基于金字塔的模板匹配算法

模板匹配是目标检测的一种方法,通过滑动窗口遍历源图像并计算与模板的相似性。基于金字塔的模板匹配能提高效率,包括创建多层金字塔图像,降采样后使用平滑滤波器,以及选择合适的相似性度量如SAD、SSD或NCC。NCC虽计算复杂但效果最佳,尤其适应光照变化。理解算法流程后可实现代码,实现快速目标定位。

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  在目标检测过程中,常用的方法就是设置一个模板,以滑动窗口的形式遍历整幅源图像(待检测的图像);每次滑动都会产生一个和模板等大小的ROI图像,基于某种度量方式,计算模板与当前ROI图像的相似性度量值。这样遍历完整幅图像后就会形成一个图像,找出最大值对应的位置(x,y),它就是我们要寻找的目标的位置。

  上面是模板匹配大致的步骤,当源图像很大,遍历完整幅图像很耗时,故提出了基于金字塔的模板匹配方法,下面是该方法涉及到几点:

  (1) 设置金字塔层数nLevels,创建源图像和模板图像对应的nLevels层金字塔图像;

  (2) 创建每层金字塔图像时,涉及到降采样(除以2),降采样后会出现锯齿,需要采用平滑滤波器进行处理;高斯平滑滤波器效果好但耗时,可以直接采用小模板的均值滤波器;

  (3) 计算模板与ROI图像的相似性值时,需要选择相似性度量准则;相似性度量准则有SAD(绝对值总和),SSD(平方差总和)和NCC(归一化相关系数),NCC的计算最耗时但效果最好,能很好的适应光照变化。

  理解了大致的流程和涉及到的操作后,可以直接写代码,金字塔匹配算法如下:

  1 function [r,c,nccImg] = pyramidMatch(img, template, nLevels)
  2 % -------------------------------------------------------------------------
  3 % 采用金字塔匹配算法进行模板匹配
  4 %
  5 % 过程:(1)为待匹配的图像和模板图像创建nLevels层金字塔图像
  6 %       (2)从金字塔最高层开始进行匹配,最高层的要完全扫描匹配,得到的最佳匹配位置
  7 % 后向下层传递(乘以2);根据传递的位置,在5*5的窗口范围内进行扫描匹配,如此这样
  8 % 直到最低层。
  9 %       (3)匹配时采用的相似性度量为归一化相关系数
 10 %       (4)创建金字塔时进行了降采样(除2),然后用2*2的平滑滤波器进行了处理
 11 % 
 12 % img-- 源图像(这里假设为灰度图)
 13 % template-- 模板图像(假设为灰度图)
 14 % nLevels-- 金字塔层数
 15 % @r,c-- 源图像中最匹配的位置
 16 % @nccImg-- 进行金字塔匹配时每层对应的归一化相关系数图像
 17 %
 18 % Author: L.L.He
 19 % Time: 26/7/2014
 20 %%-------------------------------------------------------------------------
 21 imshow(img);
 22 hold on;
 23 [t_r,t_c] = size(template);
 24 nccImg = cell(nLevels, 1);
 25 % 这里计算待匹配图像和模板的图像金字塔
 26 nStep = 2; %5*5
 27 srcPrad = pyramid(img, nLevels);
 28 temPrad = pyramid(template, nLevels);
 29 [r,c,nccImg{nLevels}] = matchTemplate(srcPrad{nLevels}, temPrad{nLevels});
 30 for i=nLevels-1:-1:
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