基于Simulink的圖像角點(diǎn)檢測(cè)及匹配的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

馮能蓮，郭靖

（北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124）

角點(diǎn)特征是圖像的重要特征，由于角點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖像中信息含量高的位置，相對(duì)于原圖像而言，使用角點(diǎn)進(jìn)行匹配能夠大大減少計(jì)算量，因此角點(diǎn)在圖像匹配中有良好的應(yīng)用價(jià)值。此外在光流計(jì)算、三維場(chǎng)景重建、運(yùn)動(dòng)估計(jì)以及目標(biāo)跟蹤等方面也具有廣泛的應(yīng)用。尤其在實(shí)時(shí)處理中有很高的應(yīng)用價(jià)值并且在實(shí)現(xiàn)攝影測(cè)量自動(dòng)化和遙感影像匹配中，角點(diǎn)檢測(cè)也具有重要作用，因此建立一個(gè)有效的角點(diǎn)檢測(cè)、匹配平臺(tái)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

本文基于Matlab/Simulink軟件搭建了一個(gè)角點(diǎn)檢測(cè)、匹配試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)首先將左右2幅圖像采集，然后分別檢測(cè)其角點(diǎn)，對(duì)2幅圖像的角點(diǎn)進(jìn)行匹配，最后分別顯示左右2幅圖像并將其檢測(cè)的角點(diǎn)和匹配的角點(diǎn)分別標(biāo)注在原圖像上。通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)模塊里的參數(shù)，可實(shí)時(shí)觀測(cè)角點(diǎn)檢測(cè)和匹配效果，使復(fù)雜的系統(tǒng)直觀化。

1 基于Matlab的Simulink簡(jiǎn)介

Matlab是美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的用于解決科學(xué)計(jì)算和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真的軟件，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，Matlab已經(jīng)成為科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、信號(hào)處理設(shè)計(jì)與仿真等領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，被廣泛應(yīng)用于航空航天與國(guó)防、汽車(chē)、教育等行業(yè)。世界各大知名航空航天與國(guó)防單位普遍使用Matlab作為平臺(tái)化的工具進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)。Matlab為多領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一的軟件環(huán)境，能夠進(jìn)行高性能動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真、分析及測(cè)試，并能自動(dòng)生成符合DO－178B和MISRA－C標(biāo)準(zhǔn)的高效的嵌入式代碼，為開(kāi)發(fā)人員提供一體化工作平臺(tái)。

Simulink是以Matlab為基礎(chǔ)的可視化建模仿真工具，可對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，包括連續(xù)、離散、單速率、多速率、事件驅(qū)動(dòng)和混合系統(tǒng)等。同時(shí)具有面向不同領(lǐng)域的Simulink模型庫(kù)（Blocksets）,包括航空航天庫(kù)、控制系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、機(jī)/電/液物理系統(tǒng)模型等。Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，實(shí)現(xiàn)了可視化的建模，具有直觀、方便、靈活的特點(diǎn)［1］用戶也可構(gòu)建自己的模型庫(kù)，或?qū)⒁延械腗atlab、C/C++、Fortran函數(shù)封裝成Simulink模塊。這樣大大地?cái)U(kuò)大了Simulink的應(yīng)用領(lǐng)域。也體現(xiàn)了Matlab開(kāi)放性、可擴(kuò)充性的特點(diǎn)。

2 基于Simulink的圖像角點(diǎn)檢測(cè)、匹配平臺(tái)的搭建

基于Simulink的圖像角點(diǎn)檢測(cè)，匹配平臺(tái)包括圖像采集模塊、角點(diǎn)檢測(cè)模塊、角點(diǎn)匹配模塊、圖像輸出模塊，如圖1所示。

2.1 圖像采集模塊

在此采集模塊里利用到了Simulink視頻和圖像處理模塊集Video and Image Processing Blockset中的輸入源sources子模塊和Image Processing Blockset中的From Video Device模塊。

輸入源sources類模塊用于為仿真系統(tǒng)提供圖像及視頻等輸入源，把圖片或視頻導(dǎo)入到Simulink中。此模塊庫(kù)包含5個(gè)子模塊，各子模塊功能如下：

1）FromMultimediaFile（來(lái)自多媒體文件）模塊

用多媒體文件作為源。從壓縮的多媒體文件中讀取視頻幀和音頻樣本。

2） Image From File（圖像文件）模塊

用圖像文件作為源。從圖像文件中導(dǎo)入圖像。

3） ImageFromWorkspace（工作空間圖像）模塊

用來(lái)自工作空間的圖像數(shù)據(jù)作為輸入源。從MATLAB工作空間中導(dǎo)入圖像。

4） Read Binary File（讀二進(jìn)制文件）模塊

用二進(jìn)制文件作為輸入源。從文件中讀取二進(jìn)制視頻數(shù)據(jù)。

5）Video From Workspace（視頻來(lái)自工作空間）模塊

用工作空間中的視頻數(shù)據(jù)作為輸入源。從MATLAB工作空間中導(dǎo)入視頻信號(hào)。

From Video Device模塊從攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)作為輸入源。

由于彩色圖像存儲(chǔ)量大，處理不方便，所以要先將得到的圖像進(jìn)行灰度變換。用到了Conversions（轉(zhuǎn)換模塊庫(kù)）中的Color Space Conversion（色彩空間轉(zhuǎn)換）模塊，其中共有9種轉(zhuǎn)換類型可供選擇，例如RGB轉(zhuǎn)為 intensity，RGB到 HSV，HSV到 RGB，RGB 到 Y′CbCr，Y′CbCr到 RGB 等等。圖 2 給出了圖像采集及灰度轉(zhuǎn)化示意圖。

