專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于模板匹配的煙支批量計(jì)數(shù)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像識(shí)別與計(jì)量領(lǐng)域，具體為一種基于模板匹配的煙支批量計(jì)數(shù)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
采用圖像識(shí)別的方式，達(dá)到對(duì)特定對(duì)象的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)的目的，在國(guó)內(nèi)外一些領(lǐng)域已有所應(yīng)用，但主要集中在如細(xì)胞的計(jì)數(shù)等領(lǐng)域，目前還沒(méi)有將此技術(shù)應(yīng)用于煙支的計(jì)數(shù)。煙支計(jì)數(shù)和細(xì)胞計(jì)數(shù)相比，雖然煙支形狀更為規(guī)則且類(lèi)型單一，但是由于圖像中煙支數(shù)量多、高密集性的特點(diǎn)，導(dǎo)致圖像中煙支之間粘連情況嚴(yán)重，對(duì)煙支數(shù)量的高精度計(jì)數(shù)帶來(lái)一定的困難。
目前圖像識(shí)別技術(shù)有多種處理方法，其中分割技術(shù)是基礎(chǔ)。在分割技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了許多研究，提出了基于門(mén)限(閾值)處理的分割，基于邊緣的分割、基于區(qū)域的分割、基于匹配的分割，基于形態(tài)學(xué)的分割等方法?；陂T(mén)限(閾值)處理的分割，對(duì)去除背景雜質(zhì)，將目標(biāo)和背景分離方面作用明顯，只是圖像預(yù)處理的有效手段?；谶吘壓蛥^(qū)域的分割，對(duì)顏色的分布變化要求較高，而在煙支圖像中，煙支之間粘連嚴(yán)重，使得煙葉的顏色與煙支邊緣變化不明顯，所以采用這兩種分割技術(shù)進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)并不理想?？傊?，目前一種現(xiàn)成的方法能夠適應(yīng)高精度煙支批量計(jì)數(shù)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于模板匹配的煙支批量計(jì)數(shù)方法，該具有快捷、無(wú)損和高效的特點(diǎn)；本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
本發(fā)明提供的一種基于模板匹配的煙支批量計(jì)數(shù)方法，其步驟為(1)、對(duì)獲取的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，其過(guò)程如下(1.1)將獲取到的原始灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值黑白圖像；(1.3)剔除煙框，保留煙框內(nèi)部的煙支部分的圖像；(2)、進(jìn)行模板匹配處理，其處理過(guò)程為(2.1)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素i，在i的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，D為煙支直徑，且sBi＞3*D2/4，則象素i作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)之一；然后依次以象素i的正右、正下、右下象素為煙支的中心，統(tǒng)計(jì)sB和sW的值，分別記為(sBir，sWir)；(sBid，sWid)；(sBird，sWird)；令x＝{i，ir，id，ird}，取sBx滿足上述條件且sWx值最大的象素x為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將“煙支內(nèi)區(qū)”象素清除，“煙支外區(qū)”象素按照“煙支外區(qū)清除規(guī)則”進(jìn)行清除；(2.2)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇一象素t，且在t的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有3個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，則統(tǒng)計(jì)sBt；若sBt＞2*D2/3，則象素t可作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)之一；然后依次以象素t的正右、正下、右下象素為煙支的中心，統(tǒng)計(jì)sBtr，sBtd，sBtrd；令x＝{t，tr，td，t_rd)，取sBtx最大的象素x為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將“煙支內(nèi)區(qū)”象素清除；“煙支外區(qū)”象素按照“煙支外區(qū)清除規(guī)則”進(jìn)行處理；(2.3)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素p，且在t的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有任意2個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，而另2個(gè)方向上連續(xù)的 