一種基于TS201的歸一化互相關(guān)快速算法
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圖像匹配指在已知目標(biāo)基準(zhǔn)圖的子圖集合中，尋找與實(shí)時(shí)圖像最相似的子圖，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別與定位目的的圖像處理技術(shù)。由于歸一化互相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單，對(duì)灰度值的線性變化具有適應(yīng)性、抗白噪聲能力強(qiáng)，以及匹配性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，已成為圖像匹配技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的匹配算法。該算法不僅可以應(yīng)用于民用圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于SAR成像和紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域當(dāng)中。雖然歸一化互相關(guān)算法的匹配能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，但該算法的計(jì)算量較大，不易應(yīng)用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)當(dāng)中。針對(duì)這一現(xiàn)象，討論了一種基于ADSP-TS201處理器，在保證全圖遍歷條件下，使用遞推與多模板思想構(gòu)建的歸一化互相關(guān)快速算法。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該快速算法在保證算法性能的同時(shí)，有效地提高了算法的執(zhí)行效率。
l 歸一化互相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程分析
歸一化互相關(guān)算法是基于灰度圖像匹配技術(shù)中最為經(jīng)典的算法，具有抗白噪聲能力強(qiáng)，匹配準(zhǔn)確性高的突出特點(diǎn)，但該算法的計(jì)算量較大，嚴(yán)重影響了算法應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。
設(shè)F(x，y)為一幅M×N的基準(zhǔn)圖像，B(x，y)是一幅m×n的實(shí)時(shí)圖像、Sx,y是一幅與實(shí)時(shí)圖像做互相關(guān)運(yùn)算的匹配子圖，且mM，nN。
標(biāo)準(zhǔn)歸一化互相關(guān)算法計(jì)算公式如下：
觀察上述公式可知，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的減法運(yùn)算、乘法運(yùn)算和累加運(yùn)算占據(jù)了標(biāo)準(zhǔn)算法中絕大部分的計(jì)算量。針對(duì)TS20l處理器，可以借助其寬總線、大內(nèi)存及并行指令的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速存取和并發(fā)計(jì)算，提升標(biāo)準(zhǔn)算法的執(zhí)行效率，但該處理器僅支持32位取值，計(jì)算單元不支持8位數(shù)據(jù)乘法的特性，也給提升標(biāo)準(zhǔn)算法的執(zhí)行效率帶來(lái)了一定的限制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致TS201執(zhí)行歸一化互相關(guān)算法效率下降的主要原因有兩個(gè)：一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)算法本身計(jì)算量龐大；另一個(gè)是處理器32位取值的特性使匹配子圖數(shù)據(jù)的獲取困難。
2 遞推多模板方案快速算法
2．1 遞推方案
遞推多模板方案快速算法首先要解決的問(wèn)題就是歸一化互相關(guān)算法本身計(jì)算量龐大的問(wèn)題。觀察式(1)可知，式(2)為匹配子圖與實(shí)時(shí)圖協(xié)方差計(jì)算過(guò)程，式(3)為匹配子圖方差的計(jì)算過(guò)程，式(4)為實(shí)時(shí)圖的方差計(jì)算過(guò)程。對(duì)于實(shí)時(shí)圖的方差計(jì)算部分，在整個(gè)匹配過(guò)程中只需要計(jì)算一次，而對(duì)于匹配子圖的方差計(jì)算和兩張圖像的協(xié)方差計(jì)算則需要多次重復(fù)執(zhí)行，共需要約(M-m)x(N-n)×3×m×n次加乘計(jì)算，計(jì)算量龐大。本文采用匹配子圖遞推方案來(lái)減少計(jì)算量。
結(jié)合實(shí)際圖像，最大互相關(guān)算法實(shí)際是將實(shí)時(shí)圖在匹配基準(zhǔn)圖像上做逐點(diǎn)逐行平移，并與其覆蓋的匹配子圖做相關(guān)運(yùn)算，求取相關(guān)系數(shù)并比對(duì)，以獲取最佳匹配位置。在實(shí)時(shí)圖平移的過(guò)程中，其覆蓋的新匹配子圖數(shù)據(jù)遵循如下遞推原則：
(1)當(dāng)實(shí)時(shí)圖進(jìn)行水平平行移動(dòng)時(shí)，因Sx,y+1是Sx,y在基準(zhǔn)圖中右移1列的位置所對(duì)應(yīng)的新匹配子圖，即Sx,y+1的前n-1列是Sx,y的后n-1列，有：
(2)當(dāng)實(shí)時(shí)圖進(jìn)行垂直平行移動(dòng)時(shí)，因Sx+1,y是Sx,y在基準(zhǔn)圖中下移1行的位置所對(duì)應(yīng)的新匹配子圖，即Sx+1,y的前m-1行是Sx,y的后m-1行，有：
利用此遞推原則，可以將歸一化互相關(guān)式中的式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化。觀察式(3)中數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果是以各個(gè)數(shù)據(jù)平方和的累加形式出現(xiàn)的，所以先將式(5)和式(6)進(jìn)行平方運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的式(7)和式(8)。
使用式(7)和式(8)對(duì)式(3)進(jìn)行變換，得到全圖遍歷過(guò)程中使用的匹配子圖遞推方差計(jì)算：
評(píng)論