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   關(guān)鍵詞：模板匹配 粗匹配 精匹配 亂序匹配 Visual C++

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*,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zui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：

（3）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)。*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z(mì)ui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：

公式（5）

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zui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*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zui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zui小的位置就是目標(biāo)位置,需要考慮相似程度。

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zui小、效率zui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。

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