CN110059719B - 一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法 - Google Patents

一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于目标识别领域，具体涉及一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，包括以下步骤：步骤1：获取待识别图像和标准模板数据库；步骤2：将步骤1获得的待识别图像进行预处理；步骤3：对步骤2经过预处理的待识别图像和步骤1得到的标准模板数据库中的图像进行沃尔什图像矩计算，得到待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库；步骤4：将步骤2得到的待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库进行特征比较，得到待识别图像集在标准模板数据库中的识别图像编号。本发明在小图像上具有相对的特征计算优势，沃尔什图像矩具有平移、旋转和缩放不变的特性且具有较高的计算效率。

Description

一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法
技术领域
本发明属于目标识别领域，具体涉及一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法。
背景技术
目标识别技术可以理解为将未知含义的目标对象判别为一组已知目标集的某一类或某一个，该技术一般使用目标特征间的相似性来描述目标对象间的相似性。因此，目标识别方法的优劣可由其描述目标的能力决定，特定的识别任务决定着描述特征的选择。
中国专利CN201810184924.X公开了一种基于Hu不变矩的深度图像手势识别方法，通过深度图像直接获得三维信息，有效减少了计算量，提高了算法的鲁棒性，实现了实时的高准确度高鲁棒性的手势识别。
中国专利CN201510883597.3公开了一种基于改进Krawtchouk矩的SAR图像目标特征提取方法，针对SAR图像的方位敏感性和平移敏感性给SAR目标识别带来的干扰，提出一种基于改进Krawtchouk矩的SAR图像目标特征提取方法。在有效抑制噪声的情况下，有效克服了SAR图像对目标方位的敏感性，减少计算量的同时能有效地对目标进行识别。
上面两种目标识别所用的图像矩Hu与Krawtchouk，其专利中采用的算法对计算量以及目标识别效果均有一定提升，但Hu矩的抗噪能力较差，且Hu矩在构建时所用的基函数为非正交函数系，故Hu矩虽具有平移、缩放、旋转等不变特性，但并不具备重构被识别图像的特性；而Krawtchouk矩属于离散正交图像矩，其核函数为离散多项式，计算过程虽然不存在离散误差，但存在传递误差，在计算目标图像的高阶Krawtchouk矩时，传递误差将不断被累计，最终可能会引起正交多项式的发散，且离散正交矩本身并不具有平移、缩放、旋转等不变特性。
因此针对背景噪声较大的识别目标，以及需要具备识别目标重构功能，或可进一步抽查复检的工程，现有的专利方案并不能很好的完成。
发明内容
针对现有技术中存在的目标识别算法中计算量较大且时效性不足的问题，本发明提出了一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，由以下技术方案完成：
一种沃尔什图像矩的计算方法，包括以下步骤：
步骤1：对原始图像进行归一化处理；
步骤2：将步骤1中归一化处理后的图像变化到柱面坐标系；
步骤3：通过式Ⅰ将步骤2中变化到柱面坐标系下的图像置换到顺序空间
[gp(n1,n2)]＝[g(n1,n2)][P(n1,n2)] 式Ⅰ
其中，[P(n1,n2)]为置换矩阵，[g(n1,n2)]为极坐标下图像矩阵，[gp(n1,n2)]为置换后图像矩阵，所述顺序空间的图像映射相对不变，n1,n2表示柱面坐标系下图像中像素点的横纵坐标；
步骤4：通过式Ⅱ计算步骤3中的置换后图像的沃尔什图像矩：
[W(k1,k2)]＝[Walw(N)][gp(n1,n2)][Walw(N)]/N2 式Ⅱ
其中，k1,n1,k2,n2的取值范围为0～N-1，N＝2q且q为正整数，Walw(N)为N阶沃尔什排列的沃尔什正交函数矩阵，[W(k1,k2)]为原始图像的沃尔什图像矩。
进一步的，步骤1中归一化处理具体为：将待识别图像所有的像素点归一化到该图像外接圆的内部或者该图像的内切圆中。
一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，包括以下步骤：
步骤1：获取待识别图像和标准模板数据库；
步骤2：将步骤1获得的待识别图像进行预处理；
步骤3：对步骤2经过预处理的待识别图像和步骤1得到的标准模板数据库中的图像利用如权利要求1所述的方法进行沃尔什图像矩计算，得到待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库；
步骤4：将步骤2得到的待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库进行特征比较，得到待识别图像集在标准模板数据库中的识别图像编号，完成图像识别。
进一步的，步骤2包括如下子步骤：
步骤2.1：读取待识别图像，并对待识别图像进行平滑滤波；
步骤2.2：对步骤2.1得到的平滑滤波后的图像进行二值化处理；
步骤2.3：对步骤2.2得到的二值化处理后的图像进行形态滤波。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明依据不变矩理论，结合沃尔什变换构造了一种基于沃尔什变换的图像矩，并利用快速沃尔什变换实现了该图像矩的快速计算，由于计算速度快、存储空间少，有利于硬件实现，对实时处理和大量数据操作具有特殊吸引力，能够达到更好的识别效果。
