专利名称：一种高速图像匹配检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种检测系统，尤其是一种高速图像匹配检测系统；本发明还涉及一种利用本系统实现高速图像匹配的方法。
背景技术：
在国内工业生产的产品质量控制中很少会用到自动检测装置，一般都是采用人工进行检测，这样不但花费高，而且效率低下。有的检测装置采用的是计算机或者工控机的结构，也有的是采用嵌入式处理器结构，但成本较高，而且运算速度都比较慢，并且容易受环境的影响，可靠性低。这些装置采用的算法是互相关匹配法，或者是对其运算速度进行了一些改进的算法，但即便如此，还是不能达到高速图像处理的实时性要求。
互相关匹配法是一种最基本的统计匹配方法。互相关匹配要求模板图像和待匹配图像具有相似的尺度和灰度信息。模板窗口在待检测图像上进行遍历，计算每个位置处模板图像和待检测图像对应部分的互相关值，互相关信息最大的位置便是模板在待检测图像中对应的位置。
常用的互相关定义有如下两种形式C(i,j)=ΣxΣyM(x,y)I(x+i,y+j)ΣxΣyM2(x,y)ΣxΣxI2(x+i,y+j)]]>
C(i,j)=ΣxΣy(M(x,y)-M‾(x,y)(I(x+i,y+j)-I‾(x+i,y+j))ΣxΣy(M(x,y)-M‾(x,y))2ΣxΣx(I(x+i,y+j)-I‾(x+i,y+j))2]]>其中，M(x，y)表示模板函数，I(x，y)表示待匹配图像函数。
以上两个公式计算的是归一化的互相关系数，这个思路虽然简单，但是随着图像的增大，运算将非常耗时，为此，人们又提出了很多种加速算法。
其中比较好的有快速傅立叶变换相关匹配方法。
快速傅立叶变换相关匹配方法是把图像从空间域变换到频率域，模板和待检测图像在空间域上的互相关运算转换成了频率域上频谱的复数乘法运算。
FM(u，v)＝FFT(M(x，y))FI(u，v)＝FFT(I(x+i，y+j))Corr(u，v)＝FM*FIC(i，j)＝IFFT(Corr(u，v))其中FM(u，v)和FI(u，v)分别为M(x，y)和I(x+i，y+j)的傅立叶正变换。
在频域中，图像在空间域中的平移，旋转，尺寸变化都有对应的表达部分，这是该方法的优势之一。另一方面，该方法可以排除频率相关的噪声，从而获得鲁棒性好的匹配。同时，傅立叶变换可以通过硬件实现，大大提高了运算效率，速度和数据吞吐量。现在，已经有很多快速傅立叶变换专用芯片应用于各种工业检测系统中，大大改善了系统的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速图像匹配检测系统，使其能够达到提高高速图像匹配检测装置所要求的处理速度，并且精度高，实时性强，数据吞吐量大。本发明还提供一种利用上述系统的方法，以实现高速图像匹配检测。
为解决上述技术问题，本发明一种高速图像匹配检测系统的技术方案是，包括嵌入式处理器，用于图像的预处理、中间数据的处理、判决处理和系统控制；程序存储器，与所述嵌入式处理器相连接，用于存储和运行设备控制软件，存储处理结果；输出显示设备，与所述嵌入式处理器相连接，用于系统的人机交互和处理结果的显示；数据处理硬件加速器，与所述嵌入式处理器相连接，用于图像的采集后，数据的硬件加速处理以及处理模式的控制，并且响应嵌入式处理器的处理要求；图像录入设备，根据系统发出的指令，用于图像数据的高速采集；视频译码器件，与所述图像录入设备和数据处理硬件加速器相连接，用于将所采集的图像信号解码和数字化；图像存储器，与所述数据处理硬件加速器相连接，用于采集图像的存储和处理数据的缓冲存储。
本发明利用上述系统实现高速图像匹配检测的方法的技术方案是，包括如下步骤首先在系统中注册模板图像，然后进入图像采集匹配处理模式，用图像录入设备采集图像，对所录入的图像进行处理，该处理包括平移处理和旋转处理，之后与模板图像进行比较，最后输出匹配检测的结果。
