1、毕 业 设 计（论文）题 目：灰度相关的图像配准算法的研究毕业设计（论文）I摘要数字图像配准是指将从同一场景拍摄的具有重叠区域的图像通过特征匹配方法，找出图像之间的对应关系。目前，图像配准技术广泛应用于医学、生物、信息处理和其它领域，它已成为图像处理应用中不可或缺的技术。本文主要主要介绍了灰度相关的配准方法，灰度相关的图像配准算法是图像配准算法中比较经典的一种，很多配准技术都以它为基础进行延伸和扩展。它是从待拼接图像的灰度值出发，对待配准图像中一块区域与参考图像中的相同尺寸的区域使用最小二乘法或者其它数学方法计算其灰度值的差异，对此差异比较后来判断待拼接图像重叠区域的相似程度，由此得到待拼接图
2、像重叠区域的范围和位置，从而实现图像配准。对位移量比较大的图像，可以先校正图像的旋转，然后建立两幅图像之间的映射关系。当以两块区域像素点灰度值的差别作为判别标准时，最简单的一种方法是直接把各点灰度的差值累计起来。另一种方法是计算两块区域的对应像素点灰度值的相关系数，相关系数越大，则两块图像的匹配程度越高。该方法的配准效果要更好，配准成功率有所提高。基于灰度相关的配准方法的优点是原理简单，直观性好，计算量较小；缺点是只适用于具有水平或者垂直位移方向上的两幅图像的配准，根据所选择的模板的不同，基于灰度相关的配准方法可以分为：线模板匹配法、比值模板匹配法和块模板匹配法。本文分别对 3 种匹配方法的算
3、法原理和具体实现进行深入研究。通过研究发现，线模板匹配法精确直观，但是它只能处理简单的平移变换下的图像配准，容易受光照的影响，不能实现图像旋转和缩放情况下的配准。比值模板匹配法算法清晰简单，容易理解，实现起来比较方便。在匹配计算的时候，计算量小，速度快；但是，不能处理旋转缩放情况下的配准。块模板匹配法能准确找到匹配点，能在小的旋转和缩放变形的情况下实现配准；但计算量较大。关键词图像配准，灰度相关，线模板匹配法，比值模板匹配，块模板匹配毕业设计（论文）IIAbstractDigital image registration is the same scene shot from the over
4、lapping region of the image by a feature matching method to find the corresponding relationship between the images. Currently, image registration techniques are widely used in medicine, biology, information processing and other area. It has become an integral part of image processing applications of
5、 technology. This paper introduces registration method based gray-correlation. The mothod is more classic one, many registration techniques are were extended and expanded based on it. It is a mosaic image from the gray value to be proceeding towards registration with the reference image in a region
6、of the same size in the image area using the least squares or other mathematical methods to calculate the gray value differences, this comparison was to determine differences overlap the image mosaic to be the degree of similarity, the resultant mosaic image to be the extent and location of overlap,
7、 in order to achieve image registration.Larger than the image of the displacement can be corrected image rotation, then establish the mapping between two images. When two regional differences in gray value of pixels as the criterion, the most simple way is to point directly to the cumulative differe
