一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法与流程

本发明涉及图像拼接技术与材料交叉领域，特别是基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法。

背景技术：

1、材料显微图像拼接技术对于材料结构分析尤为重要。例如在材料显微组织三维表征的研究中，研究人员首先对材料试样进行类似ct的截面处理，得到该材料的系列截面，接下来对截面图像进行处理，最终对材料三维组织进行重构和全信息表征。材料显微图像的获取是通过摄像装置将显微镜下的光信号转换为数字图像信号，供计算机读取，但由于试样制备和观测条件等问题，造成光学显微镜单次观测区域面积远远低于需分析的大尺寸组织区域面积、制样过程对显微组织造成损伤以致难以分析等研究瓶颈，这些问题急需图像处理技术给予解决，二维材料显微组织图像处理的准确性和实时性直接影响到后续材料显微组织三维重构的研究成果。因此材料显微图像拼接技术的研究具有重要的研究价值。

2、图像拼接技术，其目的是将一系列拍摄的数字图像拼接成一幅具有宽视角和高分辨率的大场景图像。参与图像拼接的序列图像有一定的重叠区域，图像拼接技术利用图像之间的重叠区域进行配准，一种好的配准手段对拼接的质量起着至关重要的作用。目前，国内外关于图像配准、图像拼接已有不少的研究成果。

3、m.brown、d.lowe等人提出基于不变量特征的sift(scale invariant featuretransform)特征检测算法，该算法具有良好的鲁棒性，能对光照、旋转、噪音、缩放甚至仿射变换保持不变，拼接效果良好，今天有许多图像拼接的应用都是在特征检测算法的基础上实现的。但sift算法运算时间较长，匹配速度慢。bay等人提出另一种基于不变量技术的surf(speed up robust feature)特征检测算法，该算法提高了sift算法的运行速度，但精度不及sift。基于特征点的图像拼接方法，对于特征点明显的图像可以实现较高的拼接精度，但拼接速度较慢，同时面对纹理较弱的图像，基于特征点的图像拼接往往会拼接失败。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，可以快速拼接任意重叠率的材料显微图像。

2、本发明采用以下方案实现。

3、一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，包括如下步骤：

4、(1)读入参考图像和目标图像，设定上、下、左、右为材料显微图像拼接的四个方向，选定一个方向作为初始拼接方向；

5、(2)设定初始裁剪比例，按照(1)中所述初始拼接方向根据初始裁剪比例来裁剪参考图像和目标图像，得到新的参考图像和新的目标图像；

6、(3)将新的参考图像和新的目标图像进行相位相关法的计算，得到新的参考图像和新的目标图像之间的偏移量；

7、(4)根据(3)所述的偏移量计算出新的参考图像和新的目标图像的重叠区域；

8、(5)裁剪新的参考图像和新的目标图像的重叠区域，对两重叠区域进行相位相关法的计算，得到重叠区域的偏移量；

9、(6)判定(5)计算的偏移量结果，如果(5)计算的偏移量为(0,0)，则表示(3)得到的偏移量是正确的，证明拼接会成功，根据(2)中的裁剪比例和(3)得到的偏移量可以计算出参考图像和目标图像的偏移量；

10、(7)如果(5)计算的偏移量不为(0,0)，则表示(3)得到的偏移量是错误的，证明拼接失败，然后继续判定裁剪比例是否为1，若裁剪比例不为1，则增大(2)中的初始裁剪比例，重复(2)(3)(4)(5)过程，直至出现成功的情况；

11、(8)如果裁剪比例达到1，以上步骤依旧失败，则变换(1)中所述拼接方向，遍历不同图像拼接方向，重复(2)(3)(4)(5)过程，直至成功；

12、(9)如果上、下、左、右拼接方向全部遍历完毕，均失败，此时拼接方向为初始拼接方向，则表示参考图像和目标图像无重叠区域，无法拼接，拼接失败，程序返回。

13、所述步骤(1)中，若拼接人员已知图像重叠方向，可以选择对应的拼接方向，加快该方法图像拼接的速度。

14、所述步骤(2)中，初始裁剪比例设定小于10％，按照初始拼接方向裁剪固定比例参考图像得到新的参考图像，按照与初始拼接方向相反的方向裁剪固定比例目标图像得到新的目标图像。

15、所述步骤(3)中，相位相关法的原理如下：

16、假设f1(x,y)和f2(x,y)为两个图像信号，它们满足式(1)的关系(即f2(x,y)与f1(x,y)之间存在(x0,y0)的偏移量)

17、f2(x,y)＝f1(x-x0,y-y0)(1)

