專利名稱：一種獲得差分圖像的預處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種獲得差分圖像的預處理技術，特別是一種對輸入的兩幅發(fā)生特定變形的數(shù)字圖像，逐步進行圖像橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形的恢復處理，實現(xiàn)圖像重合，最終得到可差分的兩幅圖片的方法。所述發(fā)生特定變形是指圖像僅發(fā)生了橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形中的一種或多種，且橫、縱向拉壓變形的發(fā)生在最后。采用該方法，可以快速進行圖像的自動比對、恢復，通過此方法進行預處理的圖片經(jīng)過差分可得到清晰的差分圖像。在需要對同一客體進行多次拍照時，往往由于拍照中無法避免的客觀條件的變化，而使得各次拍照的圖片上的圖像出現(xiàn)變形、移動等現(xiàn)象，因此，無法通過圖像比對找出被拍照客體的本身變化。對此，可以運用本發(fā)明進行有效的恢復處理。

背景技術：
數(shù)字圖像差分技術廣泛應用于醫(yī)學、制造業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)等領域之中，用于實現(xiàn)運動估算、缺陷檢測和圖像識別等功能。要對數(shù)字圖像進行圖像差分，前提便是兩幅圖像上對應像素點的坐標相同，由于操作者的原因，或是成像的原因等，使得兩張照片上的圖像很難不發(fā)生變形而完全重合，這就造成了差分在實現(xiàn)上的障礙，若要進行圖像差分，就必須先對圖像的變形進行恢復處理，實現(xiàn)圖像的重合。目前的軟件圖像差分技術對于差分前圖像變形的恢復處理，可分為以下幾種情況 1.僅能對完全重合、無變形的圖像進行圖像差分。
2.僅局限于對圖像進行平移變形的恢復處理，然后進行圖像差分。
3.采用對圖像進行數(shù)值計算的方法(如傅立葉變換像的振幅譜等)進行差分，因而可以不用進行圖像位置調(diào)整的預處理。
對于數(shù)字圖像而言，上述的方法存在的問題如下 1.能夠進行差分處理的圖像具有一定的局限性，對進行差分的圖像具有與參考圖像完全重合或僅發(fā)生平移變形的要求； 2.采用數(shù)值計算的方法，雖然避開了圖像變形的還原處理，但也帶來了復雜的數(shù)學計算和處理速度慢的問題等新的問題。
所以，對于數(shù)字圖像差分的實現(xiàn)，需要一種可以自動對多種圖像變形進行快速的自動比對、識別和恢復處理的預處理技術。常見圖像的變形主要有橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形，本發(fā)明提出了針對此三類變形的圖像差分預處理的方法。同時圖像也可能存在著扭曲和輻射狀畸變等多種形式的變形，本方法不適合于處理這些形式的變形。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有數(shù)字圖像差分技術中存在的缺陷或不足，提供一種獲得差分圖像的預處理方法，采用該方法，可以對輸入的兩幅發(fā)生特定變形的數(shù)字圖像，按照一定的步驟，快速進行圖像變形的恢復處理，實現(xiàn)圖像重合，以利于獲得清晰的差分圖像。
所述發(fā)生特定變形是指圖像僅發(fā)生了橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形中的一種或多種，且橫、縱向拉壓變形的發(fā)生在最后或者可以假設發(fā)生在最后。利用該方法，通過VisualBasic等軟件進行編程，便可以快速對數(shù)字圖像進行自動的比對、恢復和差分。