8、nce between the gray up. Another method is to calculate the two regions of gray value pixel corresponding to the correlation coefficient, correlation coefficient is larger, the higher the degree of matching two images. Effect of the method by better registration, registration has increased the succe
9、ss rate. Based on gray correlation registration method has the advantage of simple in principle, straightforward, good, less computation; disadvantage is only applicable to the direction of a horizontal or vertical displacement of two images on the registration, according to the different choice of
10、templates based on gray correlation registration method can be divided into: line template matching, template matching method and the block ratio template matching method. This paper on the line template matching, template matching method and the block ratio template matching algorithm principle and
11、 concrete achieve-depth study. It has found that line template matching method has precise visual, but it can handle only simple translation transformation of the image registration is volunerable can not be achieved in case of registration. Template matching algorithm is the ratio of clear and simp
12、le, more convenient to implement. When the matching calculation, computation speed; however, can not handle the rotation scaling in case of registration. Block template matching method can accurately find the matching points that can rotate and zoom in the small deformation registration under the si
13、tuation.Key wordsImage registration, intensity-related, line template matching method, the ratio of 毕业设计（论文）IIItemplate matching, block matching, rotating around the optical axis毕业设计（论文）IV目录第 1 章 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 图像配准方法概述 .21.3 研究现状 .31.4 研究问题及内容 .4第 2 章 图像配准基本理论 .12.1 图像配准的基本介绍 .12.2 图像配准的相关概
14、念 .12.3 灰度相关的配准方法 .5第 3 章 线匹配法 .73.1 线匹配法基本介绍及原理 .73.2 线性变换图像匹配模型 .73.3 线匹配法具体的算法实现 .73.4 实验结果和分析 .9第 4 章 比值匹配法 .114.1 比值匹配法基本介绍及原理 .114.2 比值匹配法具体的算法实现 .124.3 实验结果和分析 .12第 5 章 块匹配法 .155.1 块匹配法基本介绍及原理 .155.2 块匹配法具体的算法实现 .165.3 实验结果和分析 .16第 6 章 总结与展望 .206.1 总结 .206.2 展望 .21参考文献 .23致 谢 .24毕业设计（论文）1第 1
