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原理

彩色模式匹配（Color Pattern Matching）基于目標圖像的色彩和空間分布特征（如形狀、尺寸等），綜合色彩匹配和灰度圖像模式匹配技術，來快速定位圖像中的彩色模式。

色彩匹配將模板圖像與待測圖像或其中某一區(qū)域的顏色進行比較，判斷它們是否相同或相近。圖像或模板中的顏色信息可以由一種或多種顏色構成，色彩匹配過程會根據各種顏色像素的數量統(tǒng)計信息生成色譜，以簡化匹配過程。色彩匹配過程執(zhí)行之前，需要明確模板和待比較圖像區(qū)域所在的位置。

色彩定位功能對色彩匹配進行增強和擴展，以快速定位圖像中的特定顏色區(qū)域。它先通過下采樣和步進搜索的方法快速確定可能的候選匹配位置，然后再對各個候選區(qū)域進行精細色彩匹配，以最終確定最佳色彩匹配位置。這種由粗到細的搜索方法對于在圖像中尋找與模板圖像具有類似顏色屬性的區(qū)域位置和數量十分有效。

由于色彩定位基于模板的像素顏色統(tǒng)計信息工作，所以它只具有平移不變性，而對尺度和旋轉變化不能保持嚴格的不變性，也不能返回與模板匹配區(qū)域的角度信息。

彩色模式匹配對色彩定位功能進行了增強和擴展。它先使用色彩定位過程，基于模板的顏色信息從圖像中搜索匹配的區(qū)域。然后，對于每個匹配區(qū)域，彩色模式匹配過程都會擴展該區(qū)域的范圍，并執(zhí)行圖像的灰度模式匹配，以找到模板在圖像中的確切位置及旋轉角度。下圖顯示了彩色模式匹配過程的流程圖以及它與色彩匹配、色彩定位之間的關系。

圖像的灰度模式匹配技術通過計算模板和圖像之間的歸一化互相關值來確定匹配區(qū)域。由于歸一化互相關僅具有平移不變性，因此還需要通過對模板進行多次縮放或旋轉后再重復搜索過程來賦予灰度模式匹配尺度不變性和旋轉不變性。但是要完全支持尺度不變性和旋轉不變性，需要進行大量計算，這會嚴重影響算法的實時性。

為了增強算法的實用性，灰度模式匹配過程使用下采樣和先粗后細的匹配策略，以及梯度金字塔、低差異采樣和圖像理解等技術，使其不僅能適應被測目標±5%的尺度變化，保持旋轉不變性，還能兼顧實用性。相應地，綜合使用色彩匹配和灰度模式匹配技術的彩色模式匹配，不僅具有平移和旋轉不變性，還支持±5%的尺度變化。

彩色模式匹配對許多機器視覺應用至關重要，它不僅能輸出與彩色模板相匹配的圖像區(qū)域數量信息，還能提供其在圖像中的準確位置和角度信息。因此，它在很多時候能通過提高灰度圖像的對比度，或將目標與背景分離來簡化灰度圖像匹配問題，或進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

一般來說，若要在待測對象與背景間的顏色區(qū)別非常明顯的情況下精確地定位待測對象的位置，或者待測對象的灰度特征較難描述或與其他對象的灰度特征較類似的情況下，彩色模式匹配具有較強的優(yōu)勢。

基于彩色模式匹配，可以創(chuàng)建機器視覺測量（Gauging）、檢測（Inspection）和對準（Alignment）系統(tǒng)。例如，在待測件的間距測量應用中，若待測件的顏色標識固定，則通過彩色模式匹配可以快速定位它們的準確位置，并進而計算得到待測件之間的距離；檢測組裝過程是否漏裝零件；檢查彩色印刷物的質量。例如，日常消費品上的標簽大多為彩色標簽，所以可使用顏色模式匹配來檢測標簽的質量，或者先用它定位圖像中的標簽，再進一步進行詳細檢測。

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實踐

NI Vision使用位于LabVIEW的視覺與運動→Machine Vision→Searching & Matching函數選板中的IMAQ Setup LearnColor Pattern、lMAQ Learn Color Pattern、IMAQ Setup Match Color Pattern和IMAQ Match Color Pattern封裝了色彩定位和色彩模式匹配的學習和搜索過程。使用這些函數可創(chuàng)建基于色彩定位的顏色識別、顏色分類（Color Sorting）和顏色檢測機器視覺應用。

函數說明及使用可參見幫助手冊： 

通過彩色圖像匹配檢測電路板上某一固定類型組件的數量、位置和角度的案例了解彩色模式匹配的使用方法，程序設計思路如下所示：

• 程序一開始先將組件模板圖像讀入內存，然后由IMAQ SetupLearn Color Pattern對學習過程進行配置，要求IMAQ Learn Color Pattern在執(zhí)行學習過程時，不僅要學習模板的顏色和形狀信息，還要同時對平移和旋轉保持不變性；

• IMAQ Setup Match Color Pattern對彩色模式匹配過程進行配置，不僅要求同時進行色彩和形狀匹配，還要能對旋轉保持不變性；

• While循環(huán)會逐一將待測圖像文件夾中的圖像讀入內存，并調用IMAQ Match Color Pattern匹配模式與模板相同的4個組件，并根據返回的數量判斷檢測結果是否合格。

程序實現如下所示：