本發(fā)明的技術方案如下 一種獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1，確定需要進行差分處理或需要實現(xiàn)圖像重合的兩幅圖像，并將其中一幅作為參考件圖像，另一幅作為待差分圖像； 步驟2，從兩幅圖像中確定相應的兩個待差分區(qū)域； 步驟3，按照同一性對應的原則，在每個待差分區(qū)域中選取三個特征點，各自連成三角形，即參考件三角形和待差分三角形； 步驟4，處理待差分圖像的橫/縱向拉壓變形，通過反向拉壓使得待差分三角形與參考件三角形的對應邊相等，得到一幅剩下旋轉(zhuǎn)和平移變形的第一過渡圖像； 步驟5，處理第一過渡圖像的旋轉(zhuǎn)變形，通過反向旋轉(zhuǎn)使得待差分三角形與參考件三角形的對應邊相平行，得到一幅剩下平移變形的第二過渡圖像；或者，處理第一過渡圖像的平移變形，通過反向平移使得待差分三角形與參考件三角形的一個對應頂點坐標點相同，得到一幅剩下旋轉(zhuǎn)變形的第二過渡圖像； 步驟6，針對剩下平移變形的第二過渡圖像，通過反向平移使得待差分三角形與參考件三角形的對應頂點重合，即實現(xiàn)圖像重合；針對剩下旋轉(zhuǎn)變形的第二過渡圖像，通過反向旋轉(zhuǎn)使得待差分三角形與參考件三角形的對應邊重合，即實現(xiàn)圖像重合。
所述步驟2中的待差分區(qū)域可以為整幅圖像或一部分。
所述步驟3中的三個特征點，其分布與待差分區(qū)域的大小相匹配。
所述步驟3中的三角形是一個銳角三角形。
對于所述步驟5中得到的第二過渡圖像，將其與參考件圖像進行比較，得出兩者的公共區(qū)域，并將非公共區(qū)域剪裁掉。
所述差分圖像是指將兩幅圖像對應像素點的RGB值進行異或運算后得到的圖像。
本發(fā)明的技術效果如下 1.實現(xiàn)了經(jīng)過特定變形的圖像的恢復處理。
2.實現(xiàn)了經(jīng)過特定變形的圖像的與參考圖像的便捷的差分處理。
通過圖像變形的恢復操作，可以快速對輸入圖像自動依次進行橫、縱向拉壓、旋轉(zhuǎn)和平移變形恢復處理，實現(xiàn)圖像重合，然后進行圖像差分，得到差分圖像。
本發(fā)明將差分的基礎圖像稱為參考件，不論待差分圖像相對于參考件是否發(fā)生有相對變形，發(fā)生有怎樣的相對變形，均按照一定的步驟，逐步對待差分圖像進行橫、縱向拉壓、旋轉(zhuǎn)以及平移的恢復處理，使待差分圖像與參考件上圖像的待差分區(qū)域完全重合，然后可以很方便地對這部分進行差分，獲得清晰的差分圖像。



圖1是待處理圖像示意圖，圖1(b)相對于圖1(a)有平移、旋轉(zhuǎn)以及橫、縱向拉壓變形。
圖2是參考點點取示意圖，圖2(a)中和圖2(b)中各有符合同一性對應原則的三個特征點。
圖3是拉壓恢復處理示意圖，對照圖3(a)，圖3(b)經(jīng)過了橫、縱向拉壓恢復處理。
圖4是兩圖像(圖4(a)和圖4(b))相對于X軸正向夾角示意圖。
圖5是旋轉(zhuǎn)恢復處理示意圖，對照圖5(a)，圖5(b)經(jīng)過了旋轉(zhuǎn)恢復處理。
圖6是平移恢復處理示意圖，圖6(a)中和圖6(b)中深灰色部分為裁減掉區(qū)域。
圖7是平移恢復處理后示意圖，圖7(a)和圖7(b)實現(xiàn)了圖像重合。
圖8是差分后圖像示意圖。
圖9是電路板參考件圖像示意圖。
圖10是與圖9相同電路板的待差分圖像示意圖。
圖11是圖9和圖10經(jīng)過差分及后處理后圖像示意圖。