個(gè)黑色象素?cái)?shù)都大于D/4，則統(tǒng)計(jì)sBp，若sBp＞3*D2/5，則象素p為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將D×D的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除；步驟(2.4)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素n，且在n的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有任意2個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3；另2個(gè)方向中有一個(gè)方向上依次連續(xù)的 象素中黑色象素?cái)?shù)都大于D/4，另一個(gè)方向上連續(xù)的 個(gè)象素中至少存在 個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBn，若sBn＞4*D2/7，則象素n為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將D×D的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除；步驟(2.5)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素m，且且在m的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有3個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，另1方向上連續(xù)的 個(gè)象素中至少存在 個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBm；若sBm＞4*D2/7，則m象素為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將D×D的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除；其中，sB表示“煙支內(nèi)區(qū)”所包含的黑色象素總數(shù)，sBi表示以象素i為中心時(shí)“煙支內(nèi)區(qū)”所包含的黑色象素總數(shù)；sW表示“煙支外區(qū)”所包含的白色象素總數(shù)，sWi表示以象素i為中心時(shí)“煙支外區(qū)”所包含的白色象素總數(shù)；ir表示i的正右方象素，id表示i的正下方象素，i_rd表示i的右下方象素；“煙支外區(qū)清除規(guī)則”具體為①當(dāng)煙支的某“頂角”為黑色時(shí)，若該“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”內(nèi)所有象素均為白色，則該“角”不予清除；②當(dāng)煙支某“頂角”為黑色時(shí)，若該“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”內(nèi)的象素不同時(shí)為白色，且該“頂角的外鄰區(qū)”內(nèi)所有象素均為黑色象素，則該“角”不予清除；③其他情況下“角”均置為白色；(3)、重復(fù)上述步驟(2)，對(duì)于每個(gè)符合條件的區(qū)域識(shí)別并計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)獲得該煙支圖像中的煙支總和。
符號(hào) 是指將括號(hào)內(nèi)的數(shù)向上取整數(shù)。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，其特征在于它包括計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、攝像機(jī)、煙框固定裝置、門(mén)控開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡和圖像處理卡組成；攝像機(jī)通過(guò)I/O接口與圖像處理卡相連，圖像處理卡的另一端與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連；門(mén)控開(kāi)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)包括攝像機(jī)控制模塊、圖像預(yù)處理模塊、識(shí)別計(jì)數(shù)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊；攝像機(jī)控制模塊是用于對(duì)攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；圖像預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)圖像降噪、二值化、邊框剔除處理，即用于完成上述步驟(1)的處理過(guò)程；識(shí)別計(jì)數(shù)模塊對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)，即用于完成上述步驟(2)的處理過(guò)程；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)及其計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行管理，并向其他系統(tǒng)提供接口；計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的輸出裝置將處理信息提供給用戶。