15、章 绪论1.1 研究背景及意义数字图像，又称数码图像或数位图像，是二维图像用有限数字数值像素的表示。通常，像素在计算机中保存为二维整数数组的光栅图像，这些值经常用压缩格式进行传输和储存。数字图像可以由许多不同的输入设备和技术生成，例如数码相机、扫描仪、坐标测量机等，也可以从任意的非图像数据合成得到，例如数学函数或者三维几何模型，三维几何模型是计算机图形学的一个主要分支。数字图像处理领域就是研究它们的变换算法。数字图像处理(Digital Image Processing)是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影
16、响:一是计算机的发展;二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善);三是广泛的农牧业、林业、环境、军事、工业和医学等方面的应用需求的增长。图像配准(Image registration)就是将不同时间、不同传感器(成像设备)或不同条件下(天候、照度、摄像位置和角度等)获取的两幅或多幅图像进行匹配、叠加的过程，它已经被广泛地应用于遥感数据分析、计算机视觉、图像处理等领域。图像配准的方法迄今为止，在国内外的图像处理研究领域，已经报道了相当多的图像配准研究工作，产生了不少图像配准方法。总的来说，各种方法都是面向一定范围的应用领域，也具有各自的特点。比如计算机视觉中的景物匹配和飞行器定位系统中的地
17、图匹配，依据其完成的主要功能而被称为目标检测与定位，根据其所采用的算法称之为图像相关等等。基于灰度信息的图像配准方法一般不需要对图像进行复杂的预先处理，而是利用图像本身具有灰度的一些统计信息来度量图像的相似程度。主要特点是实现简单，但应用范围较窄，不能直接用于校正图像的非线性形变，在最优变换的搜索过程中往往需要巨大的运算量。经过几十年的发展，人们提出了许多基于灰度信息的图像配准方法，大致可以分为三类：互相关法（也称模板匹配法） 、序贯相似度检测匹配法、交互信息法。目前主要图像配准方法有基于互信息的配准方法，基于相关性的配准方法毕业设计（论文）2和基于梯度的配准方法。其中基于梯度的方法基本很少单
18、独使用，而作为一个辅助性的测度与其它方法相结合起来使用。基于灰度的配准算法是医学图像配准研究的发展方向，也是目前研究的热点之一。基于灰度的配准方法与基于特征的配准方法的区别在于前者没有提取图像特征的步骤，直接对图像中的灰度进行处理。基于灰度的配准方法计算复杂度高、对图像的灰度、旋转、形变以及遮挡都比较敏感。灰度相关的配准方法是从待拼接图像的灰度值出发,图像拼接故而成为灰度相关的配准算法的一个基础。图像拼接(image mosaic)技术是将一组相互间重叠部分的图像序列进行空间匹配对准,经重采样合成后形成一幅包含各图像序列信息的宽视角场景的、完整的、高清晰的新图像的技术。图像拼接在摄影测量学、计
19、算机视觉、遥感图像处理、医学图像分析、计算机图形学等领域有着广泛的应用价值。灰度相关的图像配准算法在图像处理技术中起着十分关键的作用，它是图像处理技术得以发展的一个重要基础。它推动着图像处理技术在医学、生物、信息处理和其他很多高科技领域内的应用，它已渐渐发展成社会生活中不可分离的一种技术，对于图像处理技术发展及应用具有重要意义。1.2 图像配准方法概述配准技术的流程如下：首先对两幅图像进行特征提取得到特征点；通过进行相似性度量找到匹配的特征点对；然后通过匹配的特征点对得到图像空间坐标变换参数：最后由坐标变换参数进行图像配准。而特征提取是配准技术中的关键，准确的特征提取为特征匹配的成功进行提供了
20、保障。因此，寻求具有良好不变性和准确性的特征提取方法，对于匹配精度至关重要。图像配准的方式可以概括为相对配准和绝对配准两种：相对配准是指选择多图像中的一张图像作为参考图像，将其它的相关图像与之配准，其坐标系统是任意的。绝对配准是指先定义一个控制网格，所有的图像相对于这个网格来进行配准，也就是分别完成各分量图像的几何校正来实现坐标系的统一。本文主要研究大幅面多图像的相对配准，因此如何确定多图像之间的配准函数映射关系是图像配准的关键。通常通过一个适当的多项式来拟合两图像之间的平移、旋转和仿射变换，由此将图像配准函数映射关系转化为如何确定多项式的系数，最终转化为如何确定配准控制 。RCP毕业设计（论
21、文）3目 前 ， 根 据 如 何 确 定 的 方 法 和 图 像 配 准 中 利 用 的 图 像 信 息 区 别 可 将RCP图 像 配 准 方 法 分 为 三 个 主 要 类 别 ： 基 于 灰 度 信 息 法 、 变 换 域 法 和 基 于 特 征 法 ，其 中 基 于 特 征 法 又 可 以 根 据 所 用 的 特 征 属 性 的 不 同 而 细 分 为 若 干 类 别 。 以 下将 根 据 这 一 分 类 原 则 来 讨 论 目 前 已 经 报 道 的 各 种 图 像 配 准 方 法 和 原 理 。1.3 研究现状国外从 20 世纪 60 年代就开始在图像配准领域进行研究，但直到 19