圖12是圖像變形順序示意圖。
圖13是圖像變形恢復處理順序示意圖。
圖14是實施本發(fā)明預處理的差分圖像方法流程圖。

具體實施例方式 以Visual Basic編寫的程序為例介紹本發(fā)明所述方法的軟件實現(xiàn)方式。
1.輸入兩幅圖像 輸入?yún)⒖技c待預處理的圖像。如圖1(a)和圖1(b)，圖1(a)和圖1(b)為同一客體不同時間的兩幅照片，其中由于兩次拍照中不可避免的客觀因素導致兩次照片由發(fā)生了特定的變形，圖1(b)相對圖1(a)發(fā)生了平移、旋轉(zhuǎn)以及橫、縱向拉壓變形。同時由于是不同時間的兩幅照片，被拍照的客體自身發(fā)生了變化，如圖1(b)右下角出現(xiàn)了一條斜線。兩幅圖像尺寸相同，長度均為g，寬度均為h。(b)圖相對于(a)圖有平移、旋轉(zhuǎn)以及橫、縱向拉壓變形。
2.點取參考點 分別在圖1(a)和圖1(b)上點取P1、Q1和R1三點和P2、Q2和R2三點，其中P1和P2、Q1和Q2、R1和R2分別互相對應，即為兩幅圖像上圖形的相同位置的點。
如圖2所示，點取完成后獲得六組點的坐標值，即P1(a1，b1)，Q1(c1，d1)，R1(e1，f1)和P2(a2，b2)，Q2(c2，d2)，R2(e2，f2)。
參考點的點取需注意 1)兩幅圖像上每個參考點的點取都須準確，即必須準確點取兩幅圖像的圖形上位置相同的點。
2)每幅圖像上三個參考點的選取應盡量分布于整個待差分區(qū)域。
3)每幅圖像上三個參考點應盡可能構(gòu)成一個銳角三角形。
3.橫、縱向拉壓恢復處理 設對圖2(b)進行拉、壓恢復處理后，圖2(b)上各點橫坐標變化為原來的m倍，縱坐標變化為原來的n倍(m、n未知待求)，P2(a2，b2)，Q2(c2，d2)，R2(e2，f2)變?yōu)槿鐖D3(b)所示的P3(a3，b3)，Q3(c3，d3)和R3(e3，f3)，坐標表達式為 a3＝a2×m b3＝b2×n c3＝c2×m d3＝d2×n e3＝e2×m f3＝f2×n 由P1Q1＝P3Q3，P1Ri＝P3R3，可得兩個關系式 (a1-c1)2+(b1-d1)2＝(a3-c3)2+(b3-d3)2 (a1-e1)2+(b1-f1)2＝(a3-e3)2+(b3-f3)2 進一步化簡得 (a1-c1)2+(b1-d1)2＝m2×(a2-c2)2+n2×(b2-d2)2 (a1-e1)2+(b1-f1)2＝m2×(a2-e2)2+n2×(b2-f2)2 由這兩個方程可求出m和n，即 進而可將圖2(b)各點的橫坐標和縱坐標分別變?yōu)樵瓉淼膍和n倍，生成一幅新圖像，圖3(b)，即完成橫、縱向拉壓恢復處理，圖3(b)長度變?yōu)間*m，寬度變?yōu)閔*n。圖3(b)相對圖3(a)(即原始參考圖)已無橫、縱向拉壓變形。
4.旋轉(zhuǎn)恢復處理 在圖4(a)隨意選取邊P1R1，設P1R1和與X軸正向夾角為α，在圖4(b)上選取具有相同位置的邊P3R3，設P3R3與X軸正向夾角為β，故有 α＝arctan((f1-b1)/(e1-a1)) β＝arctan(((f2-b2)×n)/((e2-a2)×m)) 則再令γ＝|α-β|。使圖3逆時針旋轉(zhuǎn)過一個角度γ，生成一幅新圖像，即完成旋轉(zhuǎn)恢復處理。圖4(b)的長度g1和h1表達式如下 g1＝g×m×cosγ+h×n×sinγ h1＝g×m×sinγ+h×n×cosγ 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)恢復變形，圖3(b)上的P3(a3，b3)點在圖4(b)上變?yōu)镻4(a4，b4)，坐標表達式為 a4＝a2×m×cosγ+b2×n×sinγ b4＝b2×n/cosγ+(g×m-a2×m-b2×n×tanγ)×sinγ 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后的圖像，如圖5(b)所示，圖5(b)相對圖5(a)(即原始參考圖)已無旋轉(zhuǎn)變形。