18、根据傅里叶变换的性质可得

19、

20、式中f1(u,v)和f2(u,v)分别为f1(x,y)和f2(x,y)的傅里叶变换。它们的互功率谱为

21、

22、(3)式中，为f1(u,v)的复共轭；的傅里叶反变换为一个二维脉冲函数δ(x-x0,y-y0)。相位相关方法就是求取式(3)的傅里叶反变换，然后找到峰值位置来确定平移参数x0和y0。

23、所述步骤(4)中，通过步骤(3)相位相关法计算出的偏移量，来进行新的参考图像与目标图像的拼接，拼接之后新的参考图像与目标图像之间有一个重叠区域。

24、所述步骤(6)中，通过步骤(5)对重叠区域进行相位相关法的计算，如果结果为(0,0)，表示重叠区域之间的偏移量为(0,0)，可证明步骤(3)相位相关法计算得到的偏移量是正确的。如果初始拼接方向为向左或者向右，则参考图像与目标图像之间y方向的偏移量不变，x方向的偏移量需要根据当前裁剪比例还原；如果初始拼接方向为向上或者向下，则参考图像与目标图像之间x方向的偏移量不变，y方向的偏移量需要根据当前裁剪比例还原。

25、所述步骤(7)中，通过步骤(5)对重叠区域进行相位相关法的计算，如果结果不为(0,0)，表示重叠区域之间存在偏移量，这与步骤(3)得到的结果是矛盾的，则表示此次裁剪比例得到的新的参考图像与目标图像不存在重叠区域，无法成功拼接，故需要依次增大初始裁剪比例，再执行步骤(2)(3)(4)(5)过程，如果出现拼接成功的情况则停止。

26、所述步骤(8)中，如果步骤(7)中裁剪比例达到1时，均未出现拼接成功的情况，则表示初始拼接方向无法成功拼接，需要变换方向继续重复增量相位相关法，由于初始拼接方向的裁剪比例从小于10％达到100％均拼接失败，变换方向后的裁剪比例达到60％后即可不再增大裁剪比例。

27、步骤(8)、(9)遍历不同图像拼接方向。

28、由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：

29、本发明方法可以快速拼接任意重叠率的材料显微图像，大大提高材料显微图像拼接的成功率和速度。

技术特征：

1.一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s1中，其中一个方向初始拼接方向，是指：

3.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s3中，相位相关法的原理如下：

4.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s2中初始裁剪比例设定小于10％，按照初始拼接方向裁剪参考图像得到新的参考图像，按照与初始拼接方向相反的方向裁剪目标图像得到新的目标图像。

5.如权利要求4所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s3中将裁剪得到的参考图像和目标图像的小区域进行相位相关法的计算。

6.如权利要求5所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s4利用小区域进行相位相关法计算的偏移量计算出理论重叠区域。

7.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s5对理论重叠区域再次进行相位相关法的计算，得到理论重叠区域的偏移量。

8.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s6和s7中，对比两次相位相关法的结果，得到参考图像和目标图像的全局偏移量或者得到拼接失败的结论。

9.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s7对参考图像和目标图像进行增量裁剪，以适应不同重叠率的参考图像和目标图像。

10.如权利要求1所述的一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，其特征在于，步骤s8中，如果步骤(7)中裁剪比例达到1时，均未出现拼接成功的情况，则表示初始拼接方向无法成功拼接，需要变换方向继续重复增量相位相关法，由于初始拼接方向的裁剪比例从小于10％达到100％均拼接失败，变换方向后的裁剪比例达到60％后即可不再增大裁剪比例。

技术总结
本发明提供了一种基于增量相位相关的材料显微图像拼接方法，步骤为：1）设定上、下、左、右四个方向；2）按照拼接方向和比例裁剪参考图像和目标图像；3）相位相关法计算；4）根据偏移量计算新的重叠区域；5）裁剪新的重叠区域，对两重叠区域进行相位相关法计算；6）若5）计算的偏移量为（0,0），根据2）的裁剪比例和3）的偏移量计算出偏移量；7）若5）计算的偏移量不为（0,0），增大2）的裁剪比例，重复2）‑5）；8）若裁剪比例为1，变换1）拼接方向，直至成功；9）若拼接方向全部遍历完毕，均失败，表示无法拼接。本发明方法可以快速拼接任意重叠率的材料显微图像，大大提高材料显微图像拼接的成功率和速度。

技术研发人员：张义春,滕广清,靳芳芳,马静超,班晓娟,谭靖,王旭
受保护的技术使用者：邯郸钢铁集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14