時(shí)至今日，模板匹配在定位識(shí)別應(yīng)用中仍占據(jù)著絕對(duì)統(tǒng)治地位，它是工業(yè)圖像處理領(lǐng)域的重要角色之一。在機(jī)器視覺應(yīng)用中，模板匹配是一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)，模板匹配技術(shù)能夠幫助我們快速準(zhǔn)確地找到目標(biāo)圖像中的特定特征并輸出位置信息，可直接用于產(chǎn)品的定位識(shí)別，或者輔助其他檢測(cè)算法(如直線檢測(cè)、圓檢測(cè)等)做位置補(bǔ)正。為此，雷賽LeadVision視覺軟件平臺(tái)提供了快速精確的輪廓匹配算法。

　　PART 01

　　輪廓匹配概述

　　什么是輪廓匹配?

　　輪廓匹配是基于幾何特征的模板匹配算法，它是通過提取ROI區(qū)域的邊緣、角點(diǎn)、重心等特征信息作為模板，然后在檢測(cè)圖像中搜索與模板相似的目標(biāo)，并返回目標(biāo)的位置信息。輪廓匹配通常包括以下兩大數(shù)據(jù)處理步驟：

　　(1)基于圖像感興趣區(qū)域(ROI)的特定特征創(chuàng)建模板。

　　(2)通過模板在圖像中搜索與模板匹配的目標(biāo)。

　　如何選擇輪廓模板?

　　好的輪廓模板包括如下幾個(gè)條件：

　　(1)建模區(qū)域內(nèi)有效特征點(diǎn)的對(duì)比度較高，輪廓清晰完整，噪聲干擾較少。

　　(2)輪廓特征具有唯一性且在搜索角度內(nèi)對(duì)稱性較低，否則容易誤判。

　　(3)模板大小適當(dāng)，一般不超過圖像的一半。

　　噪聲多且對(duì)稱性高

　　輪廓清晰完整

　　應(yīng)用場(chǎng)景

　　1.產(chǎn)品定位

　　當(dāng)產(chǎn)品輪廓清晰可辨且對(duì)定位精度要求不苛刻的情況下，可直接使用輪廓匹配算法輸出的位置坐標(biāo)作為定位應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源。

　　2.位置補(bǔ)正

　　當(dāng)檢測(cè)生產(chǎn)線上移動(dòng)的工件時(shí)，通常難以通過預(yù)設(shè)ROI進(jìn)行諸如直線檢測(cè)、圓弧檢測(cè)、間距測(cè)量等操作，可通過輪廓匹配識(shí)別工件周邊的特征點(diǎn)，來實(shí)時(shí)跟蹤和定位工件的位置，進(jìn)而補(bǔ)正檢測(cè)ROI的位置。

　　3.計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)

　　當(dāng)產(chǎn)品具有相同的形狀特征時(shí)，可用于產(chǎn)品的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。

　　PART 02

　　LeadVision軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

　　1、目標(biāo)

　　通過輪廓匹配定位如下零件的中心位置。

　　2、創(chuàng)建工程

　　(1)新建工程

　　打開LeadVision軟件，在菜單欄選擇“工程”→“新建工程”，彈出新建工程對(duì)話框，輸入相機(jī)數(shù)、任務(wù)流程數(shù)、工程名稱和保存路徑，如下圖所示。

　　(2)相機(jī)配置在菜單欄選擇“相機(jī)”→“相機(jī)配置”，彈出相機(jī)設(shè)置對(duì)話框，本例圖像來源為本地圖像文件夾(如果實(shí)際連接了相機(jī)，此處勾選相機(jī));圖像來源路徑中輸入相對(duì)路徑(./samples/images/輪廓匹配)，當(dāng)然也可以通過打開文件對(duì)話框，選擇圖片存放的絕對(duì)路徑;其他參數(shù)按默認(rèn)配置即可，最后單擊“保存設(shè)置”，如下圖所示。注意：圖像來源路徑為相對(duì)路徑時(shí)，輸入完路徑后，需按回車生效。

　　(3)設(shè)置基準(zhǔn)圖像

　　基準(zhǔn)圖像用于配置后續(xù)各工具參數(shù)使用，每新建一個(gè)工程都需要設(shè)置基準(zhǔn)圖像。在菜單欄選擇“圖像”—》“基準(zhǔn)圖像”，彈出基準(zhǔn)圖像設(shè)置對(duì)話框。點(diǎn)擊“打開”選擇一張基準(zhǔn)圖像，然后修改基準(zhǔn)圖像的備注名稱(如基準(zhǔn)零件)，便于個(gè)人識(shí)別。

　　3、搭建流程

　　基于輪廓匹配的定位流程，整體效果如下所示，下文逐一介紹各工具的使用。

　　(1)添加“圖像采集”工具。在“工具列表”中，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊“采集圖像”，拖動(dòng)到Task1的處理流程后松開鼠標(biāo)左鍵，即實(shí)現(xiàn)該工具的加載。雙擊“圖像采集”，彈出“圖像采集”對(duì)話框，可配置該工具參數(shù)，該工具使用默認(rèn)參數(shù)即可。

　　(2)添加“輪廓匹配”工具。

       同上述操作，拖放“輪廓匹配”工具到處理流程中，雙擊配置該工具參數(shù)。如上文所述，輪廓匹配包括兩大數(shù)據(jù)處理流程，創(chuàng)建模板和搜索模板。Step1：創(chuàng)建模板在“基本設(shè)置”TAB頁中，選擇基準(zhǔn)圖像來訓(xùn)練模板區(qū)域，如下圖所示操作步驟。