5.平移恢復處理 圖6(a)(即原始參考圖)上P1和P4的坐標分別為(a1，b1)和(a4，b4)，設圖6(a)和圖6(b)上所要保留的矩形區(qū)域的左上頂點坐標分別為(i1，j1)和(i2，j2) 若a1＜a4，則i1＝0，i2＝a4-a1，否則i1＝a1-a4，i2＝0； 若b1＜b4，則j1＝0，j2＝b4-b1；否則j1＝b1-b4，j2＝0。
再設圖6(a)和圖6(b)上所要保留的矩形區(qū)域的長度和寬度分別為g2和h2 若(g-i1)＜(g1-i2)，則g2＝g-i1，否則g2＝g1-i2； 若(h-j1)＜(h1-j2)，則h2＝h-j1，否則h2＝h1-j2。
然后分別將圖6(a)上左上頂點為(i1，j1)，長度和寬度分別為g2和h2，以及圖6(b)上左上頂點為(i2，j2)，長度和寬度分別為g2和h2的兩個矩形區(qū)域以外的圖像裁減掉，即得到圖形上對應點的坐標完全相同的兩幅圖像，如圖7所示。
如圖7所示，圖7(b)相對圖7(a)(即原始參考圖)已無平移變形。
6.經(jīng)過以上步驟，圖像變形的恢復處理全部完成，即圖像差分前的預處理全部完成。待差分圖像與參考圖像上對應點的坐標已經(jīng)完全相同。
7.圖像差分 進行圖像差分及去噪聲、二值化等后處理。完成后輸出一幅凸現(xiàn)了圖1(a)和圖1(b)不同時間客體自身差異的圖像圖8。
8.獲得電路板差分圖像的示例 圖9是電路板參考件圖像示意圖。圖10是與圖9相同電路板的待差分圖像示意圖。比較圖9和圖10，圖10中出現(xiàn)了黑斑分布。
圖11是圖9和圖10經(jīng)過差分及后處理后圖像示意圖。從圖11中的黑斑分布可以看出，圖9和圖10的顯著不同處位于待差分區(qū)域的左側(cè)。
圖12是圖像變形順序示意圖。這里記載的圖像變形順序設定為平移變形-旋轉(zhuǎn)變形-橫、縱向拉壓變形。事實上，這三種變形，在實際圖像上是以疊加的效果出現(xiàn)的。
圖13是圖像變形恢復處理順序示意圖。這里是針對圖12的圖像變形順序設定進行恢復處理的反向操作拉壓處理-旋轉(zhuǎn)處理-裁減處理(包括平移處理)。
圖14是實施本發(fā)明預處理的差分圖像方法流程圖。這里記載了一般流程輸入兩幅圖像-點取參考點-拉壓恢復處理(拉壓處理)-旋轉(zhuǎn)恢復處理(旋轉(zhuǎn)處理)-裁減處理(平移恢復處理)-差分處理-平滑處理(去噪聲)-二值化處理-保存圖像。
本發(fā)明提供一種可以對輸入的兩幅發(fā)生特定變形的數(shù)字圖像，按照一定的步驟，快速進行圖像變形的恢復處理，實現(xiàn)圖像重合的差分圖像的預處理方法。所述發(fā)生特定變形是指圖像僅發(fā)生了橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形中的一種或多種且橫、縱向拉壓變形的發(fā)生在最后。采用該方法，通過Visual Basic等軟件進行編程，便可以快速對數(shù)字圖像進行自動的比對、恢復和差分。
本發(fā)明所解決的問題在于 1.實現(xiàn)了經(jīng)過特定變形的圖像的恢復處理。
2.實現(xiàn)了經(jīng)過特定變形的圖像的與參考圖像的便捷的差分處理。
