基于點特征的配準(zhǔn)算法的理解，總結(jié)出圖像配準(zhǔn)和圖像拼接的原理。本設(shè)計就是利用角點的特征實現(xiàn)配準(zhǔn)，最后用精準(zhǔn)的配準(zhǔn)角點對實現(xiàn)圖像的拼接。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 4 章 圖像拼接技術(shù)的 GUI 設(shè)計 MATLAB 的主要功能 可靠的數(shù)值計算和符號計算功能、強大的繪圖功能、簡單易學(xué)的語言體系以及為數(shù)眾多的應(yīng)用工具箱是 MATLAB 區(qū)別于其他科技應(yīng)用軟件的顯著標(biāo)志 [15]。 數(shù)值計算和符號計算功能 MATLAB 以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，這使得矩陣運算變得非常簡捷、方便、高效。 MATLAB 還提供了十分豐富的數(shù)值計算函數(shù)，而且所采用的數(shù)值計算算法都是國際公認的最先進、可靠的算法，其程序由世界一流專家編制和高度優(yōu)化。高質(zhì)量的數(shù)值計算功能為 MATLAB 贏得了聲譽。 繪圖功能 利用 MATLAB 繪圖十分方便，它既可以繪制各種圖形，包括二維圖形和三維圖形，還可以對圖形進行修飾和控制，以增強圖形的表現(xiàn)效果。 MATLAB 提供了兩個層次的繪圖操作：一種是對圖形句柄進行的低層繪圖操作，另一種是建立在低層繪圖操作之上的高層繪圖操作。利用 MATLAB 高層繪圖操作，用戶不需過多的考慮繪圖細節(jié)，只需給出一些基本參數(shù)就能繪制所需圖形。 語言體系 MATLAB 具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入 /輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特征，所以使用 MATLAB 也可以像使用 BASIC、 FORTRAN、 C 等傳統(tǒng)編程語言一樣，進行程序設(shè)計，而且簡單易學(xué)、編程效率高。 MATLAB 是解釋性語言，程序執(zhí)行速度較慢，而且不能脫離 MATLAB 環(huán)境而獨立運行。 MATLAB 工具箱 MATLAB 包含兩部分內(nèi)容：基本部分和各種可選的工具箱?；静糠謽?gòu)成了MATLAB 的核心內(nèi)容，也是使用和構(gòu)造工具箱的基礎(chǔ)。 MATLAB 工具箱分為兩大類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能、可視建模仿真功能及文字處理功能等。學(xué)科性工具箱專業(yè)性比較強，如控制 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 系統(tǒng)工具箱（ Control System Toolbox）、信號處理工具箱（ Signal Processing Toolbox）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（ Neural Network Toolbox）、最優(yōu)化工具箱（ Optimization Toolbox）、金融工具箱（ Financial Toolbox）、統(tǒng)計學(xué)工具箱（ Statistics Toolbox）等。 MATLAB 軟件的用戶界面窗口，包括命令窗口、工作 空 間窗口、當(dāng)前目錄窗口、 命令歷史窗口 和啟動平臺窗口。在實際操作中，可以通過建立 M 文件完成編程。 圖 41 MATLAB 軟件用戶界面窗口圖 GUI 界面定義 MATLAB 作為功能強大的科學(xué)計算軟件，提供了圖形用戶界面設(shè)計的功能，使得界面設(shè)計在可視化狀態(tài)進行，設(shè)計過程變得簡單直觀，實現(xiàn)了 “所見即所得 ”。所謂圖形用戶界面（ Graphical User Interface， GUI）是指由窗口、菜單、對話框等各種圖形元素組成的用戶界面。在這種用戶界面中，用戶的操作既形象生動，又方便靈活，所以當(dāng)今絕大部分開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用程序都采用圖形用戶界面，許多流行的開發(fā)工具都可以進行圖形用戶界面的設(shè)計。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 可視化圖形用戶界面設(shè)計 GUI 設(shè)計模板 在 MATLAB 主窗口中，打開 File 菜單中的 New 子菜單， 再 選擇其中的 GUI命令，就會顯示圖形用戶界面設(shè)計模板，如圖 42 所示： 圖 42 GUI 設(shè)計模板圖 MATLAB 為 GUI 設(shè)計一共準(zhǔn)備了 4 種模板，分別是 Blank GUI（默認）、 GUI with Uicontrols（帶控件對象的 GUI 模板）、 GUI with Axes and Menu（帶坐標(biāo)軸與菜單的 GUI 模板）與 Modal Question Dialog（帶模式問話對話框的 GUI 模板）。當(dāng)用戶選擇不同的模板時，在 GUI 設(shè)計模板界面的右邊就會顯示出與該模板對應(yīng)的 GUI 圖形。 GUI 設(shè)計窗口 在 GUI 設(shè)計模板中選擇一個模板，然后單擊 OK 按鈕，就會顯示 GUI 設(shè)計窗口。選擇不同的 GUI 設(shè)計模板時，在 GUI 設(shè)計窗口中顯示的結(jié)果是不一樣的。如圖 43 所示為選擇 Blank GUI 設(shè)計模板后顯示的 GUI 設(shè)計窗口。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 43 Blank GUI 設(shè)計模板圖 在 GUI設(shè)計窗口左邊的是控件工具欄，包括 Push Button、 Slider、 Radio Button、Check Box、 Edit Text、 Static Text、 Popup Menu、 Listbox、 Toggle Button、 Axes等控件對象，它們是構(gòu)成 GUI 的基本元素。 GUI 設(shè)計窗口由菜單欄、工具欄、控件工具欄以及圖形對象設(shè)計區(qū)組成。 GUI設(shè)計窗口的菜單欄有 File、 Edit、 View、 Layout、 Tools 和 Help 共 6 個菜單項，使用其中的命令可以完成圖形用戶界面的設(shè)計操作。 在 GUI 設(shè)計窗口的工具欄上，有 Align Objects（位置調(diào)整器）、 Menu Editor（菜單編輯器）、 Tab Order