       ①在“基準(zhǔn)圖像”下拉列表，選擇“1(基準(zhǔn)零件)”作為建立模板的圖像。并在“顯示圖像選擇”下拉列表框中，選中基準(zhǔn)圖像顯示。

       ②在“模板區(qū)域及掩膜區(qū)域” 下拉列表框中，選擇ROI形狀，并將ROI拖動(dòng)到需要作為模板的圖像區(qū)域。如果需要屏蔽模板區(qū)域的干擾區(qū)，可添加掩膜區(qū)域，將掩膜ROI拖動(dòng)到需要屏蔽的圖像區(qū)域。本案例模板ROI區(qū)域選擇“旋轉(zhuǎn)矩形區(qū)域”，無掩膜ROI區(qū)域。

       ③根據(jù)輪廓實(shí)際效果，設(shè)置濾波方式、邊緣梯度閾值。本案例輪廓清晰無噪點(diǎn)，所以選擇無濾波，自動(dòng)閾值即可。

       ④點(diǎn)擊訓(xùn)練模板，完成模板創(chuàng)建并觀察模板效果。建議勾選區(qū)域調(diào)整時(shí)自動(dòng)訓(xùn)練模板和顯示特征點(diǎn)，便于實(shí)時(shí)觀察ROI區(qū)域拖動(dòng)過程中提取的模板特征點(diǎn)。

　　Step2：搜索模板

　　切換到“搜索參數(shù)”TAB頁面，設(shè)置運(yùn)行時(shí)匹配模板的參數(shù)。比如，當(dāng)搜索圖像與模板相似度低時(shí)，可調(diào)低匹配閾值，提高匹配機(jī)會(huì)，但這也會(huì)增加錯(cuò)誤匹配的機(jī)會(huì)。再比如，當(dāng)匹配速度慢時(shí)，可將金字塔級(jí)別提高，以加快形狀輪廓檢測(cè)速度。本案例參數(shù)設(shè)置如下所示。

　　最后切換到“處理結(jié)果”TAB頁面，確認(rèn)能正常匹配模板，然后點(diǎn)擊“確認(rèn)”，保存輪廓匹配的所有參數(shù)。至此，該工具配置完成。參數(shù)詳情請(qǐng)查看《LeadVision用戶手冊(cè)V1.0.0.0》。

       (3)添加“結(jié)果顯示”工具

       同上述操作，拖放“結(jié)果顯示”工具到處理流程中，用于顯示運(yùn)行時(shí)零件的中心X坐標(biāo)、中心Y坐標(biāo)、角度和旋轉(zhuǎn)矩形ROI。下圖演示添加中心X坐標(biāo)的過程，其他類同。至此，基于輪廓匹配的定位識(shí)別項(xiàng)目搭建完成。

　　4、運(yùn)行結(jié)果

　　單次連續(xù)運(yùn)行“running”按鈕，試運(yùn)行流程，觀察運(yùn)行效果如下。

　　PART 03

　　匹配參數(shù)詳解

　　01、金字塔層級(jí)

　　圖像匹配是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，而金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化匹配速度。所謂金字塔就是在原圖像的基礎(chǔ)上逐級(jí)縮小圖像尺寸，例如：第一層原始圖像尺寸為 2592×1944，第二層為 1298×972，第三層為 649×486，……，如此遞減。金字塔每高一層，圖像的數(shù)據(jù)就減少4倍，圖像分辨率下降，但圖像處理速度就可提高4倍。

　　為了加速匹配過程，算法會(huì)對(duì)匹配的圖像建立圖像金字塔，采用金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像匹配，其過程如下：(1)進(jìn)行圖像壓縮，構(gòu)建各層金字塔圖像。(2)在圖像金字塔的最高層對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，并記錄下其高層匹配位置。(3)將高層的匹配位置映射到比其低一層的圖像，繼續(xù)進(jìn)行匹配，依次迭代。 (4)直到映射到最低層的圖像，即原始圖像，記錄匹配位置。該位置就是圖像的最佳匹配位置。LeadVision視覺軟件平臺(tái)在進(jìn)行輪廓匹配時(shí)，支持金字塔自動(dòng)優(yōu)化分層，自動(dòng)建立金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然金字塔層數(shù)也可以手動(dòng)設(shè)置。

　　02、匹配閾值

　　匹配目標(biāo)與已創(chuàng)建模板的相似程度，即相似度閾值，搜索時(shí)在相似度達(dá)到該閾值時(shí)才會(huì)被確認(rèn)為目標(biāo)，最大是100，表示完全契合。

　　03、搜索角度

　　設(shè)置待匹配目標(biāo)相對(duì)于已創(chuàng)建模板的搜索角度范圍。創(chuàng)建模板的特征圖形，其角度為0度。當(dāng)搜索有旋轉(zhuǎn)變化的目標(biāo)時(shí)，需根據(jù)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角度范圍設(shè)置該參數(shù)(取值范圍0°~360°或 -180~180)，否則可能導(dǎo)致匹配失敗。

　　04、匹配極性

　　匹配極性表示圖形邊緣到背景的顏色過渡情況，如從暗到明或從明到暗。默認(rèn)為考慮極性，可縮短查找時(shí)間。如果查找目標(biāo)的極性和模板的極性不一致時(shí)，仍要保證目標(biāo)被查找到，則需將該參數(shù)設(shè)置為忽略極性。

　　05、縮放比例

　　設(shè)置待匹配目標(biāo)相對(duì)于已創(chuàng)建模板的縮放比例。搜索存在尺度縮放的目標(biāo)時(shí)，需設(shè)置該參數(shù)，有效值范圍為0.8~1.2。

　　06、允許遮擋率

　　當(dāng)匹配目標(biāo)存在遮擋時(shí)，匹配對(duì)象所允許的最大遮擋比例，遮擋率小于該值的對(duì)象將被正常匹配，范圍0~0.75。