首先本說明中將差分的基礎圖像稱為參考件圖像圖1(a)，不論待差分圖像(稱為圖1(b))相對于參考件是否發(fā)生有相對變形，發(fā)生有怎樣的相對變形，均按照一定的步驟，逐步對圖1(b)進行橫、縱向拉壓、旋轉(zhuǎn)以及平移的恢復處理，使圖1(b)與參考件上圖像的待差分區(qū)域圖完全重合，然后對這部分進行差分。
本發(fā)明的實施如下 1.將圖1(b)上的圖像相對于參考件所發(fā)生的變形界定為平移、旋轉(zhuǎn)以及橫、縱向拉壓這三種。
2.明確這三種變形發(fā)生在時間上的先后次序，上文所涉及的三種變形，雖然在實際圖像上是以疊加的效果出現(xiàn)的，實際上，它們在發(fā)生上有先后的次序，本發(fā)明中的特定變形是指橫、縱向拉壓變形的發(fā)生在最后。而由于圖像的平移和旋轉(zhuǎn)變形無先后順序的區(qū)別，為了便于圖像變形恢復處理算法的確定，我們不妨假設平移首先發(fā)生，然后是旋轉(zhuǎn)。
3.圖像差分前對這三種變形的還原處理按其發(fā)生的逆順序進行，即首先處理橫、縱向拉壓變形，消除圖像變形中的橫、縱向拉壓效果，得到一幅剩下旋轉(zhuǎn)和平移效果的過渡圖像1；然后處理旋轉(zhuǎn)變形，消除過渡圖像1上的旋轉(zhuǎn)效果，得到一幅剩下平移效果的過渡圖像2；最后處理平移變形。
圖像上若有某種變形，則做針對該種變形的恢復處理后，該種變形便會消除；若沒有這種變形，做針對該種變形的恢復處理后，圖像會保持原樣。故本方法圖像變形恢復處理算法的思路為不管圖像相對于參考件是否發(fā)生有相對變形，發(fā)生有怎樣的相對變形，均按照一定的步驟，逐步對圖像進行橫、縱向拉壓、旋轉(zhuǎn)以及平移的恢復處理，使兩幅圖像的待差分區(qū)域完全重合； 4.以圖像左上角為原點，向右為X軸正方向，向下為Y軸正方向，圖1(a)和圖1(b)上各建立一個坐標系； 5.在對圖像變形進行還原處理之前，首先要點取參考點，根據(jù)三點確定一個平面的原理，在參考件上取三個點設為P1、Q1和R1，同時在待處理圖像上選取與參考件圖形相同的三點設為P2、Q2和R2，點取完成后獲得這六個點的坐標值，即可獲取圖像相對于參考件的變形信息，便可進行之后的圖像變形恢復處理操作； 6.橫、縱向拉壓恢復處理根據(jù)參考點坐標求出線段P1Q1和P1R1的長度，再設對圖2進行拉、壓恢復處理后，圖2上各點橫坐標變化為原來的m倍，縱坐標變化為原來的n倍(m、n未知待求)，P2、Q2和R2變?yōu)镻3、Q3和R3，求出P3Q3和P3R3的長度后有P1Q1＝P3Q3，P1R1＝P3R3，由兩個關系式可求出m和n，進而可將圖2各點的橫坐標和縱坐標分別變?yōu)樵瓉淼膍和n倍得到圖3，即完成橫、縱向拉壓恢復處理； 7.旋轉(zhuǎn)恢復處理設P1Q1和P3R3與X軸正向夾角分別為α和β，再令γ＝α-β，將圖3繞其中心順時針旋轉(zhuǎn)角度γ得到圖4，即可將兩圖上圖形在角度上化為相同，此時P3變?yōu)镻4； 8.裁減(平移恢復)處理分別比較P1與P4的橫、縱坐標，以及參考件與圖4的長度和寬度，求出兩圖的公共區(qū)域，并將非公共區(qū)域剪裁掉，即可得到圖形上對應點的坐標完全相同的兩幅圖像圖5和圖6，圖像變形的恢復處理即全部完成； 9.圖像差分對圖5和圖6對應像素點的RGB(三原色)值進行異或運算，輸出一幅差分后的圖像圖7，圖像差分即完成； 通過圖像變形的恢復操作，可以快速對輸入圖像自動依次進行橫、縱向拉壓、旋轉(zhuǎn)和平移變形恢復處理，實現(xiàn)圖像重合，然后進行圖像差分，得到差分圖像。
權(quán)利要求