作为本发明一种高速图像匹配检测的方法的进一步改进是，在图像采集匹配处理模式中对图像进行的平移量检测处理，其步骤为模板图像与检测图像在进行二维快速傅立叶变换后，对其频谱结果进行幅度谱和相位谱的分离并提取其相位谱作为研究对象，对两者的相位谱进行合成，然后再对合成的结果进行二维快速傅立叶反变换，得到相关表面，求取相关表面的峰值和平移量信息，把相关峰值和平移量信息输入判决算法得到一个判决量，若它大于预先设定的判决准则，则判定为两图像相关，若它小于预先设定的判决准则，则判定为两图像不相关。
作为本发明一种高速图像匹配检测的方法另一种进一步改进是，在图像采集匹配处理模式中对图像进行的旋转量检测处理，其步骤为模板图像与参考图像在进行二维快速傅立叶变换后，对其频谱结果进行幅度谱和相位谱的分离并提取包含旋转量信息的幅度谱作为研究对象，对两者的幅度谱进行对数运算，然后对其进行极坐标变换后便进入上面的检测偏移量的算法流程得到相关峰值和平移量信息，把平移量信息转换为旋转量信息后和相关峰值输入判决算法得到一个判决量，若它大于预先设定的判决准则，则判定为两图像相关，若小于预先设定的判决准则，则判定为两图像不相关。
本发明利用硬件系统实现傅立叶变换和反变换，实现了图像匹配检测的高速度，高精度和高吞吐量的处理，使图像匹配检测的效率更高，成本更低。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述图1为本发明一种高速图像匹配检测系统的结构图；图2为本发明图像录入设备的结构图；图3为本发明数据处理硬件加速器的结构图；图4为本发明一种高速图像匹配检测的方法的流程图；图5为本发明图像平移算法的框架图；图6为本发明图像旋转算法的框架图；图7为本发明图像匹配算法的框架图。
具体实施例方式
为了提高处理速度，本系统中采用了“嵌入式处理器+数据处理硬件加速器”的结构，用专用硬件加速器来实现快速傅立叶正变换/快速傅立叶反变换运算，用嵌入式处理器进行其它运算和系统控制。这样既提高了速度又具有一定的灵活性。同时为了提高图像匹配的精度，在应用中采用了既能检测位移量又能检测旋转量的算法。
本发明一种高速图像匹配检测系统的结构如图1所示，包括嵌入式处理器1，用于图像的预处理、中间数据的处理、判决处理和系统控制，嵌入式处理器带有内部乘法器和内部浮点运算协处理器(支持32位单精度或64位双精度运算)，5级流水线结构，这些都有利于对图像数据的快速实时的处理。
程序存储器8，与所述嵌入式处理器相连接，用于存储和运行设备控制软件，存储处理结果。
输出显示设备9，与所述嵌入式处理器相连接，用于系统的人机交互和处理结果的显示。
数据处理硬件加速器2，与所述嵌入式处理器相连接，用于图像的采集后，数据的硬件加速处理以及处理模式的控制，并且响应嵌入式处理器的处理要求。所述数据处理硬件加速器内有快速傅立叶变换/快速傅立叶反变换的硬件实现内核。
图像录入设备6，根据系统发出的指令，用于图像数据的高速采集。
视频译码器件7，与所述图像录入设备和数据处理硬件加速器相连接，用于将所采集的图像信号解码和数字化。
图像存储器3，与所述数据处理硬件加速器相连接，用于采集图像的存储和处理数据的缓冲存储，所述图像存储器为高速静态存储器。
为了配合高速的嵌入式处理器和数据处理硬件加速器的外部总线接口，采用高速的程序动态存储器，它具有很高的总线速度。图像存储器也是采用高速的静态存储器，它也具有很高的总线速度。能够满足嵌入式处理器高速外部总路线接口的要求。
当系统上电后，嵌入式处理器通过总线对数据处理硬件加速器里的相关寄存器进行初始设置，只有完成一系列初始设置后，数据处理硬件加速器才能正常的开始工作。
如图2所示，当数据处理硬件加速器接收到来自外部的图像录入触发信号4后就开始给图像录入设备发一个图像录入触发信号，图像录入设备接收到图像录入触发信号后就开始采集一幅高速运动中的图像。
当图像录入设备采集到视频图像后，模拟的图像信号就送入视频解码器，经视频解码器解码后，产生的数据信号经数据处理硬件加速器存到存储器中。
在数据处理硬件加速器内部有三种总线结构，如图3所示。
嵌入式处理器设置控制寄存器的值为图像录入模式时，图像录入设备录入的数据经数据处理硬件加速器直接存储到存储器中。
