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原理

彩色模式匹配（Color Pattern Matching）基于目標(biāo)圖像的色彩和空間分布特征（如形狀、尺寸等），綜合色彩匹配和灰度圖像模式匹配技術(shù)，來(lái)快速定位圖像中的彩色模式。

色彩匹配將模板圖像與待測(cè)圖像或其中某一區(qū)域的顏色進(jìn)行比較，判斷它們是否相同或相近。圖像或模板中的顏色信息可以由一種或多種顏色構(gòu)成，色彩匹配過(guò)程會(huì)根據(jù)各種顏色像素的數(shù)量統(tǒng)計(jì)信息生成色譜，以簡(jiǎn)化匹配過(guò)程。色彩匹配過(guò)程執(zhí)行之前，需要明確模板和待比較圖像區(qū)域所在的位置。

色彩定位功能對(duì)色彩匹配進(jìn)行增強(qiáng)和擴(kuò)展，以快速定位圖像中的特定顏色區(qū)域。它先通過(guò)下采樣和步進(jìn)搜索的方法快速確定可能的候選匹配位置，然后再對(duì)各個(gè)候選區(qū)域進(jìn)行精細(xì)色彩匹配，以最終確定最佳色彩匹配位置。這種由粗到細(xì)的搜索方法對(duì)于在圖像中尋找與模板圖像具有類似顏色屬性的區(qū)域位置和數(shù)量十分有效。

由于色彩定位基于模板的像素顏色統(tǒng)計(jì)信息工作，所以它只具有平移不變性，而對(duì)尺度和旋轉(zhuǎn)變化不能保持嚴(yán)格的不變性，也不能返回與模板匹配區(qū)域的角度信息。

彩色模式匹配對(duì)色彩定位功能進(jìn)行了增強(qiáng)和擴(kuò)展。它先使用色彩定位過(guò)程，基于模板的顏色信息從圖像中搜索匹配的區(qū)域。然后，對(duì)于每個(gè)匹配區(qū)域，彩色模式匹配過(guò)程都會(huì)擴(kuò)展該區(qū)域的范圍，并執(zhí)行圖像的灰度模式匹配，以找到模板在圖像中的確切位置及旋轉(zhuǎn)角度。下圖顯示了彩色模式匹配過(guò)程的流程圖以及它與色彩匹配、色彩定位之間的關(guān)系。

圖像的灰度模式匹配技術(shù)通過(guò)計(jì)算模板和圖像之間的歸一化互相關(guān)值來(lái)確定匹配區(qū)域。由于歸一化互相關(guān)僅具有平移不變性，因此還需要通過(guò)對(duì)模板進(jìn)行多次縮放或旋轉(zhuǎn)后再重復(fù)搜索過(guò)程來(lái)賦予灰度模式匹配尺度不變性和旋轉(zhuǎn)不變性。但是要完全支持尺度不變性和旋轉(zhuǎn)不變性，需要進(jìn)行大量計(jì)算，這會(huì)嚴(yán)重影響算法的實(shí)時(shí)性。

為了增強(qiáng)算法的實(shí)用性，灰度模式匹配過(guò)程使用下采樣和先粗后細(xì)的匹配策略，以及梯度金字塔、低差異采樣和圖像理解等技術(shù)，使其不僅能適應(yīng)被測(cè)目標(biāo)±5%的尺度變化，保持旋轉(zhuǎn)不變性，還能兼顧實(shí)用性。相應(yīng)地，綜合使用色彩匹配和灰度模式匹配技術(shù)的彩色模式匹配，不僅具有平移和旋轉(zhuǎn)不變性，還支持±5%的尺度變化。

彩色模式匹配對(duì)許多機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用至關(guān)重要，它不僅能輸出與彩色模板相匹配的圖像區(qū)域數(shù)量信息，還能提供其在圖像中的準(zhǔn)確位置和角度信息。因此，它在很多時(shí)候能通過(guò)提高灰度圖像的對(duì)比度，或?qū)⒛繕?biāo)與背景分離來(lái)簡(jiǎn)化灰度圖像匹配問(wèn)題，或進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

一般來(lái)說(shuō)，若要在待測(cè)對(duì)象與背景間的顏色區(qū)別非常明顯的情況下精確地定位待測(cè)對(duì)象的位置，或者待測(cè)對(duì)象的灰度特征較難描述或與其他對(duì)象的灰度特征較類似的情況下，彩色模式匹配具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

基于彩色模式匹配，可以創(chuàng)建機(jī)器視覺(jué)測(cè)量（Gauging）、檢測(cè)（Inspection）和對(duì)準(zhǔn)（Alignment）系統(tǒng)。例如，在待測(cè)件的間距測(cè)量應(yīng)用中，若待測(cè)件的顏色標(biāo)識(shí)固定，則通過(guò)彩色模式匹配可以快速定位它們的準(zhǔn)確位置，并進(jìn)而計(jì)算得到待測(cè)件之間的距離；檢測(cè)組裝過(guò)程是否漏裝零件；檢查彩色印刷物的質(zhì)量。例如，日常消費(fèi)品上的標(biāo)簽大多為彩色標(biāo)簽，所以可使用顏色模式匹配來(lái)檢測(cè)標(biāo)簽的質(zhì)量，或者先用它定位圖像中的標(biāo)簽，再進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。

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實(shí)踐

NI Vision使用位于LabVIEW的視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)→Machine Vision→Searching & Matching函數(shù)選板中的IMAQ Setup LearnColor Pattern、lMAQ Learn Color Pattern、IMAQ Setup Match Color Pattern和IMAQ Match Color Pattern封裝了色彩定位和色彩模式匹配的學(xué)習(xí)和搜索過(guò)程。使用這些函數(shù)可創(chuàng)建基于色彩定位的顏色識(shí)別、顏色分類（Color Sorting）和顏色檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

函數(shù)說(shuō)明及使用可參見(jiàn)幫助手冊(cè)： 

通過(guò)彩色圖像匹配檢測(cè)電路板上某一固定類型組件的數(shù)量、位置和角度的案例了解彩色模式匹配的使用方法，程序設(shè)計(jì)思路如下所示：

• 程序一開(kāi)始先將組件模板圖像讀入內(nèi)存，然后由IMAQ SetupLearn Color Pattern對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行配置，要求IMAQ Learn Color Pattern在執(zhí)行學(xué)習(xí)過(guò)程時(shí)，不僅要學(xué)習(xí)模板的顏色和形狀信息，還要同時(shí)對(duì)平移和旋轉(zhuǎn)保持不變性；

• IMAQ Setup Match Color Pattern對(duì)彩色模式匹配過(guò)程進(jìn)行配置，不僅要求同時(shí)進(jìn)行色彩和形狀匹配，還要能對(duì)旋轉(zhuǎn)保持不變性；

• While循環(huán)會(huì)逐一將待測(cè)圖像文件夾中的圖像讀入內(nèi)存，并調(diào)用IMAQ Match Color Pattern匹配模式與模板相同的4個(gè)組件，并根據(jù)返回的數(shù)量判斷檢測(cè)結(jié)果是否合格。

程序?qū)崿F(xiàn)如下所示：