基于Matlab的碎纸片的自动拼接复原技术

碎纸片的自动拼接复原技术学生姓名：班级：指导老师：摘要：破碎文件的拼接在司法物证复原、历史文献修复以及军事情报获取等领域都有着重要的应用。目前发现对碎纸片的拼接大部分由人工完成，准确率较高，但耗费大量人力财力及时间，效率很低。随着计算机技术的发展，人们试图开发碎纸片的自动拼接技术，以提高拼接复原效率。现先对仅纵切的碎纸片进行研究，开发出利用计算机，更便捷快速拼接碎纸片的方法。本文首先对碎纸片的自动拼接复原问题建立相应的数学模型，利用图像的色彩特征建立图像灰度值矩阵，根据拼接特性找到其中可以拼接碎纸片的相关性，然后在matlab软件环境下进行编程、编译及调试，得到各碎纸片的正确拼接顺序后，对仅纵切的碎纸片进行拼接复原。主要工作有以下几个方面：（1）用imread（）函数读取各碎纸片的基本信息，建立灰度值矩阵（2）提取出每张图片第一列和最后一列的灰度值分别构成新矩阵（3）人工介入找出第一张待接图片（4）根据第一张待接图片的参考信息建立循环，得到碎纸片的拼接顺序（5）用imshow()函数显示新顺序的拼接结果，用以检查正确性关键词：碎纸片拼接复原matlab软件灰度值指导老师签名：AutomaticsplicingbitsofpaperrecoverytechnologyStudentName:Class:Instructor:Abstract：Splicingbrokenfileevidenceinjudicialrecovery,restorationofhistoricaldocumentsandaccesstomilitaryintelligenceandotherareashaveimportantapplications.Currentlyfoundonmostofthecompletionofsplicingbitsofpaperbyhand,theaccuracyrateishigher,butspendalotofhumanandfinancialresourcesandtimeinefficient.Withthedevelopmentofcomputertechnology,peopletryingtodevelopautomaticsplicingtechnologyscrapsofpaper,inordertoimprovetherecoveryefficiencyofsplicing.Herewithonscrapsofpaperonlylongitudinalstudy,Developedtheuseofcomputers,andmoreconvenientwaytoquicklystitchingscrapsofpaper.Inthispaper,thefirst,accordingtotheautomaticstitchingscrapsofpaperrecoveryissuetocorrespondingmathematicalmodel,usingtheimageoftheColorcharacteristicstoestablishtheimageofgrayvaluematrix,Accordingtothecharacteristics,whichcanbefoundthecorrelationoftheshreddingpieces.Thenprogramming,compiling,anddebuggingsoftwareenvironmentinmatlab,afterthecorrectorderofthetornpiecesofmosaic,scrapsofpaperontheonlylongitudinalsplicingrecovery.(1)Withimread()functionreadsthebasicinformationforeachscrapofpaper,theestablishmentofgrayvaluematrix(2)readthefirstimageofeachrowandthelastcolumnofthegrayvalueofeachcomponentmatrix(3)humaninterventionwaitingtofindoutthefirstpictures(4)Thefirstpicturetobeconnectedtocreateacircularreferenceinformationbasedshreddingordertogetsplicedfilm(5)Withimshow()functiontodisplaytheresultsofaneworderofstitchingtocheckthecorrectnessKeywords:scrapsofpaperStitchingrecoverymatlabGrayvalueSignatureOfSupervisor:1目录第一章绪论1.1碎纸拼接技术及项目背景·························（2）1.2国内外研究现状·································（3）1.3论文主要内容···································（3）第二章MATLAB概述2.1MATLAB产生的历史背景························（4）2.2MATLAB的特点································（5）2.3MATLAB在图像处理中的应用····················（7）第三章数字图像处理3.1数字图像处理技术简介···························（9）3.1.1数字图像处理的特点·····························（9）3.