图像处理之基于NCC模板匹配识别

简介: 图像处理之基于NCC模板匹配识别

一:基本原理


NCC是一种基于统计学计算两组样本数据相关性的算法,其取值范围为[-1, 1]之间,而对图像来说,每个像素点都可以看出是RGB数值,这样整幅图像就可以看成是一个样本数据的集合,如果它有一个子集与另外一个样本数据相互匹配则它的ncc值为1,表示相关性很高,如果是-1则表示完全不相关,基于这个原理,实现图像基于模板匹配识别算法,其中第一步就是要归一化数据,数学公式如下:


20151002003931895.png


二:实现步骤


(1)      获取模板像素并计算均值与标准方差、像素与均值diff数据样本


(2)      根据模板大小,在目标图像上从左到右,从上到下移动窗口,计


算每移动一个像素之后窗口内像素与模板像素的ncc值,与阈值比较,大于


阈值则记录位置


(3)      根据得到位置信息,使用红色矩形标记出模板匹配识别结果。


(4)      UI显示结果



三:编程实现


基于JAVA语言完成了整个算法编程实现与演示,其中第一步的代码如下:

    int tw = template.getWidth();
    int th = template.getHeight();
    int[] tpixels = new int[tw * th];
    getRGB(template, 0, 0, tw, th, tpixels);
    for(int i=0; i<tpixels.length; i++)
    {
      tpixels[i] = (tpixels[i] >> 16) & 0xff;
    }
    double[] meansdev = getPixelsMeansAndDev(tpixels);
    double[] tDiff = calculateDiff(tpixels, meansdev[0]);
    int raidus_width = tw / 2;
    int raidus_height = th / 2;

第二步的实现代码如下:

    int[] windowPixels = new int[tw * th];
    Arrays.fill(windowPixels, 0);
    for (int row = 0; row < height; row++) {
      for (int col = 0; col < width; col++) {
        // calculate the means and dev for each window
        if(row <  raidus_height || (row + raidus_height) >= height)
          continue;
        if(col < raidus_width || (col + raidus_width) >= width) 
          continue;
        int wrow = 0;
        Arrays.fill(windowPixels, 0);
        for(int subrow = -raidus_height; subrow <= raidus_height; subrow++ )
        {
          int wcol = 0;
          for(int subcol = -raidus_width; subcol <= raidus_width; subcol++ )
          {
            if(wrow >= th || wcol >= tw)
            {
              continue;
            }
            windowPixels[wrow * tw + wcol] = getPixelValue(width, col + subcol, row + subrow, inPixels);
            wcol++;
          }
          wrow++;
        }
        // calculate the ncc
        double[] _meansDev = getPixelsMeansAndDev(windowPixels);
        double[] diff = calculateDiff(windowPixels, _meansDev[0]);
        double ncc = calculateNcc(tDiff, diff, _meansDev[1], meansdev[1]);
        if(ncc > threhold) {
          Point mpoint = new Point();
          mpoint.x = col;
          mpoint.y  = row;
          points.add(mpoint);
        }
      }
    }

第三步的实现代码如下:

    // draw matched template on target image according position
    setRGB( dest, 0, 0, width, height, inPixels );
    Graphics2D g2d = dest.createGraphics();
    g2d.setPaint(Color.RED);
    g2d.setStroke(new BasicStroke(4));
    for(Point p : points)
    {
      g2d.drawRect(p.x - raidus_width, p.y - raidus_height, tw, th);
    }

其中第二步用到的计算NCC的方法实现如下:

  private double calculateNcc(double[] tDiff, double[] diff, double dev1, double dev2) {
    // TODO Auto-generated method stub
    double sum = 0.0d;
    double count = diff.length;
    for(int i=0; i<diff.length; i++)
    {
      sum += ((tDiff[i] * diff[i])/(dev1 * dev2));
    }
    return (sum / count);
  }

UI部分完整源代码如下:

package com.gloomyfish.image.templae.match;
 
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.FlowLayout;
import java.awt.Graphics;
import java.awt.Graphics2D;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.IOException;
 
import javax.imageio.ImageIO;
import javax.swing.JButton;
import javax.swing.JComponent;
import javax.swing.JFrame;
import javax.swing.JPanel;
 
public class DemoUI extends JComponent {
  
  /**
   * 
   */
  private static final long serialVersionUID = 1L;
  private BufferedImage targetImage;
  private BufferedImage template;
  
  public DemoUI()
  {
    super();
    java.net.URL imageURL = this.getClass().getResource("words.png");
    java.net.URL templateURL = this.getClass().getResource("template.png");
    
    try {
      template = ImageIO.read(templateURL);
      targetImage = ImageIO.read(imageURL);
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
  
  public void setTarget(BufferedImage target) {
    this.targetImage = target;
  }
 
  @Override
  protected void paintComponent(Graphics g) {
    Graphics2D g2 = (Graphics2D) g;
    if(targetImage != null) {
      g2.drawImage(targetImage, 10, 10, targetImage.getWidth(), targetImage.getHeight(), null);
    }
    if(template != null) {
      g2.drawImage(template, 20+targetImage.getWidth(), 10, template.getWidth(), template.getHeight(), null);
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    JFrame f = new JFrame("模板匹配与识别");
    JButton okBtn = new JButton("匹配");
    final DemoUI ui = new DemoUI();
    okBtn.addActionListener(new ActionListener() {
 
      @Override
      public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        
        ui.process();
      }
    });
    
    JPanel btnPanel = new JPanel();
    btnPanel.setLayout(new FlowLayout(FlowLayout.RIGHT));
    btnPanel.add(okBtn);
    
    f.getContentPane().add(btnPanel, BorderLayout.SOUTH);
    f.getContentPane().add(ui, BorderLayout.CENTER);
    f.setSize(500, 500);
    f.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    f.setVisible(true);
  }
 
  protected void process() {
    NccTemplateMatchAlg algo = new NccTemplateMatchAlg(template);
    targetImage = algo.filter(targetImage, null);
    this.repaint();
  }
 
}


四:程序运行效果如下


其中左边是目标图像、右边为模板图像

PS:博客从10月份开始每月都有多篇相关图像处理文章更新

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