基于图像灰度的拼接技术研究

1、基于图像灰度的拼接技术研究3李利军李云伟( 华中科技大学数字化工程中心武汉430074摘要图像拼接技术就是将一组重叠图像拼接成一幅大型的无缝高分辨率图像的技术。首先给出图像拼接的流程,然后介绍几种基于图像灰度的拼接算法,并在此基础上对算法进行改进,提出多线程技术应用于图像拼接,提高运算速度。关键词图像拼接图像灰度值多线程图像匹配中图分类号TP317.41引言随着科技发展,市场上数码产品越来越便宜,品种越来越多,其已经日渐成为每人生活中的一部分。对于一般的数码相机,只是将拍摄到的相片存储或者数码冲印,而实际上,数码产品的独到优势还没有去挖掘,如何对拍摄到的图像进行深加工,让用户易于使用这些媒体,

2、让这些素材更加生动有趣,已经成为多媒体处理领域研究者的热点。由于数码相机视野的局限性,不可能一次拍出很大图片,本文主要围绕拼接合成技术展开讨论。图像的拼接技术一般分为基于图像灰度的方法和基于图像特征的方法。特征提取的方法一般涉及大量的几何与图像形态学计算,计算量大,没有一般模型可遵循,需要针对不同的应用场合选择各自适合的特征,但需要针对不同的应用场合选择各自适合的特征,但是,所提取的图像特征包含更高层的语义信息,基于特征的方法具有尺度不变性和仿射不变性。然而由于基于灰度值相关的方法简单易行,并且其数学统计模型以及收敛速度、定位精度、误差估计等均有定量的分析和研究结果,此类方法得到了普遍的应用。

3、2图像拼接技术流程和核心问题图像拼接技术的基本流程如图1所示,首先获取待拼接的输入图像,然后经过预处理(滤波平滑等,再进行统一坐标变换,即将所有图像序列变换到统一的坐标系中,不同的变换方式对应不同的拼接流形,接着进行图像配准和图像融合,最终得到全景拼接图。其中,预处理和统一坐标变换两步不是必须的,可视具体情况进行选择 。图1图像拼接流程图核心问题:图像拼接效果与一关键技术息息相关,即图像匹配。3图像匹配常见的分类准则将图像匹配划分为两类:基于图像灰度的方法和基于图像特征的方法,本文主要介绍基于图像灰度的方法。基于图像灰度相关的常用匹配方法为模板匹配,即一种对待匹配的像元以一定大小窗口的灰度阵列

4、按某种或几种相似性度量顺次进行搜索匹配的方法。这类算法的性能主要取决于相似性度量及搜索的选择上。因为基于图像灰度的匹配算法是基于像素的,计算量比较大,所以选择适当的匹配窗口是该方法必须考虑的问题。为了叙述方便,本文中假设待搜索图像S 的尺寸为M 3M ,模板T 的尺寸为N 3N,M >>N,其中M ,N 代表图像像素数目。模板T 在图像S 上平移,搜索窗口所覆盖的子图记作S i,j,i,j 为子图的左上角顶点在图S 中的坐标。常见的相似性度量有以下几种。821计算机与数字工程第35卷3收到本文时间:2006年9月29日作者简介:李云伟,男,硕士研究生,研究方向:虚拟仿真与数字城市,

5、计算机图形学。李利军 ,男,讲师,研究方向:结构计算与仿真、分布式计算。3.1基于两幅图像灰度的平方差之和待匹配图像,其重叠区域的相似度可以由相对应的像素灰度平方差来衡量,对于彩色图像,其像素灰度可由其对应像素的R 、G 、B 的平均值代替。计算模板和搜索子图灰度值的L2距离:D (i,j =Nm =1Nn =1Si,j(m ,n -T (m ,n 2该方法称差和法(su m of squared differences,简称SS D 。其中S,T 分别代表图像各个像素的灰度值,m ,n 代表各个像素的坐标。其值最小者所对应的位置(i,j 为最佳匹配位置,记录其值。不过,通常差和法会被最简单的