2.2 角點(diǎn)檢測(cè)模塊

Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法是圖像匹配中使用非常廣泛的特征提取算法之一。此模塊中采用Harris角點(diǎn)檢測(cè)原理。Harris角點(diǎn)提取法是C.Harris和M.J.Stephens［2］在 1988年提出的一種基于信號(hào)的點(diǎn)特征提取算法。這種算法受信號(hào)處理中自相關(guān)函數(shù)的啟發(fā)，給出與自相關(guān)函數(shù)相聯(lián)系的矩陣M。M陣的特征值是自相關(guān)函數(shù)的一階曲率，如果2個(gè)曲率值都高，那么就認(rèn)為該點(diǎn)是特征點(diǎn)。圖3是Harris角點(diǎn)檢測(cè)的方法介紹。

具體做法如下：

1） 設(shè)平移量為（Δx，Δy），用圖像的自相關(guān)函數(shù)表示窗口內(nèi)灰度值的變化為

2）泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，推導(dǎo)自相關(guān)函數(shù)為

式中：，Ix和 Iy是輸入圖像 I分別在X軸和Y軸方向的梯度。

4）角點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)的計(jì)算如下：

式中：k為經(jīng)驗(yàn)值，一般取 0.04～0.06，另外

式中：det（M）是矩陣 M 的行列式,trace（M）是矩陣M的跡。

5）角點(diǎn)位置用如下方法確定：

當(dāng)一幅圖中所有位置的角點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)值都計(jì)算出來(lái)之后，設(shè)定閾值T并尋找局部最大值。只有某點(diǎn)同時(shí)滿足是局部最大值并且其角點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)值大于閾值T，該點(diǎn)才是角點(diǎn)。

此部分用到了是Simulink基本工具箱User－Defined Function 中的：Level－2 M－file S－Function模塊。目的是將.m文件編寫(xiě)的Harris角點(diǎn)檢測(cè)程序編寫(xiě)成自定義模塊，在Simulink中成功運(yùn)行。Level－2 M－file S－Function 模塊， 它是具有特殊調(diào)用格式的函數(shù)文件。利用Simulink中提供的S函數(shù)模板進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹凹舨谩?，就可根?jù)實(shí)際需要，建立實(shí)驗(yàn)所需的模型［3］。 如 Level－2 M－file S－Function開(kāi)始設(shè)置參數(shù)的部分程序如下：

2.3 角點(diǎn)匹配模塊

圖像匹配［4］是根據(jù)已知的圖像（模板圖）在另一幅圖像（搜索圖）中尋找相應(yīng)或相近模板的過(guò)程。本文選擇了基于灰度相關(guān)改進(jìn)的匹配算法。

相關(guān)系數(shù)法的思想是，將實(shí)時(shí)圖g在基準(zhǔn)圖f上滑動(dòng)，計(jì)算每一位置上的相關(guān)系數(shù)：

式中：

對(duì)于相關(guān)系數(shù)法,可以通過(guò)簡(jiǎn)化相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式［5］,達(dá)到減少相關(guān)度量計(jì)算量的目的。相關(guān)系數(shù)公式經(jīng)簡(jiǎn)化可得到:

此部分運(yùn)用到Simulink中的commonly used blocks， continuous， logic and bit operation， math operations,model verification， sinks,sources， ports&subsystems等等模塊搭建了整個(gè)匹配算法模型。如圖4顯示的是角點(diǎn)匹配總模塊分為3大部分，每部分還有相應(yīng)的子模塊。

2.4 圖像輸出模塊

在此圖像輸出模塊里利用到了Video Viewer和Draw Markers模塊，其中Video Viewer模塊可顯示二值圖、灰度圖、或者RGB圖像，以及視頻流等多種信號(hào)。Draw Markers模塊通過(guò)在輸出的圖像上嵌入預(yù)定義的圖形來(lái)繪制標(biāo)記，一般用此模塊在圖像上繪制出點(diǎn)信息。圖5顯示的是圖像輸出模塊的部分模型，圖6顯示的是整個(gè)平臺(tái)的試驗(yàn)效果圖。圖6中，左側(cè)2幅圖為圖像角點(diǎn)檢測(cè)顯示圖，右側(cè)2幅圖為匹配的點(diǎn)對(duì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

將數(shù)字圖像處理的基本理論和Simulink的視頻和圖像處理工具集結(jié)合起來(lái)進(jìn)行圖像角點(diǎn)檢測(cè)，匹配算法的仿真，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟，縮短了設(shè)計(jì)周期，仿真結(jié)果清晰直觀。平臺(tái)中不僅利用了Simulink中提供的現(xiàn)有模塊，而且對(duì)SFunction進(jìn)行了擴(kuò)充。整個(gè)平臺(tái)模型簡(jiǎn)單、清晰，可視化效果好，便于維護(hù)改進(jìn)。當(dāng)對(duì)其中任何一部分有改進(jìn)時(shí)，可直接將新算法放在相應(yīng)的模塊中，進(jìn)行測(cè)試，非常方便。

［1］ 賈秋玲，袁冬莉,欒云鳳.基于MATLAB7.X/Simulink/Stateflow系統(tǒng)仿真、分析及設(shè)計(jì)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006:1－2.

［2］ C.Harris,M.Stephens.A combined corner and edge detector ［C］.Proceedings of the 4th Alvey Vision Conference， 1988:147－151.

［3］ 路玲，陳建輝，李琳.Simulink中S函數(shù)在仿真建模中的應(yīng)用［J］.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2004,23（6）:182－183.

［4］ 羅鐘鉉,劉成明.灰度圖像匹配的快速算法［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2005,17（5）:9662970.

［5］朱永松,國(guó)澄明.基于相關(guān)系數(shù)的相關(guān)匹配算法的研究［J］.信號(hào)處理,2003,19 （6） :5312534.