本發(fā)明通過(guò)圖像識(shí)別處理的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支的快速批量計(jì)數(shù)。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于，識(shí)別的方法是基于卷煙的幾何特征的多尺度的測(cè)量，因而該方法能夠?qū)熤D像進(jìn)行準(zhǔn)確匹配，而采用不同標(biāo)準(zhǔn)的多趟識(shí)別匹配的方式又能夠很好的避免噪聲的干擾，達(dá)到高精度識(shí)別，并且方法簡(jiǎn)單，規(guī)則易于擴(kuò)充。與現(xiàn)在普遍采用的機(jī)械計(jì)數(shù)和人工計(jì)數(shù)相比，本發(fā)明具有快捷、無(wú)損和高效的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明裝置中采用的攝像機(jī)壽命長(zhǎng)，能適應(yīng)較惡劣的環(huán)境，能夠有效節(jié)約工業(yè)成本且穩(wěn)定性能好。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為理想的煙支標(biāo)準(zhǔn)匹配模板；圖3為圖1以7×7模板為例的模板匹配中步驟1的流程圖；圖4為圖1以7×7模板為例的模板匹配中步驟2的流程圖；圖5為圖1以7×7模板為例的模板匹配中步驟3的流程圖；圖6為圖1以7×7模板為例的模板匹配中步驟4的流程圖；圖7為圖1以7×7模板為例的模板匹配中步驟5的流程圖；圖8為以7×7模板為例的模板匹配處理中“煙支外區(qū)清除規(guī)則”中的模板“角”展開(kāi)后的示意圖；圖9為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明裝置的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理步驟如下將采集到的原始灰度圖像二值化，并剔除煙框。預(yù)處理完后，再采用模板匹配進(jìn)行處理。模板匹配的處理步驟為依據(jù)煙支的大小和形狀，構(gòu)造一個(gè)D×D的矩形區(qū)域作為描述煙支的標(biāo)準(zhǔn)模板。由于噪聲的存在以及預(yù)處理階段煙支會(huì)有不同程度的缺損，使得實(shí)際煙支圖像中的一支煙并不完全和標(biāo)準(zhǔn)模板相匹配，于是制定了一系列的相似性準(zhǔn)則。在全局搜索時(shí)，考察圖像中以每個(gè)象素為中心所構(gòu)成的D×D矩形區(qū)域是否滿足相似性準(zhǔn)則，若滿足，則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)橐恢?，進(jìn)行煙支計(jì)數(shù)并對(duì)該區(qū)域予以清除；否則，繼續(xù)考察下一象素。其中相似性準(zhǔn)則是對(duì)煙支可能出現(xiàn)缺損的情況的一系列合理的組合，由于煙支排列緊密，若通過(guò)一次全局搜索來(lái)實(shí)現(xiàn)所有煙支的計(jì)數(shù)，必然會(huì)造成誤差。因此，我們將相似性準(zhǔn)則的條件按照由嚴(yán)到寬的次序，每次對(duì)圖像全局搜索運(yùn)用一個(gè)準(zhǔn)則，對(duì)滿足要求的區(qū)域計(jì)數(shù)，并予以清除，最后統(tǒng)計(jì)出煙支的總數(shù)量。
下面對(duì)各步驟作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明1、對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，其過(guò)程如下(1.1)將獲取到的原始灰度圖像，轉(zhuǎn)化為二值黑白圖像；這里根據(jù)獲取的圖像的亮度的不同，動(dòng)態(tài)選取閾值，將圖像轉(zhuǎn)化為二值黑白圖像。
(1.2)剔除圖像中煙框部分，保留煙框內(nèi)部的煙支部分。
經(jīng)過(guò)以上處理，煙支內(nèi)部的煙葉轉(zhuǎn)化為黑色，而煙支外部的雜質(zhì)均被濾去，有效的將需識(shí)別的煙葉信息和雜質(zhì)相分離。
2、采用模板匹配來(lái)進(jìn)行處理。
煙支最明顯的物理特征是其幾何形狀，表現(xiàn)在其截面近似于圓形，且煙支之間從形態(tài)上差異較小。設(shè)煙支的直徑為D，則單支煙支的圖像為直徑為D的圓形區(qū)域，本發(fā)明稱(chēng)之為“煙支內(nèi)區(qū)”；上述圓的外接矩形所構(gòu)成的D×D矩形區(qū)域中，除“煙支內(nèi)區(qū)”以外的部分，本發(fā)明稱(chēng)之為“煙支外區(qū)”；“煙支外區(qū)”被“煙支內(nèi)區(qū)”分割為四個(gè)部分，分別處在D×D矩形區(qū)域的四個(gè)端點(diǎn)位置，在本發(fā)明中每個(gè)部分都稱(chēng)之為模板的“角”；而處在矩形的左上、左下、右上及右下四個(gè)頂點(diǎn)位置的四個(gè)象素分別稱(chēng)之為“頂角”，易得出每個(gè)模板的“角”各包含一個(gè)“頂角”；“角”中除“頂角”外的其他象素，本發(fā)明稱(chēng)之為“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”；再以“頂角”為中心，做一個(gè)邊長(zhǎng)為 個(gè)象素的矩形，該矩形域中，除模板中“角”以外的部分，本發(fā)明稱(chēng)為“頂角的外鄰區(qū)”。
基于模板匹配方法原理是在分析大量煙支圖像的基礎(chǔ)上，建立一套完整的規(guī)則。設(shè)立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)煙支模板，如圖2所示，由于噪聲的存在以及預(yù)處理階段煙支會(huì)有不同程度的缺損，使得實(shí)際煙支圖像中的一支煙并不完全和標(biāo)準(zhǔn)模板相匹配，于是制定了一系列的相似性準(zhǔn)則。考察圖像中以每個(gè)象素為中心所構(gòu)成的D×D矩形區(qū)域是否滿足相似性準(zhǔn)則，若滿足，則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)橐恢煟M(jìn)行煙支計(jì)數(shù)并對(duì)該區(qū)域予以清除；否則，繼續(xù)考察下一個(gè)象素直至圖像末，最后統(tǒng)計(jì)出煙支的總數(shù)量。
本發(fā)明采用模板匹配的思想可以達(dá)到精確計(jì)數(shù)的目的。