6、基于灰度值的方法(灰度的绝对值差代替,灰度值的方法是利用灰度的绝对差值(abs olute difference,简称AD ,即计算与搜索子图灰度值的L1距离:D (i,j =Nm =1Nn =1|Si,j(m ,n -T (m ,n |其原理和差方和法相同。上述方法时间复杂度均为O (M 2N 2,AD 计算量稍小于SS D 。上面的两种拼接方法,可以增加一个门限值,该门限值的大小为前面循环已经计算过的最小的D (i,j ,当后面的计算过程累加值大于该门限值时,停止计算,进行下一次循环。同理,在估计比较精确的情况下,开始就可以选取合理的门限值,能够减少其计算量,可见,门限值的选取非常重要。3

7、.2序列相似度检测(SS DA SS DA (sequential si m ilarity detecti on algorithm 序列相似性检测算法是一种快速图像匹配算法,它使用下式作为相似性度量:D (i,j =1m3n N m =1N n =1|S i,j(m ,n -T (m ,n |其元素代表含义与上同,SS DA 以随机不重复的顺序选取像元对(m.n ,在进行上述求和时不需要计算所有像素,SS DA 的基本思想是:如果窗口内所有点被检验完之前该误差过早地达到预定的门限值,便认为该窗位置不是匹配点,无须继续检验窗内的剩余点,停止本次运算,而转向计算下一窗口位置,直到找到匹配点为止

8、,记录其值,从而省去大量的在非匹配位置处的无用运算量。由于在搜索子图像求灰度的平均值,其时间复杂度也不小于O (M 2N 。其改进算法见参考文献1。3.3互相关检测基于互相关的图像定匹配位算法是利用互相关匹配实现图像定位匹配的方法。互相关法可以克服由于图像采集和系统误差带来的灰度畸变和几何畸变(平移变形和旋转,在两图像间的偏差比较小时,互相关法的定位精度可以达到亚像素级甚至1/100像素级的水平。但随着定位精度要求的提高,运算量也会相应增大。互相关检测的思想是用到了概率和数理统计中相关系数的思想。(i,j =N m =1Nn =1|S i ,j (m ,n -E (S i ,j T (m ,n

9、 -E (T |Nm =1Nn =1(S i ,j (m ,n -E (S i ,j 2Nm =1N n =1(T (m ,n -E (T 2其中,E (S i,j 为S i,j的均值,E (T 为T 的均值,Nm =1Nn =1|S i,j (m -n -E (S i,jT (m ,n -E (T |为协方差,(i,j 为相关系数。相关系数是0-1之间的一个数,其值越接近1说明量图像越相似,所以,值最大者为最佳匹配点,同样记录其值。优化算法见参考文献2。4图像拼接确定匹配点后,要确定整幅像素的值,如图2所示,假设A 点在图A 中的坐标为(MosicxPoint ,MosicyPoint ,图

10、像左下角为坐标原点 。在图B 中的坐标为(col m in,r owm in ,Height,W idth 为分别为图B 的高度和宽度,Height1,W idth1分别为图A 的高度和宽度。则拼接后的图像的图像的高度和宽度为Mosic Dy,Mosic Dx 。if (r owm in <=MosicyPoint if (Height -r owm in <=Height1-MosicyPoint MosicDy =Height1;else MosicDy =MosicyPoint +Height -r owm in;Else if (Height -r owm in <=

11、Height1-MosicyPoint MosicDy =r owm in +Height1-MosicyPoint;elseMosicDy =Height;图2重叠示例/Mosix Dx 由Mosicx 2Point 和col m in 决定MosicDx =MosicxPoint +W idth -col m in;图2只是重叠的一种特殊情况,该程序能够求出各种情况拼接图像的高度和宽度。求出图像高度和宽度后,根921第35卷(2007第9期计算机与数字工程据具体情况求出各部分像素的值,重叠部分视具体情况取图A 或者图B 的像素值,也可以加权取值,起到图像融合的作用。5算法改进基于图像灰度的

12、图像拼接计算量大,实时性不高,为了增加系统的实时性,减少运行时间,其基本思路有二:一是提高计算机资源的利用率,二是减少计算量。5.1提高计算机资源的利用率提出了把多线程技术应用于图像拼接,并且已经在pc 平台下用visual c +6.0加以实现,在一定程度上提高计算机cpu 资源的利用率,降低系统运行时间。在模板匹配的过程中,模板在待匹配图像上一个像素一个像素的进行遍历匹配,可以认为各像素间的匹配是没有任何关系的,基于此,提出将待匹配图像分为上下两部分,创建两个线程,分别将上下两部分在不同的线程中进行遍历匹配,同时应该看到,两个线程不可避免具有临界资源,比如匹配点。应该创建互斥变量,保护临界