嵌入式处理器设置控制寄存器的值为快速傅立叶变换处理模式时，数据处理硬件加速器可以直接对存储器中的图像数据进行数据处理。
嵌入式处理器设置控制寄存器的值为嵌入式处理器处理模式时，嵌入式处理器经数据处理硬件加速器可以对存储器中的图像数据进行各种处理。
当图像录入设备录入的数据存入存储器后，数据处理硬件加速器可以被设置为嵌入式处理器处理模式，嵌入式处理器可以通过数据处理硬件加速器访问存储器中的数据，进行各种图像预处理工作。
嵌入式处理器对图像数据进行完预处理后，就可能将数据处理硬件加速器中的总线模式切换到快速傅立叶变换处理模式，数据处理硬件加速器中的快速傅立叶正变换模块就会对存储器中的数据进行二维快速傅立叶正变换，二维快速傅立叶正变换由二次一维快速傅立叶正变换组成，先进行一维行变换，再对行变换后的数据进行一维列变换，最后将变换后的数据存入到存储器中。
嵌入式处理器将数据处理硬件加速器内部的总线再次切换到嵌入式处理器处理模式，嵌入式处理器对存储器中的数据进行一些变换后的后继处理，提取相位信息和幅度信息作为模板图像保存到存储器中。
本发明还包括一种运用上述系统实现高速图像匹配检测的方法，其流程图可参见图4，包括如下步骤首先在系统中注册模板图像，然后进入图像采集匹配处理模式，用图像录入设备采集图像，对所录入的图像进行处理，并与模板图像进行比较，最后输出匹配检测的结果。
在图像采集匹配处理模式中，包括对图像进行的平移量检测处理，可参见图5，其步骤为模板图像与检测图像在进行二维快速傅立叶变换后，对其频谱结果进行幅度谱和相位谱的分离并提取其相位谱作为研究对象，对两者的相位谱进行合成，然后再对合成的结果进行二维快速傅立叶反变换便可得到相关表面(即相关函数)，求取相关表面的峰值(即相关函数的最大值)和平移量信息，把相关峰值和平移量信息输入判决算法得到一个判决量，若它大于预先设定的判决准则，则判定为两图像相关，若它小于预先设定的判决准则，则判定为两图像不相关。两幅图像相关则峰值所对应的坐标即为两图像的相对偏移量。当然，在实际的应用系统中，由于运算的精度和实际两图像的内容不一致，两图像的相关函数不会是单位冲击响应函数。
在图像采集匹配处理模式中，包括对图像进行的旋转量检测处理，可参见图6，其步骤为模板图像与参考图像在进行二维快速傅立叶变换后，对其频谱结果进行幅度谱和相位谱的分离并提取包含旋转量信息的幅度谱作为研究对象，对两者的幅度谱进行对数运算，对幅度谱取对数运算是为了降低其动态范围。然后对其进行极坐标变换后便进入上面的检测偏移量的算法流程得到相关峰值和平移量信息，把平移量信息转换为旋转量信息后和相关峰值输入判决算法得到一个判决量，同样，若相关峰值大于预先设定的判决准则，则判定为两图像相关，若小于预先设定的判决准则，则判定为两图像不相关。两图像相关则峰值所对应的坐标与两图像的相对旋转量存在一定的对应关系。
当两图像间既有平移又有旋转时，可将检测偏移量的算法与检测旋转量的算法结合起来，采用图7所示的结构框架来达到检测的目的。先做检测旋转量的算法求得旋转角度，再将输入的图像按此角度转回来后做检测偏移量的算法处理。也可以先对图像进行平移处理，然后再对图像进行旋转处理。
此外，系统还设置有人机交互接口，可根据用户的要求，进行一些操作。
根据用户的要求，如果检测图像间的平移信息，则进入检测平移的算法，进行模板图像的相位信息和待匹配检测图像的相位信息的合成处理，处理结果存储在存储器中。
根据用户的要求，如果检测图像间的旋转量信息，则进入检测旋转量的算法，进行模板图像的幅度信息和待匹配检测图像的幅度信息的合成处理，处理结果存储在存储器中。
嵌入式处理器将数据处理硬件加速器内部的总线再次切换到快速傅立叶变换处理模式，数据处理硬件加速器中的快速傅立叶反变换处理模块对存储器中的图像数据作快速傅立叶反变换。
嵌入式处理器将数据处理硬件加速器内部的总线切换到嵌入式处理器处理模式，嵌入式处理器对快速傅立叶反变换后的图像数据进行判决处理，算出最大偏移量和匹配值，根据设定的判决准则判断捕获到的图像和指定的模板图像是否匹配，并输出判决结果。