1.2数字图像处理技术的研究内容·····················（10）3.1.3数字图像处理技术的应用·························（12）3.2图像处理工具简介·······························（12）3.3MATLAB中的图像类型及类型变换················（13）3.3.1图像和图像数据·································（13）3.3.2图像处理工具箱所支持的图像类型·················（13）第四章碎纸片拼接4.1拼接思路·······································（17）4.2拼接结果·······································（18）第五章总结与展望5.1全文总结·······································（20）5.2工作展望·······································（20）参考文献··············································（21）致谢···················································（21）附录···················································（22）2第一章绪论1.1碎纸拼接技术及项目背景为从民主德国时期安全部门的档案碎片中寻找秘密，德国政府自1991年起开始着手还原这些档案。一直到2007年，负责整理这些档案碎片的部门一直采取手工还原的方式，工作人员将碎片铺在大桌子上，通过人名和签名等痕迹将它们拼凑起来。历经17年，25名工作人员已将350袋碎片拼好，但等待它们的还有106万袋，按这个速度，他们要花几个世纪才能完成任务。德国政府决定花费835万美元，准备用计算机软件将约600万块碎纸片拼接起来[1]。同样，2011年美国国防部高级研究项目局发起“拼图挑战”，谁最先将5份切碎的文件拼凑起来将获得5万美元奖金。此举旨在希望有人能够开发计算机算法，解决文件拼接问题，方便美国军方读取战场上所获文件碎片的内容[2]。因此，开展对碎纸片的自动拼接复原技术的研究有着重要的现实意义。碎纸自动拼接技术是图像处理与模式识别领域中的一个较新但是很典型的应用，它是通过扫描和图像提取技术获取一组碎片的形状、颜色等信息，然后利用计算机进行相应的处理从而实现对这些碎纸片的全自动或半自动拼接还原。碎纸自动拼接的关键技术包括图像预处理和匹配。碎纸图像预处理的目的是将碎纸片表示为适合于利用计算机进行处理的形式。图像预处理包括图像获取，背景分割，边界检测，轮廓提取和表示等。匹配技术是碎纸自动拼接中关键之中的关键，就是用储存在计算机中的模型去识别输入的未知视觉模式，并最终建立对输入的解释。在对图像的理解中，匹配技术起着重要的作用。匹配技术可以归为两类，一类是比较具体，多对应图像底层像素或像素的集合，统称为图像匹配；另一类则比较抽象，主要与图像或目标的性质有关，统称为广义匹配。图像匹配包括模板匹配、目标匹配和动态匹配。广义匹配包括关系匹配、线图同构和特征内容匹配。特征内容包括颜色匹配、纹理匹配、形状匹配和综合特征匹配等。目前根据碎纸拼接的特点，主要用到的是颜色匹配技术，即将图形转化成像素点的灰度值并在计算机上得到相应矩阵，在忽略边缘效应的状态下对其灰度值进行匹配从而拼接。31.2国内外研究现状目前碎纸的拼接工作大部分都是靠人工的方式完成。虽然国外对这项工作进行了一些研究，但是由于碎纸的自动修复技术应用背景的特殊性，目前几乎没有公开的研究资料可以参考。类似的研究主要是集中在文物碎片的自动修复、虚拟考古、故障分析以及计算机辅助设计、医学分析等领域。前东德情报机构“斯塔西”官员将大量绝密文件撕成6亿多块碎纸片后丢进16000个垃圾袋，及史学家认为恢复这些文件意义重大，但如果人工手段进行恢复，将耗费至少400年时间。在司法技术鉴定中也存在着类似的问题，大量的纸质物证复原工作目前基本上都是以手工方式完成的。一旦碎纸的数量增大到几百甚至上千块的时候，如果仍然依靠手工完成，不但耗费大量的人力、物力，而且还可能对物证造成一定的损坏。目前，在国际上，德国等发达国家对破碎文件的自动修复技术已经进行了相当长时间的研究。但是由于技术封锁的原因，我们所能够搜集到的资料非常有限。而在国内，还没有类似的研究成果问世。因此，结合碎纸自动拼接在司法技术鉴定中的应用这一背景，把计算机视觉和模式识别应用于碎片复原，开展对碎纸自动拼接技术的研究技术的研究具有重要的现实意义[3]。本文的目标是利用计算机辅助的方法对仅纵切的碎纸片进行拼接、复原的关键技术。碎纸自动拼接可以近似看成是一个拼图问题（jigsawpuzzleproblem）。在机器人和计算机视觉领域中，很早就有学者对自动拼接问题进行了研究。H.Wolfson等人开发了一套机器人系统，能让机器人在标准的拼图游戏中找到各个对应的匹配块，并操作机器人进行自动拼图。这些技术都利用了拼图游戏中的一些特殊特征（如平滑的轮廓，显著的角点等）以及一些先验知识。1.3论文主要内容论文共分六章，第一章介绍了课题的来源、背景，研究现状和论文的组织结构。第二章介绍了matlab的相关知识。第三章研究了碎纸拼接中的关键技术之一：图像预处理。第四章结合前面的研究结果，开发出基于计算机辅助的碎纸自动拼接系统。本文的目标是利用计算机辅助的方法对仅纵切的碎纸片进行拼接、复原的关键技术。4第二章MATLAB概述2.1MATLAB产生的历史背景在70年代中期，CleveMoler博士和其他同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国N