第8章图象的检测及模板匹配

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，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。BOOLProjection(HWNDhWnd,BOOLHori){DWORDOffBits,BufSize;LPBITMAPINFOHEADERlpImgData;LPSTRlpPtr;HLOCALhTempImgData;LPBITMAPINFOHEADERlpTempImgData;LPSTRlpTempPtr;HDChDc;HFILEhf;LONGx,y;intnum;//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,Mustbeamonobitmapwithgrayscalepalette!,ErrorMessage,MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);returnFALSE;}//到位图数据的偏移值OffBits=bf.bfOffBits-sizeof(BITMAPFILEHEADER);//缓冲区大小BufSize=OffBits+bi.biHeight*LineBytes;//为新图缓冲区分配内存if((hTempImgData=LocalAlloc(LHND,BufSize))==NULL){MessageBox(hWnd,Errorallocmemory!,ErrorMessage,MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);returnFALSE;}lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);lpTempImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)LocalLock(hTempImgData);//新图缓冲区初始化为255memset(lpTempImgData,(BYTE)255,BufSize);//拷贝头信息memcpy(lpTempImgData,lpImgData,OffBits);if(Hori){//水平投影for(y=0;ybi.biHeight;y++){lpPtr=(char*)lpImgData+(BufSize-LineBytes-y*LineBytes);num=0;//计数器初始化为0for(x=0;xbi.biWidth;x++)if(*(lpPtr++)!=0)//是白点num++;//计数器加1lpTempPtr=(char*)lpTempImgData+(BufSize-LineBytes-y*LineBytes);for(x=0;xnum;x++)*(lpTempPtr++)=0;//在新图中，该行中共有num个黑点}}else{//垂直投影for(x=0;xbi.biWidth;x++){num=0;//计数器初始化为0lpPtr=(char*)lpImgData+(BufSize-LineBytes)+x;for(y=0;ybi.biHeight;y++){if(*lpPtr!=0)num++;//计数器加1lpPtr-=LineBytes;}lpTempPtr=(char*)lpTempImgData+OffBits+x;for(y=0;ynum;y++){*lpTempPtr=0;//在新图中，该列中共有num个黑点lpTempPtr+=LineBytes;}}}if(hBitmap!=NULL)DeleteObject(hBitmap);hDc=GetDC(hWnd);//创立一个新的位图hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpTempImgData,(LONG)CBM_INIT,(LPSTR)lpTempImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),(LPBITMAPINFO)lpTempImgData,DIB_RGB_COLORS);//起不同的结果文件名if(Hori)hf=_lcreat(c:\\hproject.bmp,0);elsehf=_lcreat(c:\\vproject.bmp,0);_lwrite(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER));_lwrite(hf,(LPSTR)lpTempImgData,BufSize);_lclose(hf);//释放内存和资源ReleaseDC(hWnd,hDc);LocalUnlock(hTempImgData);LocalFree(hTempImgData);GlobalUnlock(hImgData);returnTRUE;}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、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。BOOLSubtraction(HWNDhWnd){DWORDOffBits,BufSize;LPBITMAPINFOHEADERlpImgData;LPSTRlpPtr;HGLOBALhSecond;LPBITMAPINFOHEADERlpSecondImgData;LPSTRlpSecondPtr;HLOCALhTempImgData;LPBITMAPINFOHEADERlpTempImgData;LPSTRlpTempPtr;HDChDc;HFILEhf;LONGx,y;intnum,pos;//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,Mustbeamonobitmapwithgrayscalepalette!,ErrorMessage,MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);returnFALSE;}if((hf=_lopen(c:\\backgnd.bmp,OF_READ))==HFILE_ERROR){//背景图没找到MessageBox(hWnd,Filec:\\backgnd.bmpnotfound!,ErrorMessage,MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);returnFALSE;}//到位图数据的偏移值OffBits=bf.bfOffBits-sizeof(BITMAPFILEHEADER);//缓冲区大小BufSize=OffBits+bi.biHeight*LineBytes;//为背景图的数据分配内存if((hSecond=GlobalAlloc(GHND,BufSize))==NULL){MessageBox(hWnd,Errorallocmemory!,ErrorMessage,MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);_lclose(hf);returnFALSE;}//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_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if((hTempImgData=LocalAlloc(LHND,BufSize))==NULL){MessageBox(hWnd,Errorallocmemory!,ErrorMessage,MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);GlobalUnlock(hSecond);GlobalFree(hSecond);returnFALSE;}lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);lpTempImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)LocalLock(hTempImgData);//新图缓冲区初始化为255memset(lpTempImgData,(BYTE)255,BufSize);//拷贝头信息memcpy(lpTempImg