基于轮廓检测和特征匹配的图像配准方法与流程

本发明涉及图像处理领域，特别是一种基于轮廓检测和特征匹配的图像配准方法。

背景技术：

图像配准是图像处理的重要任务之一，用于将不同时间、不同传感器、不同视角以及不同拍摄条件下获取的两幅及以上图像进行几何意义上的匹配。其广泛应用于计算机视觉、医学图像处理、遥感数据分析等研究领域，具有十分重要的研究意义和实用价值。

图像配准的方法一般分为两类：基于区域的图像配准方法和基于特征的图像配准方法，而基于区域的配准又可以分为基于灰度的配准和基于变换域的配准。针对具有平移、旋转、缩放类型的图像匹配最常用的是单一的基于特征的配准或者基于变换域的配准。

基于特征的配准，其能将整个图像的各种分析转化为图像特征的分析，大大压缩了图像信息的数据量，同时保持了图像的平移、旋转等方面的特征，相比于其他方法速度快，鲁棒性好。最经典的是基于特征点的配准方法：surf和sift。sift算法使用dog对log进行简化，提高了特征点的搜索速度，并且配准精度很高。surf算法借鉴sift的思想，将dog中的高斯二阶微分模板进行了近似简化，使得模板只需要进行几个简单的加减法运算就能完成图像的滤波，并且运算量与滤波模板的尺寸无关，且同样具备对图像旋转、平移和尺度变化的不变性，在不降低性能的情况下，surf算法比sift算法速度快。但这两种算法的缺点是：必须要有去除误匹配算法，占据了一定的时间，且有些去除误匹配的算法效果不好。

基于变换域的图像配准，最常用的是傅立叶变换，比如傅里叶梅林变换，将图像变换到频域，并对图像幅度谱进行对数-极坐标变换，在对数-极坐标空间求解相对旋转角度和平移偏量。但是该方法的缺点是：必须事先规定好角度的取值范围，如果仅在整数角度取值，当旋转角度为浮点值时，对角度的估计会有偏差，如果将角度的取值范围进一步细化，则势必增加计算量。

以上两种方法在处理过程中所采用的几何变换都是仿射变换，而仿射变换只能很好的处理二维空间的变换，如果存在微变的三维空间匹配精度会很低。很多基于上述两种方法改进的方法也都没有考虑到这个细节，导致配准精度和正确率一般。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种实现0°至90°旋转角度和任何平移偏量的快速高精度图像配准方法，满足各种需要图像配准市场的需求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于轮廓检测和特征匹配的图像配准方法，包括以下步骤：

步骤1、将待配准图和标准图通过黑色/白色填充进行延扩，得到两个矩形图像；所述矩形图像的大小为m×n，且m≠n，其中m为矩形的宽度，n为矩形的高度，m大于待配准图和标准图的宽度，n大于待配准图和标准图的高度。

步骤2、对步骤1延扩之后的待配准图根据填充色为黑/白选择阈值进行阈值分割，得到二值图；所述的根据填充色为黑/白选择合适阈值进行阈值分割，具体如下：若为黑，阈值为0～30，做全局阈值分割；若为白，阈值为220～255，做全局阈值分割并取反。

步骤3、对步骤2中的二值图进行轮廓检测，并根据判断条件去除过大或过小的轮廓，只留下图像目标区域的轮廓，保存为初步轮廓图；所述的根据判断条件去除过大或过小的轮廓，只留下图像目标区域的轮廓，具体如下：获取延扩前待配准图目标区域的周长l1，将二值图所有检测到的周长大于或小于l1的轮廓去除，这样就只留下图像目标区域的轮廓。

步骤4、对步骤3中的初步轮廓图再进行由顶层至下的轮廓检测，保存为2d点集，并建立顶层点集的最小外接矩形；所述的由顶层至下的轮廓检测，是将目标区域的轮廓边界作为顶层，整幅延扩图的边界为第二层。

步骤5、对步骤4得到的顶层矩形进行分析计算，确定其与水平轴逆时针方向的旋转夹角绝对值θ和逆时针四个顶点坐标，所述顶层矩形即目标区域轮廓，逆时针四个顶点坐标依次为左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]，右下顶点pt[2]，左下顶点pt[3]；

步骤6、根据步骤5得到的左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]判别待配准图相对标准图旋转角度为正/负，之后再选择-θ或90°-θ对待配准图进行仿射变换获得初步配准图；具体如下：获取步骤5顶层矩形的宽w与高h，根据左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]两点的坐标计算两点之间的距离l，若l＝h，则旋转角度为正，以角度-θ对待测图进行仿射变换；若l＝w，则旋转角度为负，以角度90°-θ对待测图进行仿射变换，得到初步匹配图。

步骤7、对步骤6的初步配准图和标准图进行基于特征点的匹配，获得最终的配准图。所述的基于特征点的匹配中采取的几何变换是透射变换，且无需去除误匹配算法。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法针对0°至90°旋转角度和任何平移偏量的图像都能实现高精度配准；2)本发明中轮廓检测和最小外接矩形方法简单且效率高；3)本发明通过填充黑/白色使得阈值选取简单且适用于任何图像；4)本发明能够精确的获得待配准图与标准图之间的旋转角度信息，误差为10^-5量级；5)由于本发明获得的角度信息精度高，利用仿射变换得到的初步配准图只有平移偏量(极其微小的角度偏差可忽略)，针对平移偏差基于特征点的匹配无需去除误匹配算法，节省时间且精度高；6)本发明中基于特征点匹配中的几何变化采取透射变换可以处理二维甚至三维空间的图像配准，配准精度更高。