13、区。同样的,线程间不可避免的存在同步。两个辅助线程之间存在互斥,而两个辅助线程和主线程间存在同步,主线程必须等待辅助线程都完成后才能继续读取图像数据,最终输出拼接结果。当然,根据实际的具体要求,我们可以把待拼接图像分成更多的部分,相应的创建更多的线程,分别对不同的部分独立的完成遍历,减少系统运行时间。其代码如下:CreateThread (NULL,0,Fun1,(LP VO I D a,0,NULL ;CreateThread (NULL,0,Fun2,(LP VO I D a,0,NULL ;DWORD W I N AP I Fun1(LP VO I D l pPara meter 线程一

14、调用函数,进行上半部分的遍历DWORD W I N AP I Fun2(LP VO I D l pPara meter 线程二调用函数,进行下半部分的遍历最后综合两个线程的遍历结果,找出最佳匹配点。5.2减少计算量对2.1节所述的算法作一改进,通过对计算式的进一步化解,减少计算量。考虑到模板在图像上遍历匹配,对其公式进一步化解如下:D (i,j =Nm =1Nn =1Si,j(m ,n -T (m ,n 2=DS (i,j -DST (i,j +D T (i,j 其中:DS (i,j =Nm =1Nn =1Si,j(m ,n 2DST (i,j =2Nm =1Nn =1Si,j(m ,n 3T

15、 (m ,n D T (i,j =N m =1N n =1T (m ,n 2在模板遍历过程中,后一子图是前一子图右(上移一列(行对应的子图,因此,后一子图的前N -1列(行正好是前一子图的后N -1列(行。这样可以利用DS (i,j 计算DS (i +1,j 或者DS(i,j +1,计算式如下:DS (i +1,j =DS (i,j +Nm =1Si +1,j(m ,N -m =1Si,j(m ,1DS (i,j +1=DS (i,j +Nn =1S i ,j +1(N ,n -Nm =1S i,j(1,n 而DT (i,j 只需要计算一次即可,它在各点都是相等的。很明显,该算法比原先算法计算

16、DS (i,j 将近把计算量较少N -1倍,一定程度上降低了系统的运行时间,提高系统运行的实时性要求。拼接分为自动拼接和人工拼接,提出在人工拼接下,可以进一步减少拼接计算量,达到拼接时间和图像大小无关的要求,本文提出在人工拼接下,可以在拼接图像上人工选择一点,作为重叠区域模板的中心,根据精度要求以该点为中心选择一定大小的区域作为模板,相应的在待拼接图像中的重叠区域选取对应相似点,以该点为中心选取2倍模板大小的区域供其遍历匹配,当然该模板的对应区域肯定包含在其中了,使其匹配时间和图像大小无关,该方法是先进行人工粗匹配,后交机器进行精匹配,从而可以减少计算量,减少拼接时间。6实验用上述提出的改进算

17、法,我们对大量图像进行拼接实验,分别采用改进前和改进后的方法进行拼接。运行时间均有不同程度的改善,对3173384和2733384两幅重叠图像进行拼接实验,给出其实验结果,在实验中,我们采用了30组样本数据,在时间上稍微有所差异外,拼接成功率达100%。下面给出的是样本数据的平均拼接时间,见表1。为了增加对比度,上述实验是在没有对计算过程增加阀值的情况下实验而得,在改进算法中,有(下转第158页 31李云伟等:基于图像灰度的拼接技术研究第35卷由途径。如果有,则按照表中的路由途径转发;如果没有,则查找目标地址的路由途径。如果找到,则按照找到的途径转发,并且将找到的途径添加进路由表;如果没有,则

18、通知发送节点转发失败。6结束语传统有线控制方式存在着许多缺陷,主要是:线缆铺设不便;设备增减要对整个线路进行调整甚至重新铺设;长距离通信使得信号衰减严重等。有线控制网络在工业设备控制领域的局限性越来越突出。因此,将无线传感器网络应用到工业设备监控中来是近年来的一个研究热点。Zig Bee技术是专门针对工业设备监控等领域设计的新型无线网络协议。本文详细介绍Zig Bee 协议的组成和特点,比较了Zig Bee技术与GPRS/ CDMA1X技术运用于工业设备监控领域的差异。构建了一个网状Zig Bee网络,并分析了其硬件及软件的实现。参考文献1陈景运,周祥平.Zig Bee技术在工业控制领域的应用

