圖象的檢測(cè)及模板匹配

1、第8章 圖象的檢測(cè)及模板匹配圖象的分割與檢測(cè)(識(shí)別)實(shí)際上是一項(xiàng)非常困難的工作。很難說(shuō)清楚為什么圖象應(yīng)該分割成這樣而不是那樣。人類的視覺系統(tǒng)是非常優(yōu)越的，它不僅包含了雙眼，還包括了大腦，可以從很復(fù)雜的景物中分開并識(shí)別每個(gè)物體，甚至可以毫不費(fèi)力地跟上每秒好幾十幀變化的圖象。舉兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下人類視覺系統(tǒng)的優(yōu)越性。圖8.1    單詞THE圖8.2    看不見的三角圖8.1是單詞THE，這一點(diǎn)很容易看出來(lái)，但仔細(xì)觀察一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，圖中少了很多線條。在我們?nèi)祟惪磥?lái)很簡(jiǎn)單的一件事，讓計(jì)算機(jī)來(lái)做就很困難了。圖8.2中盡管沒有任何線條，但我

2、們還是可以很容易的看出中間存在著一個(gè)白色三角形。計(jì)算機(jī)卻很難發(fā)現(xiàn)。由于人類在觀察圖象時(shí)適用了大量的知識(shí)，所以沒有任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)在分割和檢測(cè)真實(shí)圖象時(shí)，能達(dá)到人類視覺系統(tǒng)的水平。正因?yàn)槿绱?，?duì)于大部分圖象應(yīng)用來(lái)說(shuō)，自動(dòng)分割與檢測(cè)還是一個(gè)將來(lái)時(shí)。目前只有少數(shù)的幾個(gè)領(lǐng)域(如印刷體識(shí)別OCR)自動(dòng)識(shí)別達(dá)到了實(shí)用的水平。也許算是題外話，我們可以憧憬這樣一種應(yīng)用：基于內(nèi)容的搜索。在一場(chǎng)足球比賽的錄象中，用戶可以輸入命令，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索出所有射門的鏡頭并顯示在屏幕上。目前，我們能從一幅圖象中獲得的信息只是每個(gè)象素的顏色或灰度值，除此以外別無(wú)其它，完成上述功能實(shí)在是太困難了。所以說(shuō)解決圖象分割和檢測(cè)最根本的

3、方法是在編碼(成象)時(shí)就給予考慮。這也正是MPEG4及未來(lái)的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的主要工作。正因?yàn)橛猩鲜龅睦щy，所以我們今天要介紹的只是一些最基本，最簡(jiǎn)單的算法和思想，針對(duì)也只能是一些具體(而不是通用)的應(yīng)用。算法共有三個(gè)：投影法、差影法和模板匹配。8.1 投影法在介紹投影法之前，我先出一道題目，下面的這幅照片是著名的華盛頓紀(jì)念碑(我記得在“阿甘正傳”中曾經(jīng)看到過(guò)它)，怎樣從圖中自動(dòng)檢測(cè)到水平方向上紀(jì)念碑的位置。仔細(xì)觀察，不難發(fā)現(xiàn)，紀(jì)念碑上象素的灰度都差不多而且與眾不同，如果我們選取合適的閾值，做削波處理(這里選175到220)，將該圖二值化，如圖8.3所示：圖8.3  

4、60; 華盛頓紀(jì)念碑圖8.4    削波處理，將圖8.3二值化由于紀(jì)念碑所在的那幾列的白色點(diǎn)比起其他列多很多，如果把該圖在垂直方向做投影，如圖8.5所示。圖8.5     圖8.4做垂直方向投影其中，黑色線條的高度代表了該列上白色點(diǎn)的個(gè)數(shù)。圖中間的高峰部分就是我們要找的水平方向上紀(jì)念碑所在的位置，這就是投影法?？梢钥闯鐾队胺ㄊ且环N很自然的想法，有點(diǎn)象灰度直方圖。為了得到更好的效果，投影法經(jīng)常和閾值化一起使用。由于噪聲點(diǎn)對(duì)投影有一定的影響，所以處理前最好先做一次平滑，去除噪聲。以下是投影法的源程序，第二個(gè)參數(shù)是個(gè)BOOL變量，

5、為真時(shí)表示在水平方向上做投影，否則在垂直方向上做投影。要注意的是，我們針對(duì)的雖然是二值圖，但為了處理的方便，用的是256級(jí)灰度圖，不過(guò)只用到了0和255兩種灰度級(jí)。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級(jí)灰度圖，不過(guò)只用到了0和255兩種灰度級(jí)。       if( NumColors!=256)           MessageBox(hWnd,"Must be a mono bitm

12、ap with grayscale palette!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);return FALSE;/到位圖數(shù)據(jù)的偏移值       OffBits=bf.bfOffBits-sizeof(BITMAPFILEHEADER);       /緩沖區(qū)大小       BufSize=OffBits+bi.biHeight*L