以D＝7為例，理想的標(biāo)準(zhǔn)匹配模板為一個(gè)7×7的矩形域，如圖2(a)所示，數(shù)學(xué)模型如圖2(b)所示，其中“1”表示黑色象素，“0”表示白色象素。其中，“煙支內(nèi)區(qū)”由37個(gè)黑色象素組成；“煙支外區(qū)”由7×7矩形域中除“煙支內(nèi)區(qū)”以外的12個(gè)白色象素組成，它們用作衡量是否為最優(yōu)匹配的參數(shù)之一。在實(shí)際中，煙支的形狀會(huì)有一些不同，如“煙支內(nèi)區(qū)”可能出現(xiàn)殘缺白色象素，使“煙支內(nèi)區(qū)”的象素不全為黑色，但大多數(shù)煙支的形狀與標(biāo)準(zhǔn)匹配模板相近或相似。因而可以運(yùn)用有機(jī)推理的方式，以此模板為基準(zhǔn)，根據(jù)圖像的實(shí)際情況按照下述步驟對(duì)煙支圖像進(jìn)行匹配處理。
相關(guān)變量說(shuō)明如下(1)、sumBlack(記為sB)為“煙支內(nèi)區(qū)”所包含的黑色象素總數(shù)。sBi表示以象素i為中心時(shí)“煙支內(nèi)區(qū)”所包含的黑色象素總數(shù)。
(2)、sumWhite(記為sW)為“煙支外區(qū)”所包含的白色象素總數(shù)。sWi表示以象素i為中心時(shí)“煙支外區(qū)”所包含的白色象素總數(shù)。
(3)、ir表示i的正右方象素，id表示i的正下方象素，i_rd表示i的右下方象素。
上述象素i，象素ir，象素id及象素ird都作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行順序搜索，當(dāng)象素i滿足煙支中心點(diǎn)的要求時(shí)，再考慮象素i的8鄰域象素中的右、下、右下方三個(gè)象素的情況，并從這四個(gè)象素中選取最優(yōu)匹配點(diǎn)作為煙支中心點(diǎn)，確保精確匹配。
在本識(shí)別方法中，采用候選點(diǎn)方式達(dá)到最優(yōu)匹配的目的在步驟一和步驟二中得到應(yīng)用，這是因?yàn)槌跏级祱D像中煙支粘連情況較多，使得當(dāng)找到滿足條件一個(gè)象素時(shí)，其鄰域內(nèi)可能存在一到多個(gè)象素同樣滿足條件，且比該象素更優(yōu)，因而采用此方式可以更為準(zhǔn)確的找到煙支中心。而經(jīng)過(guò)前兩次遍歷處理后的圖像，煙支粘連情況基本消除，煙支相對(duì)獨(dú)立，后面的步驟就無(wú)需再考慮最優(yōu)匹配的問(wèn)題。
具體步驟如下步驟(2.1)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素(設(shè)為i)，在i的四方向(正上、正下、正左、正右)上都存在連續(xù)的3個(gè)黑色象素，且sBi＝37，則象素i可作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)之一；然后依次以象素i的正右、正下、右下象素為煙支的中心，統(tǒng)計(jì)sB和sW的值，分別記為(sBir，sWir)；(sBid，sWid)；(sBird，sWird)。令x＝{i，ir，id，ird}，取sBx＝37且sWx值最大的象素x為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支中心，計(jì)數(shù)器加1，并將“煙支內(nèi)區(qū)”的象素清除。該步驟流程圖如圖3所示?！盁熤鈪^(qū)”的象素的清除方法“煙支外區(qū)清除規(guī)則”。
步驟(2.2)在步驟(2.1)執(zhí)行完畢后，更換規(guī)則，進(jìn)行第二次搜索。仍依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇一個(gè)象素(設(shè)為t，t是黑色象素或白色象素)，且在t的四方向中有3個(gè)方向上分別存在連續(xù)的3個(gè)黑色象素，另1方向上存在的黑色象素?cái)?shù)任意，則統(tǒng)計(jì)sBt；若sBt＞32，則象素t可作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)之一；然后依次以象素t的正右、正下、右下象素為煙支的中心，統(tǒng)計(jì)sBtr，sBtd，sBtrd。令x＝{t，tr，td，t_rd}，取sBtx最大的象素x為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將“煙支內(nèi)區(qū)”象素清除。該步驟流程圖如圖4所示?！盁熤鈪^(qū)”象素的清除方法“煙支外區(qū)清除規(guī)則”。
步驟(2.3)在步驟(2.2)執(zhí)行完畢后，更換規(guī)則，進(jìn)行第三次搜索。依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素(設(shè)為p)，且在p的四方向中有任意2個(gè)方向上分別存在連續(xù)的3個(gè)黑色象素，而另2個(gè)方向上的連續(xù)3個(gè)象素中存在2個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBp，若sBp＞30，則象素p為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將7×7的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除。該步驟流程圖如圖5所示。
步驟(2.4)在步驟(2.3)執(zhí)行完畢后，更換規(guī)則，進(jìn)行第四次搜索。依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素(設(shè)為n)，且在n的四方向中有任意2個(gè)方向上分別有連續(xù)的3個(gè)黑色象素；另2個(gè)方向中有一個(gè)方向上依次連續(xù)的3個(gè)象素中存在2個(gè)黑色象素，另一個(gè)方向上依次連續(xù)的3個(gè)象素中存在1個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBn，若sBn＞28，則象素n為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將7×7的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除。該步驟流程圖如圖6所示。
