图象的检测及模板匹配

1、第8章 图象的检测及模板匹配图象的分割与检测(识别)实际上是一项非常困难的工作。很难说清楚为什么图象应该分割成这样而不是那样。人类的视觉系统是非常优越的，它不仅包含了双眼，还包括了大脑，可以从很复杂的景物中分开并识别每个物体，甚至可以毫不费力地跟上每秒好几十帧变化的图象。举两个例子来说明一下人类视觉系统的优越性。图8.1    单词THE图8.2    看不见的三角图8.1是单词THE，这一点很容易看出来，但仔细观察一下，就会发现，图中少了很多线条。在我们人类看来很简单的一件事，让计算机来做就很困难了。图8.2中尽管没有任何线条，但我

2、们还是可以很容易的看出中间存在着一个白色三角形。计算机却很难发现。由于人类在观察图象时适用了大量的知识，所以没有任何一台计算机在分割和检测真实图象时，能达到人类视觉系统的水平。正因为如此，对于大部分图象应用来说，自动分割与检测还是一个将来时。目前只有少数的几个领域(如印刷体识别OCR)自动识别达到了实用的水平。也许算是题外话，我们可以憧憬这样一种应用：基于内容的搜索。在一场足球比赛的录象中，用户可以输入命令，由计算机自动搜索出所有射门的镜头并显示在屏幕上。目前，我们能从一幅图象中获得的信息只是每个象素的颜色或灰度值，除此以外别无其它，完成上述功能实在是太困难了。所以说解决图象分割和检测最根本的

3、方法是在编码(成象)时就给予考虑。这也正是MPEG4及未来的视频压缩编码标准的主要工作。正因为有上述的困难，所以我们今天要介绍的只是一些最基本，最简单的算法和思想，针对也只能是一些具体(而不是通用)的应用。算法共有三个：投影法、差影法和模板匹配。8.1 投影法在介绍投影法之前，我先出一道题目，下面的这幅照片是著名的华盛顿纪念碑(我记得在“阿甘正传”中曾经看到过它)，怎样从图中自动检测到水平方向上纪念碑的位置。仔细观察，不难发现，纪念碑上象素的灰度都差不多而且与众不同，如果我们选取合适的阈值，做削波处理(这里选175到220)，将该图二值化，如图8.3所示：图8.3  

4、60; 华盛顿纪念碑图8.4    削波处理，将图8.3二值化由于纪念碑所在的那几列的白色点比起其他列多很多，如果把该图在垂直方向做投影，如图8.5所示。图8.5     图8.4做垂直方向投影其中，黑色线条的高度代表了该列上白色点的个数。图中间的高峰部分就是我们要找的水平方向上纪念碑所在的位置，这就是投影法。可以看出投影法是一种很自然的想法，有点象灰度直方图。为了得到更好的效果，投影法经常和阈值化一起使用。由于噪声点对投影有一定的影响，所以处理前最好先做一次平滑，去除噪声。以下是投影法的源程序，第二个参数是个BOOL变量，

5、为真时表示在水平方向上做投影，否则在垂直方向上做投影。要注意的是，我们针对的虽然是二值图，但为了处理的方便，用的是256级灰度图，不过只用到了0和255两种灰度级。BOOL Projection(HWND hWnd,BOOL Hori)       DWORD               OffBits,BufSize;LPBITMAPINFOHEADER    lpImgDa

6、ta;       LPSTR                               lpPtr;       HLOCAL      

7、0;                hTempImgData;       LPBITMAPINFOHEADER    lpTempImgData;       LPSTR             &

8、#160;               lpTempPtr;       HDC                              

9、           hDc;       HFILE                              hf;    &

10、#160;  LONG                     x,y;       int                    

11、0;                      num;/用的是256级灰度图，不过只用到了0和255两种灰度级。       if( NumColors!=256)           MessageBox(hWnd,"Must be a mono bitm

12、ap with grayscale palette!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);return FALSE;/到位图数据的偏移值       OffBits=bf.bfOffBits-sizeof(BITMAPFILEHEADER);       /缓冲区大小       BufSize=OffBits+bi.biHeight*L

13、ineBytes;/为新图缓冲区分配内存       if(hTempImgData=LocalAlloc(LHND,BufSize)=NULL)            MessageBox(hWnd,"Error alloc memory!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);      

14、;   return FALSE;           lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);           lpTempImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)LocalLock(hTempImgData);       /新图缓冲区初始化为255memset(lpTempImgD

15、ata,(BYTE)255,BufSize);/拷贝头信息       memcpy(lpTempImgData,lpImgData,OffBits);       if(Hori)       /水平投影              for(y=0;y<bi.biHeight;y+)

16、                     lpPtr=(char *)lpImgData+(BufSize-LineBytes-y*LineBytes);                     nu

17、m=0; /计数器初始化为0                     for(x=0;x<bi.biWidth;x+)                       

18、     if(*(lpPtr+)!=0) /是白点                                   num+; /计数器加1      &

19、#160;              lpTempPtr=(char *)lpTempImgData+(BufSize-LineBytes-y*LineBytes);                     for(x=0;x<num;x+)  

20、;                          *(lpTempPtr+)=0; /在新图中，该行中共有num个黑点                    

21、;        else /垂直投影              for(x=0;x<bi.biWidth;x+)                     num=0; /计数器初始化为0 &#

22、160;                   lpPtr=(char *)lpImgData+(BufSize-LineBytes)+x;                     for(y=0;y<bi.biHe

23、ight;y+)                            if(*lpPtr!=0)                   &#

24、160;               num+; /计数器加1                            lpPtr-=LineBytes;   &

25、#160;                                      lpTempPtr=(char *)lpTempImgData+OffBits+x;      