权利要求
1.一种高速图像匹配检测系统，其特征在于，包括嵌入式处理器，用于图像的预处理、中间数据的处理、判决处理和系统控制；程序存储器，与所述嵌入式处理器相连接，用于存储和运行设备控制软件，存储处理结果；输出显示设备，与所述嵌入式处理器相连接，用于系统的人机交互和处理结果的显示；数据处理硬件加速器，与所述嵌入式处理器相连接，用于图像的采集后，数据的硬件加速处理以及处理模式的控制，并且响应嵌入式处理器的处理要求；图像录入设备，根据系统发出的指令，用于图像数据的高速采集；视频译码器件，与所述图像录入设备和数据处理硬件加速器相连接，用于将所采集的图像信号解码和数字化；图像存储器，与所述数据处理硬件加速器相连接，用于采集图像的存储和处理数据的缓冲存储。
2.根据权利要求1所述的一种高速图像匹配检测系统，其特征在于，所述嵌入式处理器带有内部乘法器和内部浮点运算协处理器，以及5级流水线结构。
3.根据权利要求1所述的一种高速图像匹配检测系统，其特征在于，所述数据处理硬件加速器内有快速傅立叶变换/快速傅立叶反变换的硬件实现内核。
4.根据权利要求1所述的一种高速图像匹配检测系统，其特征在于，所述程序存储器为高速动态存储器。
5.根据权利要求1所述的一种高速图像匹配检测系统，其特征在于，所述图像存储器为高速静态存储器。
6.一种用如权利要求1所述的系统实现高速图像匹配检测的方法，其特征在于，包括如下步骤首先在系统中注册模板图像，然后进入图像采集匹配处理模式，用图像录入设备采集图像，对所录入的图像进行处理，该处理包括平移处理和旋转处理，之后与模板图像进行比较，最后输出匹配检测的结果。
7.根据权利要求6所述的一种高速图像匹配检测的方法，其特征在于，在图像采集匹配处理模式中，先对图像进行旋转处理，然后再对图像进行平移处理。
8.根据权利要求6所述的一种高速图像匹配检测的方法，其特征在于，在图像采集匹配处理模式中，先对图像进行平移处理，然后再对图像进行旋转处理。
9.根据权利要求6、7或8所述的一种高速图像匹配检测的方法，其特征在于，在图像采集匹配处理模式中对图像进行的平移量检测处理，其步骤为模板图像与检测图像在进行二维快速傅立叶变换后，对其频谱结果进行幅度谱和相位谱的分离并提取其相位谱作为研究对象，对两者的相位谱进行合成，然后再对合成的结果进行二维快速傅立叶反变换，得到相关表面，求取相关表面的峰值和平移量信息，把相关峰值和平移量信息输入判决算法得到一个判决量，若它大于预先设定的判决准则，则判定为两图像相关，若它小于预先设定的判决准则，则判定为两图像不相关。
10.根据权利要求6、7或8所述的一种高速图像匹配检测的方法，其特征在于，在图像采集匹配处理模式中对图像进行的旋转量检测处理，其步骤为模板图像与参考图像在进行二维快速傅立叶变换后，对其频谱结果进行幅度谱和相位谱的分离并提取包含旋转量信息的幅度谱作为研究对象，对两者的幅度谱进行对数运算，然后对其进行极坐标变换后便进入上面的检测偏移量的算法流程得到相关峰值和平移量信息，把平移量信息转换为旋转量信息后和相关峰值输入判决算法得到一个判决量，若相关峰值大于预先设定的判决准则，则判定为两图像相关，若小于预先设定的判决准则，则判定为两图像不相关。
全文摘要
本发明公开了一种高速图像匹配检测系统，采用了“嵌入式处理器+数据处理硬件加速器”的结构，用专用硬件加速器来实现快速傅立叶正变换/快速傅立叶反变换运算，用嵌入式处理器进行其它运算和系统控制，这样既提高了速度又具有一定的灵活性。同时为了提高图像匹配的精度，本发明还公开了一种利用上述系统实现高速图像匹配检测的方法，在应用中采用了既能检测平移量又能检测旋转量的算法，实现了图像匹配检测的高速度，高精度和高吞吐量的处理，使图像匹配检测的效率更高，成本更低。
文档编号G06K9/64GK1904907SQ20051002818
公开日2007年1月31日 申请日期2005年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者王福堂, 栗原东彦 申请人:上海明波通信技术有限公司