步驟(2.5)在步驟(2.4)執(zhí)行完畢后，更換規(guī)則，進(jìn)行第五次搜索。依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素(設(shè)為m)，且在m的四方向中有3個(gè)方向上分別存在連續(xù)的3個(gè)黑色象素，另1方向上依次連續(xù)的3個(gè)象素中存在1個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBm；若sBm＞28，則象素m為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將7×7的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除。該步驟流程圖如圖7所示。
至此，匹配結(jié)束。
在同個(gè)連通區(qū)域內(nèi)的煙支之間分離不明顯時(shí)，為避免清除本煙支區(qū)域時(shí)破壞鄰近煙支的完整性，所以上述步驟(2.1)和(2.2)中采用了“煙支外區(qū)清除規(guī)則”。該規(guī)則根據(jù)具體情況對(duì)“煙支外區(qū)”進(jìn)行特殊清除處理，經(jīng)過(guò)前兩次遍歷處理后剩余煙支相對(duì)獨(dú)立，可采用直接清除7×7的矩形區(qū)域內(nèi)所有象素的方式對(duì)識(shí)別的煙支進(jìn)行清除，而不會(huì)影響其他煙支的完整性。
如圖8所示，根據(jù)上述定義可知，在該7×7矩形模板的4個(gè)端點(diǎn)位置各存在著3個(gè)緊鄰的白色象素，這3個(gè)白色象素組成的部分即為模板的“角”。如圖8所示，“角”中標(biāo)注斜線的一個(gè)象素為模板的“頂角”。以“頂角”為中心的3×3矩形中，除“頂角”外的另2個(gè)象素構(gòu)成了“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”，而在3×3矩形區(qū)域中除模板的“角”以外的部分，即為“頂角的外鄰區(qū)”。
“煙支外區(qū)清除規(guī)則”具體為①當(dāng)煙支的某“頂角”為黑色時(shí)，若該“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”內(nèi)所有象素均為白色，則該“角”不予清除。
②當(dāng)煙支某“頂角”為黑色時(shí)，若該“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”內(nèi)的象素不同時(shí)為白色，且該“頂角的外鄰區(qū)”內(nèi)所有象素均為黑色象素，則該“角”不予清除。
③其他情況下“角”均置為白色。
3、如上所述，在模板匹配處理中，對(duì)于每個(gè)符合條件的區(qū)域識(shí)別并計(jì)數(shù)，最終，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)結(jié)果，獲得該煙支圖像中的煙支總和。
以上的具體方法是針對(duì)直徑為7個(gè)象素?zé)熤У膱D像，若處理其他直徑煙支的圖像，可調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，其方法類(lèi)似。以上采用模板匹配的5個(gè)具體步驟基本思想是對(duì)圖像分多趟識(shí)別，先將最符合要求的煙支進(jìn)行識(shí)別并清除，降低未識(shí)別煙支與已識(shí)別煙支的耦合度，再轉(zhuǎn)入下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行煙支識(shí)別，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以基于本思想采用多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
如圖9所示，實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1、工業(yè)攝像機(jī)2、煙框固定裝置3、門(mén)控開(kāi)關(guān)4和數(shù)據(jù)采集卡6組成。工業(yè)攝像機(jī)2通過(guò)I/O接口與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1，門(mén)控開(kāi)關(guān)4通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡6、圖像處理卡7與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1相連。
門(mén)控開(kāi)關(guān)4用于觸發(fā)本發(fā)明裝置開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)等待狀態(tài)與執(zhí)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)煙框置入煙框固定裝置3后，觸發(fā)門(mén)控開(kāi)關(guān)4閉合，所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集卡6送入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1收到此信號(hào)后，控制工業(yè)攝像機(jī)2對(duì)實(shí)物進(jìn)行拍攝，再對(duì)從工業(yè)攝像機(jī)2讀取的圖像，并按照上述步驟對(duì)圖像進(jìn)行處理，最后輸出結(jié)果。當(dāng)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1處理完圖像數(shù)據(jù)后，其輸出裝置告知用戶一該程序處理完畢，可以將煙框從煙框固定裝置3撤出，更換下一個(gè)煙框進(jìn)行處理。