(2)本发明在小图像上具有相对的特征计算优势，沃尔什图像矩具有平移、旋转和缩放不变的特性且具有较高的计算效率。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2是归一化示意图；
图3是极坐标变换示意图；
图4是实施例中部分待识别仪器字符形状。
具体实施方式
不变矩:在统计学中用于随机量分布的描述，而在图像分析中用于二值图或灰度图二维密度分布描述的不变正交矩称为图像不变正交矩(简称图像矩)。图像矩在目标图像经过平移、缩放或旋转之后，仍保持不变，因此可用于目标图像的特征描述。
图像矩：由Hu于1962年引入图像处理和模式识别领域，提出图像矩概念，并构建了七个矩不变量，这七个矩不变量对于图像的平移、旋转及尺度变化均具有不变性，但抗噪能力较差。从数学的角度来看，图像矩是图像函数在基函数系上的投影。
沃尔什变换(Walsh transform)：以沃尔什函数为基本函数的一种非正弦正交变换，沃尔什函数Wal(k，t)是美国数学家J.L.沃尔什(J.L.Walsh)1923年提出的，定义在半开区间0≤t<1的一组完备、正交矩形函数。沃尔什变换的变换核只取+1和-1两个值，其变换过程中只需进行实数加、减运算，没有乘、除运算，其逆变换仅有一个1/N因子，由于其变换核具有二值性更符合计算机的处理机制，故沃尔什变换具有更快的计算效率，整个计算过程误差积累小可以被忽略。
一种沃尔什图像矩的计算方法，包括以下步骤：
步骤1：对原始图像进行归一化处理；
例如设有M行×N列像素的数字图像中任一点像素坐标为(u,v)，将其归一化到中心为原点的单位圆中，得坐标为(x,y)，其归一化过程如图2所示；
步骤2：将步骤1中归一化处理后的图像变化到柱面坐标系；
以处理后的图像中心为坐标原点，将其转换至极坐标系下，最后参与矩计算的是极坐标图像所在的方形图像区域，当直角坐标系下的图像发生旋转时，对应的极坐标下图像，仅沿极角方向做平移变换。故可将极坐标二维图像的极角方向首尾相接看作环形数据，即将极坐标二维图像转换至三维空间的柱面图像，处理过程如图3所示；
步骤3：通过式Ⅰ将步骤2中变化到柱面坐标系下的图像置换到顺序空间
[gp(n1,n2)]＝[g(n1,n2)][P(n1,n2)]式Ⅰ
其中，[P(n1,n2)]为置换矩阵，[g(n1,n2)]为极坐标下图像矩阵，[gp(n1,n2)]为置换后图像矩阵，所述顺序空间的图像映射相对不变，n1,n2表示柱面坐标系下图像中像素点的横纵坐标；
置换矩阵可将极坐标图像按固有特征转换至顺序空间，顺序空间的极坐标图像映射相对不变，而极坐标图像的固有特征有很多，最大值、最小值、均值、极值、阶跃、分位数等等；
优选的，选取基于序列加权的特征来构造置换矩阵，N×N极坐标图像的每一点g(n1,n2)的加权计算式：
Figure BDA0001998257130000051
步骤4：通过式Ⅱ计算步骤3中的置换后图像的沃尔什图像矩：
[W(k1,k2)]＝[Walw(N)][gp(n1,n2)][Walw(N)]/N2 式Ⅱ
其中，k1,n1,k2,n2的取值范围为0～N-1，N＝2q且q为正整数，例如，q＝2，k1,n1,k2,n2的取值范围为0～3，q＝3时，k1,n1,k2,n2的取值范围为0～7，Walw(N)为N阶沃尔什排列的沃尔什正交函数矩阵，[W(k1,k2)]为原始图像的沃尔什图像矩。
具体的，步骤1中归一化处理具体为：将待识别图像所有的像素点归一化到该图像外接圆的内部或者该图像的内切圆中。
一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，包括以下步骤：
步骤1：获取待识别图像和标准模板数据库；
步骤2：将步骤1获得的待识别图像进行预处理；
步骤3：对步骤2经过预处理的待识别图像和步骤1得到的标准模板数据库中的图像利用如权利要求1所述的方法进行沃尔什图像矩计算，得到待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库；
步骤4：将步骤2得到的待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库进行特征比较，得到待识别图像集在标准模板数据库中的识别图像编号，完成图像识别。
本发明依据不变矩理论，结合沃尔什变换构造了一种基于沃尔什变换的图像矩，并利用快速沃尔什变换实现了该图像矩的快速计算，由于计算速度快、存储空间少，有利于硬件实现，对实时处理和大量数据操作具有特殊吸引力，能够达到更好的识别效果。
具体的，步骤2包括如下子步骤：
步骤2.1：读取待识别图像，并对待识别图像进行平滑滤波；
步骤2.2：对步骤2.1得到的平滑滤波后的图像进行二值化处理；
步骤2.3：对步骤2.2得到的二值化处理后的图像进行形态滤波。
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例
选取某仪器示波屏中的字符图像部分由分割所得图像如图2所示，其分辨率最大为(100×150)，针对某仪器示波屏中的字符、形状进行识别，0～9数字部分平均识别率为100％，字母、形状部分平均识别率为99.5％，各字母识别率详见表1。
表1示波屏常见字符识别结果
Figure BDA0001998257130000071
其中字母“I”与“L”的识别率相对较低，主要由于所得目标图像分辨率较低，经图像预处理所致，为提高实际使用中的识别率，在示波屏字符识别实验中，可针对常见单位毫米(mm)、微秒(μs)、分贝(dB)等，以字母组合的整体进行分割与识别，从而获得较高的识别率。