26、;               for(y=0;y<num;y+)                            *lpTempPtr=0; /在新图中，该列中共有num个黑点

27、                            lpTempPtr+=LineBytes;                   &#

28、160;                      if(hBitmap!=NULL)           DeleteObject(hBitmap);       hDc=GetDC(hWnd);      

29、      /创立一个新的位图       hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpTempImgData,(LONG)CBM_INIT,(LPSTR)lpTempImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+              NumColors*sizeof(RGBQU

30、AD),                                  (LPBITMAPINFO)lpTempImgData,DIB_RGB_COLORS);       /起不同的结果文件名  

31、0;    if(Hori)              hf=_lcreat("c:hproject.bmp",0);       else              hf=_lcreat("c:vproject.bmp

32、",0);       _lwrite(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER);        _lwrite(hf,(LPSTR)lpTempImgData,BufSize);       _lclose(hf);       /释放内存和资源     

33、; ReleaseDC(hWnd,hDc);       LocalUnlock(hTempImgData);       LocalFree(hTempImgData);       GlobalUnlock(hImgData);       return TRUE;8.2 差影法差影法的原理非常简单：将前后两幅图象相减，得到的差作为结果结果图象。图8.6

34、、图8.7、图8.8能够说明差影法的原理。图8.6     前景+背景图8.7     背景图8.8 图8.6、图8.7相减的结果图8.6是前景图(猫)加背景图(木星)。图8.7是背景图。图8.6减图8.7的结果如图8.8所示，这样就得到了前景(不完全是前景，因为背景的灰度值并不为零，但至少可以得到前景的形状)。差影法是非常有用的，比如说可以用在监控系统中。在银行金库内，摄像头每隔一小段时间，拍摄一幅图，与上一幅图做差影；如果差别超过了预先设置的阈值，说明有人，这时就应该拉响警报。我们在介绍灰度窗口变换时，曾经提到

35、了电影“阿甘正传”特技中应用了“蓝幕”技术，其实也包含了差影法的原理。以下是差影法的源程序。要注意的是，第一幅图的文件名为c:test.bmp，第二幅图的文件名是c:backgnd.bmp。它们有着相同的灰度值和调色板。执行时，这两个文件都已经准备好。我们针对的虽然是二值图，但为了处理的方便，用的是256级灰度图，不过只用到了0和255两种灰度级。BOOL Subtraction(HWND hWnd)       DWORD          &

36、#160;              OffBits,BufSize;LPBITMAPINFOHEADER    lpImgData;       LPSTR                      

37、;      lpPtr;       HGLOBAL                  hSecond;       LPBITMAPINFOHEADER    lpSecondImgData;   

38、0;   LPSTR                            lpSecondPtr;       HLOCAL            

39、              hTempImgData;       LPBITMAPINFOHEADER    lpTempImgData;       LPSTR               

40、60;            lpTempPtr;       HDC                              hDc;  

41、0;    HFILE                     hf;       LONG                    

42、;        x,y;       int                           num,pos;/用的是256级灰度图，不过只用到了0和255两种灰度级。    

43、0;  if( NumColors!=256)MessageBox(hWnd,"Must be a mono bitmap with grayscale palette!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);return FALSE;     if(hf=_lopen("c:backgnd.bmp",OF_READ)=HFILE_ERROR) /背景图没找到        &#

44、160; MessageBox(hWnd,"File c:backgnd.bmp not found!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);return FALSE;/到位图数据的偏移值       OffBits=bf.bfOffBits-sizeof(BITMAPFILEHEADER);       /缓冲区大小      

45、 BufSize=OffBits+bi.biHeight*LineBytes;       /为背景图的数据分配内存       if(hSecond=GlobalAlloc(GHND,BufSize)=NULL)            MessageBox(hWnd,"Error alloc memory!","Error Message",MB

46、_OK|MB_ICONEXCLAMATION);              _lclose(hf);         return FALSE;/指向该内存指针lpSecondImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hSecond);/文件指针指到BITMAPINFOHEADER结构开始的地方     

47、0; _llseek(hf,sizeof(BITMAPFILEHEADER),FILE_BEGIN);       /读入头信息和位图数据       _lread(hf,(LPSTR)lpSecondImgData,BufSize);       _lclose(hf);       /为结果图缓冲区分配内存    

48、   if(hTempImgData=LocalAlloc(LHND,BufSize)=NULL)       MessageBox(hWnd,"Error alloc memory!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);              GlobalUnlock(hSecond);

49、60;             GlobalFree(hSecond);return FALSE;     lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);           lpTempImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)LocalLock(hTempImgData); 

50、      /新图缓冲区初始化为255memset(lpTempImgData,(BYTE)255,BufSize);/拷贝头信息       memcpy(lpTempImgData,lpImgData,OffBits);       for(y=0;y<bi.biHeight;y+)           &#

51、160;  pos=(BufSize-LineBytes-y*LineBytes);              /lpPtr指向第一幅图，lpSecondPtr指向第二幅图，lpTempPtr指向结果图              lpPtr=(char *)lpImgData+pos;   

52、0;          lpSecondPtr=(char *)lpSecondImgData+pos;              lpTempPtr=(char *)lpTempImgData+pos;              for(x=0;x

53、<bi.biWidth;x+)                     num=(unsigned char)*(lpPtr+);                     num-=(unsig

54、ned char)*(lpSecondPtr+);                     *(lpTempPtr+)=(unsigned char)fabs(num); /两者相减取绝对值，存入新图中                          if(hBitmap!=NULL)           DeleteObject(hBitmap);       hDc=GetDC(hWnd);       /创立一个新的位图       hBit