本發(fā)明裝置還可以增設(shè)信號(hào)燈5，它與信號(hào)采集卡6相連。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1控制信號(hào)燈5，給用戶提供提示信息。
圖像處理卡7從攝像機(jī)獲取原始的Bayer數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，使其變?yōu)榛叶葓D像，再將圖像數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1的輸出裝置(如顯示屏、語(yǔ)音提示裝置等)將數(shù)據(jù)處理結(jié)果返回給用戶，其包含兩類(lèi)信息一是統(tǒng)計(jì)出的煙支數(shù)量；另一類(lèi)則是在如光線不足、擺放位置有誤等特殊情況下輸出錯(cuò)誤信息，返回給用戶。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1包括工業(yè)攝像機(jī)控制模塊、圖像預(yù)處理模塊、識(shí)別計(jì)數(shù)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。工業(yè)攝像機(jī)控制模塊是用于對(duì)工業(yè)攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；圖像預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)圖像降噪、二值化、邊框剔除處理，即用于完成步驟(1)的處理過(guò)程；識(shí)別計(jì)數(shù)模塊對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)，即用于完成步驟(2)的處理過(guò)程；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)及其計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行管理，并向其他系統(tǒng)提供接口。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1控制工業(yè)攝像機(jī)拍攝，并獲取圖像數(shù)據(jù)。為防止單個(gè)煙框的多次拍攝而造成重復(fù)計(jì)數(shù)，本發(fā)明對(duì)每個(gè)煙框進(jìn)行編碼，并在煙框邊緣予以標(biāo)記。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1收到圖像后，識(shí)別編碼，并與上一個(gè)煙框的編碼進(jìn)行比較，若相同，則視為重復(fù)拍攝，報(bào)錯(cuò)；否則對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理。處理完畢完后數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊壓縮原始圖像數(shù)據(jù)，并將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)形成記錄，一并存入數(shù)據(jù)庫(kù)保存，并向其他系統(tǒng)提供接口。
計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1記錄和保存所拍攝的原始圖片和處理結(jié)果，包括每日處理的煙框數(shù)目等，作為存根，以便在需要時(shí)可方便的查詢(xún)。小型數(shù)據(jù)庫(kù)可采用SQL Server類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)。
本發(fā)明裝置運(yùn)行的工作流程如圖10所示。在裝置處于運(yùn)行態(tài)下，煙框置入煙框固定裝置后，門(mén)控開(kāi)關(guān)閉合并產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1，計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)1收到信號(hào)，控制工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，并從中獲取圖像。處理前，先將識(shí)別出的圖像中的編碼與上一圖像比較，判斷編碼是否相同，若是，則視為重復(fù)拍攝，并報(bào)錯(cuò)；否則對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理。處理步驟為先采用直方圖對(duì)曝光量進(jìn)行分析，判斷圖像的平均亮度是否符合要求，若符合則對(duì)圖像中煙支識(shí)別計(jì)數(shù)；否則調(diào)節(jié)參數(shù)，控制其再次拍攝。若二次拍攝后圖像仍不可識(shí)別，則將相關(guān)錯(cuò)誤信息返回給用戶，要求人工調(diào)節(jié)，錯(cuò)誤信息包括光線不足、擺放位置錯(cuò)誤等，待用戶調(diào)整后再重新拍攝和識(shí)別計(jì)數(shù)。當(dāng)識(shí)別計(jì)數(shù)完畢后，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)形成記錄，一并存入數(shù)據(jù)庫(kù)保存，并提示用戶已處理完畢，等待處理下一個(gè)煙框。