Claims (5)

1.一种沃尔什变换的图像矩的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对原始图像进行归一化处理；
步骤2：将步骤1中归一化处理后的图像变化到柱面坐标系；
步骤3：通过式Ⅰ将步骤2中变化到柱面坐标系下的图像置换到顺序空间
[gp(n1,n2)]＝[g(n1,n2)][P(n1,n2)] 式Ⅰ
其中，[P(n1,n2)]为置换矩阵，[g(n1,n2)]为极坐标下图像矩阵，[gp(n1,n2)]为置换后图像矩阵，所述顺序空间的图像映射相对不变，n1,n2表示柱面坐标系下图像中像素点的横纵坐标；
置换矩阵可将极坐标图像按固有特征转换至顺序空间，顺序空间的极坐标图像映射相对不变，极坐标图像的固有特征有最大值、最小值、均值、极值、阶跃、分位数；
选取基于序列加权的特征来构造置换矩阵，N×N极坐标图像的每一点g(n1,n2)的加权计算式：
Figure FDA0003565640650000011
步骤4：通过式Ⅱ计算步骤3中的置换后图像的沃尔什图像矩：
[W(k1,k2)]＝[Walw(N)][gp(n1,n2)][Walw(N)]/N2 式Ⅱ
其中，k1,n1,k2,n2的取值范围为0～N-1，N＝2q且q为正整数，Walw(N)为N阶沃尔什排列的沃尔什正交函数矩阵，[W(k1,k2)]为原始图像的沃尔什图像矩。
2.如权利要求1所述的沃尔什变换的图像矩的计算方法，其特征在于，步骤1中归一化处理具体为：将待识别图像所有的像素点归一化到该图像外接圆的内部或者该图像的内切圆中。
3.一种基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取待识别图像和标准模板数据库；
步骤2：将步骤1获得的待识别图像进行预处理；
步骤3：对步骤2经过预处理的待识别图像和步骤1得到的标准模板数据库中的图像利用如权利要求1所述的方法进行沃尔什图像矩计算，得到待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库；
步骤4：将步骤2得到的待识别图像沃尔什图像矩和标准模板沃尔什图像矩数据库进行特征比较，得到待识别图像集在标准模板数据库中的识别图像编号，完成图像识别。
4.如权利要求3所述的基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，其特征在于，步骤2包括如下子步骤：
步骤2.1：读取待识别图像，并对待识别图像进行平滑滤波；
步骤2.2：对步骤2.1得到的平滑滤波后的图像进行二值化处理；
步骤2.3：对步骤2.2得到的二值化处理后的图像进行形态滤波。
5.如权利要求3所述的基于沃尔什变换的图像矩的目标识别方法，其特征在于，步骤4中通过加权欧氏距离进行特征比较。
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