19、J.无线电工程,2006,62陈俊祺,杨华.GPRS网络在工业监控中的设计与应用J.山西电力,2006,43朱向庆,王建明.Zig Bee协议网络层的研究与实现J.电子技术应用,2006,14杜丽敏,郭文成.Zig Bee技术在远程抄表系统中的应用J.单片机与嵌入式系统应用,2006,75Zig Bee A lliance.Zig Bee alliance finalizes s pecificati onE B/OL.htt p:/,20046M icr ochi p Stack f or the Zig Bee Pr ot ocol.htt p:/www.m i

20、2cr ochi (上接第130页些地方增加了些判断和一些附加运算。其拼接效果如图3所示。图3拼接效果7结束语综述了基于图像灰度的几种拼接算法,并在visual c+6.0上实现算法,在此基础上进行改进,拼接耗时更少,拼接成功率高。本文提出的改进方法也给其他图形研究工作者提供参考和借鉴。在接下去的工作中,对各种改进方法进行综合,使拼接速度更快,进一步减少计算量。表1实验结果(单位: 秒算法改进前多线程算式改进人工拼接差和法5.2034.9124.6831.900序贯相似度检测4.8523.672.1.900互相关检测5.1354.963.1.900参考文献1米长伟,刘晓利,徐明友.基于SS D

21、A的改进算法J.弹箭与制导学报2董安国.图像匹配最大互相关快速算法J.浙江万里学院学报,2005.83冈萨雷斯.数字图像处理M.北京:电子工业出版社,20034熊国清,于起峰.用于实时跟踪的快速匹配算法J.计算机辅助设计与图形学学报,2002,1,41435钟力,胡晓峰.重叠图像拼接算法J.中国图像图形学报,1998,5:3673706李志刚.边界重叠图像的一种快速拼接算法J.计算机工程,2000,26,5:37387Barnea D I,Silver man HF.A class of algorith m s f or fastdigital i m age registrati on.I

22、 EEE Trans.on Computers,1972,2:179186851伍琛戈等:基于Zig Bee的工业设备监控系统第35卷Com p u te r and Eng i ne e ri ng I n stitu te I nde x (Vo l .35No.9by e xp e ri m en ts re su lts tha t the p r opo se d a l go rithm can de te c t any change m ade to an i m age ,i nc l ud i ng the change i n p i xe l va l ue s and

23、 i m age s i ze ,and can de te c t the “co ll age -a ttack ”and the “sub stitu ti o n -a ttack ”ba se d o n Ha sh co llisi o n.The a l go rithm is si m p l e ,effe c 2ti ve ,u tili zab l e ,and m o re se cu re.Key words do ub l e frag il e w a te r m a rki ng,Huff m an e nco 2d i ng,co ll age -a tta

24、ck,Ha sh co llisi o n(Page:125A Research of I mage Stitch i n g Ba sed on I mage Gray Va l 2ueby L i L ij unAbstract I m age stitch i ng is o ne te chno l o gy tha t p r o 2duce s a l a rge ,se am l e s s and h i gh -re so l u ti o n i m age fr om a se t o f i m age s .First,the p ap e r i n tr o du

25、ce s the fl o w 2cha rt o f i m age s ti ch i ng,then som e a l go rithm s ba se d o n i m age g ray va l ue a re g i ve d.w ha t s m o re ,the p ap e r ha s app li ed m u lti -th re ad techno l o gy to the i m age stitch i ng,and it i m p r o ve s the ca l cu l a ti ng ve l o c ity .Key words i m a

26、ge s titch i ng,i m age g ray va l ue ,m u l 2tith read i m age m a tch i ng (Page:128Study on I m ge D e m isi n g Ba sed on the W avelet Tran sfor mby W ang D engw eiAbstract Co n si de re d the trad iti o na l de no is i ng m e tho d is ha rd to ge t goo d e ffec t bo th i n the ti m e dom a i n

27、and fre 2que ncy dom a i n,th is p ap e r g i ve s a de no is i ng m e tho d ba se d o n the w ave l e t tran sfo r m.Th is m e tho d by i m po s 2i ng the t w o d i m en si o n s d isc re te w ave l e t tran sfo r m o n the i m age ,i n the w ave l e t dom a i n,by se l e c ti ng app r op ri 2a te