為了驗(yàn)證識(shí)別計(jì)數(shù)的精度，本發(fā)明選取了109幅標(biāo)準(zhǔn)的煙支圖像進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中未給出的第13、19、67因圖像采集環(huán)節(jié)光線不足未做處理，實(shí)際處理的圖像數(shù)量為106幅，實(shí)驗(yàn)最終目的是檢驗(yàn)方法的識(shí)別精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表一所示。由表一可得出基于模板匹配的方法的誤差范圍在(-0.3969％，0.5423％)，其總體誤差為0.0299％。


表一上面只是列舉了本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
。根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容，利用圖像處理技術(shù)，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種基于模板匹配的煙支批量計(jì)數(shù)方法，其步驟為(1)、對(duì)獲取的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，其過(guò)程如下(1.1)將獲取到的原始灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值黑白圖像；(1.3)剔除煙框，保留煙框內(nèi)部的煙支部分的圖像；(2)、進(jìn)行模板匹配處理，其處理過(guò)程為(2.1)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素i，在i的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，D為煙支直徑，且sBi＞3*D2/4，則象素i作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)之一；然后依次以象素i的正右、正下、右下象素為煙支的中心，統(tǒng)計(jì)sB和sW的值，分別記為(sBir，sWir)；(sBid，sWid)；(sBird，sWird)；令x＝{i，ir，id，ird}，取sBx滿足上述條件且sWx值最大的象素x為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將“煙支內(nèi)區(qū)”象素清除，“煙支外區(qū)”象素按照“煙支外區(qū)清除規(guī)則”進(jìn)行清除；(2.2)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇一象素t，且在t的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有3個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，則統(tǒng)計(jì)sBt；若sBt＞2*D2/3，則象素t可作為最優(yōu)匹配點(diǎn)的候選點(diǎn)之一；然后依次以象素t的正右、正下、右下象素為煙支的中心，統(tǒng)計(jì)sBtr，sBtd，sBtrd；令x＝{t，tr，td，t_rd}，取sBtx最大的象素x為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將“煙支內(nèi)區(qū)”象素清除；“煙支外區(qū)”象素按照“煙支外區(qū)清除規(guī)則”進(jìn)行處理；(2.3)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素p，且在t的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有任意2個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，而另2個(gè)方向上連續(xù)的 個(gè)黑色象素?cái)?shù)都大于D/4，則統(tǒng)計(jì)sBp，若sBp＞3*D2/5，則象素p為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將D×D的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除；步驟(2.4)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素n，且在n的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有任意2個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3；另2個(gè)方向中有一個(gè)方向上依次連續(xù)的 象素中黑色象素?cái)?shù)都大于D/4，另一個(gè)方向上連續(xù)的 個(gè)象素中至少存在 個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBn，若sBn＞4*D2/7，則象素n為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將D×D的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除；步驟(2.5)依照從左至右，從上至下的順序遍歷圖像，當(dāng)遇到一個(gè)黑色象素m，且且在m的正上、正下、正左、正右四個(gè)方向上有3個(gè)方向上連續(xù)的黑色象素?cái)?shù)都大于D/3，另1方向上連續(xù)的 個(gè)象素中至少存在 