一種優(yōu)化的快速模板的匹配算法及應(yīng)用介紹

     摘要：介紹一種優(yōu)化的快速模板的匹配算法，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)時(shí)提取、識(shí)別和跟蹤，并成功應(yīng)用于紅外熱成像跟蹤技術(shù)的研究，解決了復(fù)雜背景條件下目標(biāo)跟蹤穩(wěn)定度差的技術(shù)難點(diǎn)。該算法用Visual C++編寫(xiě)，可方便地移植到其它操作平臺(tái)或嵌入式系統(tǒng)。

　　紅外熱成像跟蹤技術(shù)是一種被動(dòng)式目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤技術(shù)，用于對(duì)紅外視頻信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)、提取和跟蹤。對(duì)比度特征鑒別是比較常用的目標(biāo)提取方法。它無(wú)法記憶、識(shí)別目標(biāo)形態(tài)特征，在復(fù)雜背景下提取效果、跟蹤穩(wěn)定性較差。而模板匹配算法以目標(biāo)特征數(shù)據(jù)為模板，在搜索區(qū)域里尋找匹配點(diǎn)，即以目標(biāo)形態(tài)特片為判據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢索和跟蹤。即便在復(fù)雜背景狀態(tài)下，跟蹤靈敏度和穩(wěn)定度都極高，非常適用于復(fù)雜背景下的目標(biāo)跟蹤。

　　模板匹配算法由于計(jì)算量龐大，應(yīng)用成本較高。經(jīng)過(guò)多方優(yōu)化、簡(jiǎn)化后，可用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模板匹配處理。在沒(méi)有增加成本、耽誤工程進(jìn)度的前提下，增強(qiáng)了復(fù)雜背景下的跟蹤靈敏度和穩(wěn)定度，提高了產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。為模板匹配算法的低成本應(yīng)用開(kāi)壁了一條新路。

　　本文介紹的模板匹配算法在Windows 2000下用Visual C++編制，可方便地移植到多種操作平臺(tái)。

　　1 模板匹配原理

　　模板匹配是數(shù)字圖像處理的重要組成部分之一。把不同傳感器或一傳感器在不同時(shí)間、不同成像條件下對(duì)同一景物獲取的兩幅或多幅圖像在空間上對(duì)準(zhǔn)，或根據(jù)已知模式到另一幅圖中尋找相應(yīng)模式的處理方法就叫做模板匹配。

　　假設(shè)要在搜索區(qū)域中尋找與模板圖像相關(guān)程度最大的位置，可以通過(guò)模板匹配來(lái)計(jì)算兩者的相關(guān)程度。圖1是模板匹配算法的示意圖。假設(shè)模板（b）疊放在搜索圖(a)上平移，模板覆蓋下的部分記作子圖Si,j，其中i,j是這塊子圖的左上角像點(diǎn)在S圖中的坐標(biāo)。從圖1中可得出i,j的取值范圍：1≤i≤K-M+1、1≤j≤L-N+1。

　　衡量模板T和子圖Si,j的匹配程度，可用下列兩種測(cè)度：

　　或者

     展開(kāi)前一個(gè)式子，有：

　?。?）式右邊的第三項(xiàng)表示模板的總能量，是一個(gè)常數(shù)，與(i,j)無(wú)關(guān)。第一項(xiàng)是模板覆蓋下那塊子圖像的能量，它隨(i,j)位置而緩慢改變。第二項(xiàng)是子圖像和模板的互相關(guān)函數(shù)，隨（i,j）變化而迅速改變。模板T和子圖Si,j匹配時(shí)這一項(xiàng)的值最大，因此可用下列相關(guān)函數(shù)來(lái)反應(yīng)匹配程度：

　　或者歸一化為：

　　2 建立數(shù)學(xué)模型

　　2.1計(jì)算公式

　　模板匹配算法計(jì)算模板和匹配區(qū)域的相似程度，以最相似位置為匹配點(diǎn)。由于模板需要在匹配區(qū)域上逐次匹配，運(yùn)算量很大。所以選擇匹配公式對(duì)整個(gè)匹配的效率有極大的影響。