附图说明

图1是本发明基于轮廓检测、最小外接矩形法和特征匹配的图像配准方法流程图。

图2是本发明阈值分割的流程图。

图3是本发明轮廓检测的部分流程图。

图4是本发明判别旋转角度为正/负并得到初步配准图的流程图。

图5是本发明的具体实施例。其中图(a)为标准图，图(b)为待配准图，图(c)为标准图延扩之后的矩形图像，图(d)为待配准图延扩之后的矩形图像，图(e)为图(d)的二值图，图(f)为初步轮廓图，图(g)为顶层点集的最小外接矩形，图(h)为初步匹配图，图(i)为最终配准图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明基于轮廓检测和特征匹配的图像配准方法，包括以下步骤：

步骤1、将待配准图和标准图通过黑色/白色填充进行延扩，得到两个矩形图像，矩形图像的大小为m×n，且m≠n，其中m为矩形的宽度，n为矩形的高度，m大于待配准图和标准图的宽度，n大于待配准图和标准图的高度；

步骤2、结合图2，对步骤1延扩之后的待配准图根据填充色为黑/白选择阈值进行阈值分割，具体如下：若为黑，阈值为0～30，做全局阈值分割；若为白，阈值为220～255，做全局阈值分割并取反。得到二值图；

步骤3、结合图3，对步骤2中的二值图进行轮廓检测，并根据判断条件去除过大或过小的轮廓，只留下图像目标区域的轮廓，保存为初步轮廓图。具体过程如下：获取延扩前待配准图目标区域的周长l1，将二值图所有检测到的周长大于或小于l1的轮廓去除，这样就只留下图像目标区域的轮廓；

步骤4、对步骤3中的初步轮廓图再进行由顶层至下的轮廓检测，是将目标区域的轮廓边界作为顶层，整幅延扩图的边界为第二层，保存为2d点集，并建立顶层点集的最小外接矩形；

步骤5、对步骤4得到的顶层矩形进行分析计算，确定其与水平轴逆时针方向的旋转夹角绝对值θ和逆时针四个顶点坐标，所述顶层矩形即目标区域轮廓，逆时针四个顶点坐标依次为左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]，右下顶点pt[2]，左下顶点pt[3]；

步骤6，结合图4，根据步骤5得到的左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]判别待配准图相对标准图旋转角度为正/负，之后再选择-θ或90°-θ对待配准图进行仿射变换获得初步配准图。具体如下：获取步骤5顶层矩形的宽w与高h，根据左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]两点的坐标计算两点之间的距离l，若l＝h，则旋转角度为正，以角度-θ对待测图进行仿射变换；若l＝w，则旋转角度为负，以角度90°-θ对待测图进行仿射变换，得到初步匹配图；

步骤7、对步骤6的初步配准图和标准图进行基于特征点的匹配，其中采取的几何变换是透射变换，且无需去除误匹配算法，获得最终的配准图。

下面结合实施例进行具体描述。

实施例

(1)结合图5，标准图和待配准图分别如图(a)、(b)，分别通过白色填充进行延扩，得到两个矩形图像(c)、(d)，矩形图像的大小均为1276×1404，其中1276像素为矩形的宽度，1404像素为矩形的高度，1276像素大于待配准图和标准图的宽度876像素，1404像素大于待配准图和标准图的高度1004像素；

(2)对步骤1中延扩之后的待配准图(d)以阈值254进行全局阈值分割并取反，得到二值图(e)；

(3)对步骤2中的二值图(e)进行轮廓检测，去除周长大于或小于2560像素的轮廓，只留下图像目标区域的轮廓，保存为初步轮廓图(f)。

(4)对步骤3中的初步轮廓图(f)再进行由顶层至下的轮廓检测，是将目标区域的轮廓边界作为顶层，整幅延扩图的边界为第二层，保存为2d点集，并建立顶层点集的最小外接矩形如图(g)；

(5)对步骤4得到的顶层矩形进行分析计算，得到逆时针四个顶点坐标：左上顶点pt[0]、右上顶点pt[1]、右下顶点pt[2]、左下顶点pt[3]依次为(325.568，1032.593)、(900.165，1072.773)、(949.274，370.488)、(374.677，330.308)。得到其与水平轴逆时针方向的旋转夹角绝对值θ＝3.99091；

(6)获得步骤5顶层矩形的宽w＝576像素与高h＝704像素，左上顶点pt[0]，右上顶点pt[1]两点的坐标计算两点之间的距离l＝576，因l＝w，则旋转角度为负，以角度90°-θ＝86.00909°对待测图进行仿射变换，得到初步匹配图(h)；

(7)对步骤6的初步配准图(h)和标准图(a)进行基于特征点的匹配，其中采取的几何变换是透射变换，且无需去除误匹配算法，获得最终的配准图(i)。

本发明方法简单、速度快、精度高且实时性好，能够实现0°至90°旋转角度和任何平移偏量的图像的快速高精度配准，满足各种需要图像配准市场的需求，有很好的应用前景。