個(gè)黑色象素，則統(tǒng)計(jì)sBm；若sBm＞4*D2/7，則m象素為最優(yōu)匹配點(diǎn)，作為煙支的中心，計(jì)數(shù)器加1，并將D×D的煙支區(qū)域內(nèi)所有象素予以清除；其中，sB表示“煙支內(nèi)區(qū)”所包含的黑色象素總數(shù)，sBi表示以象素i為中心時(shí)“煙支內(nèi)區(qū)”所包含的黑色象素總數(shù)；sW表示“煙支外區(qū)”所包含的白色象素總數(shù)，sWi表示以象素i為中心時(shí)“煙支外區(qū)”所包含的白色象素總數(shù)；ir表示i的正右方象素，id表示i的正下方象素，i_rd表示i的右下方象素；“煙支外區(qū)清除規(guī)則”具體為①當(dāng)煙支的某“頂角”為黑色時(shí)，若該“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”內(nèi)所有象素均為白色，則該“角”不予清除；②當(dāng)煙支某“頂角”為黑色時(shí)，若該“頂角的內(nèi)鄰區(qū)”內(nèi)的象素不同時(shí)為白色，且該“頂角的外鄰區(qū)”內(nèi)所有象素均為黑色象素，則該“角”不予清除；③其他情況下“角”均置為白色；(3)、重復(fù)上述步驟(2)，對(duì)于每個(gè)符合條件的區(qū)域識(shí)別并計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)獲得該煙支圖像中的煙支總和。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于它包括計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(1)、攝像機(jī)(2)、煙框固定裝置(3)、門(mén)控開(kāi)關(guān)(4)、數(shù)據(jù)采集卡(6)和圖像處理卡(7)組成；攝像機(jī)(2)通過(guò)I/O接口與圖像處理卡(7)相連，圖像處理卡(7)另一端與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(1)相連；門(mén)控開(kāi)關(guān)(4)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(1)相連。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(1)包括攝像機(jī)控制模塊、圖像預(yù)處理模塊、識(shí)別計(jì)數(shù)模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊；攝像機(jī)控制模塊是用于對(duì)攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)；圖像預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)圖像降噪、二值化、邊框剔除處理，即用于完成上述步驟(1)的處理過(guò)程；識(shí)別計(jì)數(shù)模塊對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識(shí)別計(jì)數(shù)，即用于完成上述步驟(2)的處理過(guò)程；數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)及其計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行管理，并向其他系統(tǒng)提供接口；計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)(1)的輸出裝置將處理信息提供給用戶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于它還包括與信號(hào)采集卡相連的信號(hào)燈(5)，用于給用戶提供提示信息。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于模板匹配的煙支批量計(jì)數(shù)方法及其裝置。該方法為先對(duì)獲取的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到煙框內(nèi)部的煙支部分的圖像；再采用模板匹配方法對(duì)圖象進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)獲得該煙支圖像中的煙支總和。實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置包括計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、攝像機(jī)、煙框固定裝置、門(mén)控開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)采集卡和圖像處理卡組成；攝像機(jī)通過(guò)I/O接口與圖像處理卡相連，圖像處理卡另一端與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連；門(mén)控開(kāi)關(guān)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相連。本發(fā)明通過(guò)圖像識(shí)別處理的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙支的快速批量計(jì)數(shù)。本發(fā)明只需對(duì)二值圖像作去除明顯孤立點(diǎn)、較突兀的邊緣點(diǎn)與邊緣線條，較簡(jiǎn)單可行，且規(guī)則易于擴(kuò)充。本發(fā)明具有快捷、無(wú)損和高效的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06K9/54GK1741040SQ200510019459
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者曹計(jì)昌, 鄧禎, 楊帆, 周建瓊, 朱圣健, 呂新橋, 張澤, 吳烜輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)