　　工控機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力有限，需要針對(duì)紅外熱成像跟蹤技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，選定計(jì)算量最小的計(jì)算公式。目標(biāo)跟蹤算法用來(lái)確定目標(biāo)位置，可以用匹配誤差的相對(duì)大小作為目標(biāo)判別的依據(jù)，誤差最小的位置就是目標(biāo)位置，需要考慮絕對(duì)相似程度。

　　公式（1）～（5）都能夠真實(shí)反應(yīng)模板的相對(duì)匹配程度，選擇計(jì)算量最小、效率最高的公式（1）作為原始數(shù)學(xué)模型。匹配點(diǎn)位置算法完成整個(gè)匹配區(qū)域內(nèi)的小匹配誤差點(diǎn)檢索，表示為公式（6）：

　　變量K、L為匹配區(qū)域尺寸；M、N為模板尺寸。

　　2.2 模板尺寸

　　模板尺寸對(duì)系統(tǒng)性能和計(jì)算量的影響不容小覷。模板過(guò)大導(dǎo)致動(dòng)態(tài)特性變差；過(guò)小又會(huì)減少目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)量，降低匹配的敏感程度，增大目標(biāo)檢測(cè)難度。實(shí)際操作中，模板尺寸設(shè)置為32×16時(shí)的效果非常理想。

　　2.3 匹配區(qū)域

　　不同的應(yīng)用環(huán)境下，對(duì)匹配區(qū)域和實(shí)時(shí)性要求也不盡相同。光電探測(cè)設(shè)備需要在視頻圖像采集周期內(nèi)(20ms)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。由于目標(biāo)在兩場(chǎng)視頻圖像之間的移動(dòng)量較小、特征變化不大，匹配區(qū)域可以大大縮小。

　　匹配區(qū)域太小會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)動(dòng)態(tài)特性變差，過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量大幅度增加，具體選擇需要權(quán)衡設(shè)備參數(shù)來(lái)決定。由于CCIR制式視頻信號(hào)是隔行掃描，系統(tǒng)出于實(shí)時(shí)性考慮，數(shù)據(jù)以場(chǎng)為單位處理，導(dǎo)致圖像比例為2:1狀態(tài)。為了保持水平、垂直方向的動(dòng)態(tài)特性一致，圖像匹配區(qū)域也按2:1比例選擇。

　　在滿足實(shí)時(shí)性要求的情況下，選擇相對(duì)較大的匹配范圍，可提高設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，從表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，選擇匹配區(qū)域100×50點(diǎn)、模板32×16點(diǎn)時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍為69×35，時(shí)間消耗為13ms。光電探測(cè)設(shè)備系統(tǒng)目標(biāo)動(dòng)態(tài)特性要求處理區(qū)域不小于40×20點(diǎn)?？梢?jiàn)以上選擇可以很好地滿足動(dòng)態(tài)特性和實(shí)時(shí)性要求。

　　表1 匹配區(qū)域與完全優(yōu)化處理時(shí)間對(duì)比表

　　*數(shù)據(jù)測(cè)試平臺(tái)為：PIII933CPU、256MB內(nèi)存、Win2000操作系統(tǒng)

　　**數(shù)據(jù)是在加入算法優(yōu)化、模板尺寸為32×16的情況下獲取的。

　　3 數(shù)學(xué)模型優(yōu)化方法

　　數(shù)學(xué)模型結(jié)合選擇的模板和搜索區(qū)域大小，可以知道模板最佳匹配點(diǎn)計(jì)算公式如下：

　　由公式（7）可以看出，程序需要進(jìn)行大量的循環(huán)計(jì)算，整體運(yùn)算量仍然不小，需要進(jìn)一步優(yōu)化，減少處理時(shí)間。運(yùn)用如下優(yōu)化算法進(jìn)一步減少實(shí)際運(yùn)算量。

　　3.1 粗精匹配結(jié)合

　　觀察實(shí)際模板匹配運(yùn)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，匹配點(diǎn)附近的匹配誤差迅速下降，有顯區(qū)別于其它位置。針對(duì)這一特點(diǎn)，采用粗精匹配結(jié)合的算法迅速鎖定匹配點(diǎn)大致區(qū)域，可大大降低整體匹配次數(shù)。