28、th re sho l d va l ue ,w e can dea lw ith the w ave l e t co e ffi 2c i e n t .the M a tl ab s i m u l a ti o n e xp e ri m en t show s the e ffe c t is ve ry goo d.Key words i m age ,w ave l e t tran sfo r m ,deno ise ,th re sh 2o l d p r o ce s s(Page:131D i g it a l I mage Scram bli n g Technolog

29、y Ba sed on Three D i 2m en si on S i m il ar F i bonacc i Tran sfor ma ti on and Its Per i o 2d i c ityby Zou W eigangAbstract A s the re sea rch backg r o und o f i m age i nfo r m a 2ti o n secu ri ng ,the p r op e rti e s and p e ri o d i c ity o f the th re e d i m en si o n s i m il a r Fi bo

30、nacc i tran sfo r m a ti o n o f d i g ita l i m a 2ge s is d iscu sse d .Exp e ri m en ta l re su lts show the func 2ti o n o f the th re e d i m e n s i o n s i m il a r Fi bo nacc i tran sfo r m a 2ti o n i n d i g ita l i m age sc ram b li ng,a theo rem is g i ve n to e s 2ti m a te the upp e r

31、bo und o f the p e ri o d.Key words i nfo r m a ti o n secu ri ng ,d i g ita l i m age sc ram b 2li ng ,si m il a r Fi bo nacc i tran sfo r m a ti o n ,p e ri o d i c ity ,m a tri x (Page:133Appli ca ti on of I n tellecti ve L ogg i n g Syste m Ba se on the Secondary AUT OCAD D evelop m en tby Yang

32、J ianboAbstract Th is p ap e r i n tr o duce s the m e tho d o f o u tp u t da ta i n te r p re ta ti o n o f the l o g sys tem ,acco rd i ng to the Ac ti veX techno l o gy th r o ugh the VC p r o g ram i n te rfaceso ft w a re ,the typ e sto re ho u se w h i ch o ffe red by AU T O 2CAD to o u tp u

33、t o f the l o g i nfo r m a ti o n e xp l a i ned ca rri e s o n seco nda ry de ve l o pm e n t,change s o ve r the l o gg i ng i n te r 2p re ta ti o n re su lt to AU T O CAD ,o n the o ne hand u si ng the fo r m i dab l e g rap h p r o ce s si ng func ti o n o f AU T O CAD re a li 2ze s m anagem e

34、n t que s ti o n -the l o gg i ng i n te r p re ta ti o ne d iti o n,p ri n ti ng,p re se rva ti o n,tran sm iss i o n,e tc;O n the o the r hand u s i ng the app li ca ti o n is p r o g ram m e d by VC co nve n i e n tl y regu l a te s cu rve co l o r,li ne typ e ,the p a 2p e r,the s tyl e ,e tc.Th

35、e t w o sup e ri o rity un i o n,qu i ckl y ha s so l ved the p re se n t situa ti o n w h i ch l o gg i ng g rap h i c do cum en t canno t sa tisfy the syn the ti c s tudy and the h i gh fre quency u se.Key words l o g,se co nda ry de ve l o pm e n t,VC,AU T O 2CAD ,Ac ti veX(Page:136D esi gn of A

36、H i gh -Eff i c i ency P WM DC /DC Converterby Xu J ingpingAbstract I n th is p ap e r,a h i gh -e ffi c i ency P WM DC /DC Co nve rte r is p r opo se d by u s i ng synch r o no u s re c ti fi ca ti o n te chno l o gy and au tom a ti c bu rs t m o de op e ra ti o n a t li gh t l o ad s.Th is co nve

37、rte r ha s succe ssfu ll y be en u sed fo r a 3.3V s tep -up sw itch i ng regu l a to r sys tem ,and h i gh e ffi 2c i e ncy a t bo th li gh t and heavy l o ad s is co nfir m e d th r o ugh HSP I C E s i m u l a ti o n,w ith the h i ghe st effi c i e ncy o f 92.78%.Key words P WM co n tr o l,synch r o no u s re c ti fi ca ti o n,bu rs t m o de ,de ad -ti m e (Page:139D esi gn and I m ple m en t of Xuzhou