1.一種獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于包括以下步驟
步驟1，確定需要進行差分處理或需要實現(xiàn)圖像重合的兩幅圖像，并將其中一幅作為參考件圖像，另一幅作為待差分圖像；
步驟2，從兩幅圖像中確定相應的兩個待差分區(qū)域；
步驟3，按照同一性對應的原則，在每個待差分區(qū)域中選取三個特征點，各自連成三角形，即參考件三角形和待差分三角形；
步驟4，處理待差分圖像的橫/縱向拉壓變形，通過反向拉壓使得待差分三角形與參考件三角形的對應邊相等，得到一幅剩下旋轉(zhuǎn)和平移變形的第一過渡圖像；
步驟5，處理第一過渡圖像的旋轉(zhuǎn)變形，通過反向旋轉(zhuǎn)使得待差分三角形與參考件三角形的對應邊相平行，得到一幅剩下平移變形的第二過渡圖像；或者，處理第一過渡圖像的平移變形，通過反向平移使得待差分三角形與參考件三角形的一個對應頂點坐標點相同，得到一幅剩下旋轉(zhuǎn)變形的第二過渡圖像；
步驟6，針對剩下平移變形的第二過渡圖像，通過反向平移使得待差分三角形與參考件三角形的對應頂點重合，即實現(xiàn)圖像重合；針對剩下旋轉(zhuǎn)變形的第二過渡圖像，通過反向旋轉(zhuǎn)使得待差分三角形與參考件三角形的對應邊重合，即實現(xiàn)圖像重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于所述步驟2中的待差分區(qū)域可以為整幅圖像或一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于所述步驟3中的三個特征點，其分布與待差分區(qū)域的大小相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于所述步驟3中的三角形是一個銳角三角形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于對于所述步驟5中得到的第二過渡圖像，將其與參考件圖像進行比較，得出兩者的公共區(qū)域，并將非公共區(qū)域剪裁掉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得差分圖像的預處理方法，其特征在于所述差分圖像是指將兩幅圖像對應像素點的RGB值進行異或運算后得到的圖像。
全文摘要
本發(fā)明提供一種獲得差分圖像的預處理技術，特別是一種對輸入的兩幅發(fā)生特定變形的數(shù)字圖像，逐步進行圖像橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形的恢復處理，實現(xiàn)圖像重合，最終得到可差分的兩幅圖片的方法。所述發(fā)生特定變形是指圖像僅發(fā)生了橫、縱向拉壓變形、旋轉(zhuǎn)變形和平移變形中的一種或多種，且橫、縱向拉壓變形的發(fā)生在最后。其特征在于輸入兩幅圖像，不管兩幅圖像間有無相對變形，有什么相對變形，均對第二幅圖像依次進行針對橫、縱向拉壓、旋轉(zhuǎn)以及平移這三種變形的恢復處理，使兩圖的公共部分完全重合，然后進行圖像差分，輸出一幅凸現(xiàn)出兩張照片公共部分相異部位的圖像。采用該方法便可以對輸入的照片進行自動的比對、恢復和差分，獲得清晰的差分圖像。
文檔編號H04N1/387GK101150651SQ200710176609
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者謝勁松, 昕 雷, 馬靜華, 何晶靖, 勤 劉 申請人:北京航空航天大學, 北京綠安依科技有限公司