　　具體實(shí)現(xiàn)方法：先跳動(dòng)著隔幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次粗匹配，大致框定匹配區(qū)域，然后在附近區(qū)域逐一檢索獲得最佳匹配點(diǎn)。運(yùn)算量可減少到三分之一以下，且目標(biāo)提取效果相當(dāng)好。

　　3.2 限制最大匹配誤差

　　因?yàn)橹恍枵业阶钚∑ヅ湔`差的位置，不必完整計(jì)算每一位置的絕對(duì)匹配誤差，而以已經(jīng)計(jì)算最小匹配誤差作為最大允許誤差。若計(jì)算誤差大于該最大允許誤差，就肯定不是最佳匹配點(diǎn)，可以提前結(jié)束計(jì)算，進(jìn)入下一匹配位置的計(jì)算；如果匹配完成后仍小于最大允許誤差，就用當(dāng)前誤差替換最大允許誤差，并把該點(diǎn)作為潛在的匹配位置記錄下來(lái)。

　　匹配點(diǎn)和非匹配點(diǎn)的誤差常常相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)這種處理后，匹配點(diǎn)后剩余的計(jì)算量可以大大降低。

　　3.3 亂序匹配

　　目標(biāo)出現(xiàn)在匹配區(qū)域中的位置不確定。不固定順序算法可以更快地檢索到匹配區(qū)域，迅速降低最大匹配誤差，減少剩余非匹配點(diǎn)的計(jì)算一，降低整體運(yùn)算量。

　　針對(duì)光電探測(cè)設(shè)備的實(shí)際工作情況，在跟蹤狀態(tài)下，目標(biāo)位移角速度和角加速度有限，導(dǎo)致目標(biāo)常處于匹配區(qū)域中心附近。選擇由中心向周?chē)椛淦ヅ涞姆绞叫Ч罾硐搿?/p>

　　4 程序樣本

　　以下程序樣本綜合使用了上面的優(yōu)化算法，成功應(yīng)用于紅外熱成像跟蹤技術(shù)的原理樣機(jī)，達(dá)到了預(yù)期效果。

　　該函數(shù)用于圖像模板匹配運(yùn)算，適用于256灰度值的黑白圖像數(shù)據(jù)。

　　Deal_With:TemplateMatch(unsigned char* lpSource,LONGlWIDTh,LONG lHeight,unsigned char* lpTemplate,LONG lTemplateWidth,LONG lTemplateHeight，)

　　{

　　unsigned char* Source; //指向待處理圖像的指針

　　unsigned char*Template； //指向模板圖像的指針

　　int i,j,m,n; //循環(huán)變量

　　unsigned char lMaxWidth，lMaxHeigth，//匹配位置

　　unsigned long D; //相似誤差

　　unsigned long MaxD; //最大允許相似誤差

　　//粗相關(guān)

　　MaxD=0x10000000; //約定最大匹配誤差

　　for(j=0;j

　　for(i=0;i

　　D=0;

　　Source=(unsigned char *)lpSource+lWidth*j+i;

　　Template=(unsigned char *)lpTemplate;

　　for(n=0;n

　　for(m=0;m

　　D+=(*Source++-*Template++)*(*Source++-*Template++);

　　Source+=lWidth-lTemplateWidth;

　　}

　　if(D

　　MaxD=D;

　　lMaxWidth=i;

　　lMaxHeight=j;

　　}

　　}

　　}

　　//精相關(guān)

　　lMaxWidthExact=lMaxWidth;

　　lMaxHeightExact=lMaxHeight;

　　for(j=lMaxHeight-2;j<=lMaxHeight+2;j++){

　　for(i=lMaxWidth-2;i<=lMaxWidth+2;i++){

　　D=0;

　　Source=(unsigned char *)lpSource+lWidth*j+i;

　　Template=(unsigned char *)lpTemplate;

　　for(n=0;n

　　for(m=0;m

　　D+=(*Source++-*Template++)*(*Source++-*Template++);

　　Source+=lWidth-lTemplateWidth;

　　}

　　if(D

　　MaxD=D;

　　lMaxWidthExact=i; //x方向最佳匹配點(diǎn)位置

　　lMaxHeightExact=j; //y方向最佳匹配點(diǎn)位置

　　}

　　}

　　}

　　}