13、ineBytes;/為新圖緩沖區(qū)分配內(nèi)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);       /新圖緩沖區(qū)初始化為255memset(lpTempImgD

15、ata,(BYTE)255,BufSize);/拷貝頭信息       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; /計(jì)數(shù)器初始化為0                     for(x=0;x<bi.biWidth;x+)                       

18、     if(*(lpPtr+)!=0) /是白點(diǎn)                                   num+; /計(jì)數(shù)器加1      &

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

20、;                          *(lpTempPtr+)=0; /在新圖中，該行中共有num個(gè)黑點(diǎn)                    

21、;        else /垂直投影              for(x=0;x<bi.biWidth;x+)                     num=0; /計(jì)數(shù)器初始化為0 &#

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

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

24、160;               num+; /計(jì)數(shù)器加1                            lpPtr-=LineBytes;   &

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

26、;               for(y=0;y<num;y+)                            *lpTempPtr=0; /在新圖中，該列中共有num個(gè)黑點(diǎn)

27、                            lpTempPtr+=LineBytes;                   &#

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

29、      /創(chuàng)立一個(gè)新的位圖       hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpTempImgData,(LONG)CBM_INIT,(LPSTR)lpTempImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+              NumColors*sizeof(RGBQU

30、AD),                                  (LPBITMAPINFO)lpTempImgData,DIB_RGB_COLORS);       /起不同的結(jié)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);       /釋放內(nèi)存和資源     

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簡(jiǎn)單：將前后兩幅圖象相減，得到的差作為結(jié)果結(jié)果圖象。圖8.6

34、、圖8.7、圖8.8能夠說(shuō)明差影法的原理。圖8.6     前景+背景圖8.7     背景圖8.8 圖8.6、圖8.7相減的結(jié)果圖8.6是前景圖(貓)加背景圖(木星)。圖8.7是背景圖。圖8.6減圖8.7的結(jié)果如圖8.8所示，這樣就得到了前景(不完全是前景，因?yàn)楸尘暗幕叶戎挡⒉粸榱?，但至少可以得到前景的形?。差影法是非常有用的，比如說(shuō)可以用在監(jiān)控系統(tǒng)中。在銀行金庫(kù)內(nèi)，攝像頭每隔一小段時(shí)間，拍攝一幅圖，與上一幅圖做差影；如果差別超過(guò)了預(yù)先設(shè)置的閾值，說(shuō)明有人，這時(shí)就應(yīng)該拉響警報(bào)。我們?cè)诮榻B灰度窗口變換時(shí)，曾經(jīng)提到

35、了電影“阿甘正傳”特技中應(yīng)用了“藍(lán)幕”技術(shù)，其實(shí)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，第一幅圖的文件名為c:test.bmp，第二幅圖的文件名是c:backgnd.bmp。它們有著相同的灰度值和調(diào)色板。執(zhí)行時(shí)，這兩個(gè)文件都已經(jīng)準(zhǔn)備好。我們針對(duì)的雖然是二值圖，但為了處理的方便，用的是256級(jí)灰度圖，不過(guò)只用到了0和255兩種灰度級(jí)。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級(jí)灰度圖，不過(guò)只用到了0和255兩種灰度級(jí)。    

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) /背景圖沒找到        &#

44、160; MessageBox(hWnd,"File c:backgnd.bmp not found!","Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);return FALSE;/到位圖數(shù)據(jù)的偏移值       OffBits=bf.bfOffBits-sizeof(BITMAPFILEHEADER);       /緩沖區(qū)大小      

45、 BufSize=OffBits+bi.biHeight*LineBytes;       /為背景圖的數(shù)據(jù)分配內(nèi)存       if(hSecond=GlobalAlloc(GHND,BufSize)=NULL)            MessageBox(hWnd,"Error alloc memory!","Error Message",MB

46、_OK|MB_ICONEXCLAMATION);              _lclose(hf);         return FALSE;/指向該內(nèi)存指針lpSecondImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hSecond);/文件指針指到BITMAPINFOHEADER結(jié)構(gòu)開始的地方     

47、0; _llseek(hf,sizeof(BITMAPFILEHEADER),FILE_BEGIN);       /讀入頭信息和位圖數(shù)據(jù)       _lread(hf,(LPSTR)lpSecondImgData,BufSize);       _lclose(hf);       /為結(jié)果圖緩沖區(qū)分配內(nèi)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、      /新圖緩沖區(qū)初始化為255memset(lpTempImgData,(BYTE)255,BufSize);/拷貝頭信息       memcpy(lpTempImgData,lpImgData,OffBits);       for(y=0;y<bi.biHeight;y+)           &#

51、160;  pos=(BufSize-LineBytes-y*LineBytes);              /lpPtr指向第一幅圖，lpSecondPtr指向第二幅圖，lpTempPtr指向結(jié)果圖              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); /兩者相減取絕對(duì)值，存入新圖中                          if(hBitmap!=NULL)           DeleteObject(hBitmap);       hDc=GetDC(hWnd);       /創(chuàng)立一個(gè)新的位圖       hBit