22、80 年代才开始引起学者们的关注。到上世纪末，单模图像配准问题已基本解决，但多模图像配准由于涉及模式和领域的复杂性，仍需密切关注。国际上对图像配准技术曾做过调查，其结论是 1990 年代初技术就明显增加。而国内从 1990 年代初才开始涉足此领域。与灰度相关的图像配准算法是图像配准算法中比较经典的一种，很多配准技术都以它为基础进行延伸和扩展。朱近，司美玲具体阐述了用局部灰度极值方法进行多光谱图像配准算法的研究过程。针对多光谱遥感图像，提出了一种基于局部灰度极值的配准方法：通过在基准图像和待配准图像中同步寻找含有灰度极值的小区域，再用多项式对极值区域进行曲面拟合，最后，分别计算小区域的极值点作为
23、特征点进行配准。并用真实和模拟多光谱图像进行了试验结果显示该课题提出具有算法简单和配准精度高的特点。这是与灰度相关图像配准算法有关的一个扩展应用。林相波,邱天爽提出一种新的灰度和形状信息相结合的全自动同模态医学图像非刚性配准分割算法 1，将欧氏距离表示的形状信息融入基于灰度的配准算法中，构造出新的代价函数。该算法在医学图像多目标分割的应用中，能够较好地完成灰度相近、边缘模糊、间距较小的不同结构的分割，结果表明，该算法优于基于灰度信息的图像配准算法。张密,吴效明阐述图像配准在放疗中应用的关键问题 2，对基于灰度的 3 种配准方法的性能做深入研究，包括均方测度、归一化相关测度以及互信息测度。方法：
24、分析各配准要素的算法原理后，基于 加以实现，提出使用综合配准C误差来评价不同配准算法的性能，并与传统目标配准误差的评价结果作对比。结果：3 种测度都能对近模态的图像实施准确的配准，其中互信息测度驱动的配准在配准精度和速度上表现更为稳定，综合配准误差仅为另外两个测度的一半左右。它的结论得出利用综合配准误差得到的评价结果更为客观，互信息测度是放疗中实施配准的较理想测度。毕业设计（论文）4在医学、生物、信息处理和其他很多高科技领域内图像配准技术越来越显示出它的重要性，将会越来越受到人们的关注。在现今的科技水平上，图像配准未来的发展趋势也会更好。本文主要主要介绍了灰度相关的配准方法是从待拼接图像 3的
25、灰度值出发，对待配准图像中一块区域与参考图像中的相同尺寸的区域使用最小二乘法或者其它数学方法计算其灰度值的差异，对此差异比较后来判断待拼接图像重叠区域的相似程度，由此得到待拼接图像重叠区域的范围和位置，从而实现图像拼接。也可以通过 变换将图像由时域变换到频域，然后再进行配准。对位FT移量比较大的图像，可以先校正图像的旋转，然后建立两幅图像之间的映射关系。当以两块区域像素点灰度值的差别作为判别标准时，最简单的一种方法是直接把各点灰度的差值累计起来。这种办法效果不是很好，常常由于亮度、对比度的变化及其它原因导致拼接失败。另一种方法是计算两块区域的对应像素点灰度值的相关系数，相关系数越大，则两块图像
26、的匹配程度越高。该方法的拼接效果要好一些，成功率有所提高。根据所选择的模板的不同，基于灰度相关的配准方法可以分为：线匹配法、比值匹配法和块匹配法。1.4 研究问题及内容本文在分析了灰度相关的图像配准算法中的线匹配法、比值匹配法和块匹配法，利用这三种方法分别实现两幅图像在水平垂直位移上的配准，而本课题研究的内容是提出一种基于灰度相关的算法，不仅能实现两幅图在水平和垂直位移的配准，同时也能实现在绕光轴旋转情况下的图像配准。这里提出了一种方法，多尺度模块匹配法。在这三种匹配的环境下，它能实现水平垂直位移上的匹配、缩放以及旋转。同时通过在Matlab编程环境下编程实现相关算法，通过实际图像的配准试验，
27、利用这些结论最终得到精确地配准结果。毕业设计（论文）1第 2 章 图像配准基本理论2.1 图像配准的基本介绍2.1.1 图像配准的描述图像配准是对取自不同时间，不同传感器或不同视角的同一场景的两幅图像或者多幅图像匹配的过程。图像配准广泛用于多模态图像分析，是医学图像处理的一个重要分支，也是遥感图像处理，目标识别，图像重建，机器人视觉等领域中的关键技术之一，也是图像融合中要预处理的问题，待融合图像之间往往存在偏移、旋转、比例等空间变换关系，图像配准就是将这些图像变换到同一坐标系下，以供融合使用。2.1.2 图像配准的定义对于二维图像配准可定义为两幅图像在空间和灰度上的映射 4，如果给定尺寸的二维
28、矩阵 和 代表两幅图像， 和 分别表示相应位1F21(,)FXY2(,)置 上的灰度值，则图像间的映射可表示为： ,(,)XY 1()GFHXY式中 表示一个二维空间坐标变换，即 ，且 是一维灰度变H(,)(,)H换。2.1.3 图像配准的步骤图像配准的基本过程可以分为三个步骤：第一步是为每一个图像信息模式各定义一个坐标系 ，然后再定义这些参考特征之间的失调或相似函数；(,)FXY第二步是分割出图像的参考特征，再定义这些参数特征之间的失调或相似函数；第三步是应用优化算法，使第二步中失调（相似）函数达到全局最小（最大）值，达到两幅图像的配准。其中参考特征和对应优化算法的选择是配准的核心，也是不同配准算法的差异所在。2.2 图像配准的相关概念2.2.1 配准基准通常，图像配准中根据配准基准的特性，可分为基于外部基准的配准和基于内部基准的配准 5，外部基准是指强加于待配准对象的各种人造标记，这些标记必须在各种配准模式中都清晰可见且可准确检测到。内部基准是指由图像
