橢圓印章自動定位系統(tǒng)的實現(xiàn)

劉志慧

摘 要：自動定位橢圓印章實現(xiàn)的難度在于計算中心、長軸、短軸以及長軸傾角。文中提出一種基于形狀特征的橢圓印章自動定位方法，基于集成開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2010，應(yīng)用微軟基礎(chǔ)類庫MFC設(shè)計交互界面設(shè)計橢圓印章自動定位系統(tǒng)。首先將彩色圖像進行預(yù)處理，去除彩色圖像中的無用信息，然后采用基于曲線弧分割的思想檢測橢圓，將輪廓從交點處分割成弧段，隨機采樣取點求出參數(shù)值，準確定位橢圓印章區(qū)域。該方法從每一個連續(xù)的輪廓弧段中采樣，使無效隨機采樣的概率大大降低。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以有效定位橢圓印章。

關(guān)鍵詞：印章定位；橢圓檢測；曲線弧分割；隨機采樣

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

印章具有權(quán)威性，被人們應(yīng)用于各個領(lǐng)域。采用人工多角度對折法可以識別印章真假，然而這種方法需要借助豐富的經(jīng)驗來判別，檢測結(jié)果具有很強的主觀性[1，2]。如何通過計算機快速準確地識別印章已成為需要迫切解決的問題。利用計算機在識別印章真?zhèn)尾僮髦埃瑢Σ僮鲄^(qū)域加以限制，以減少無用信息的干擾[3]。因此，自動定位印章作為判斷印章真?zhèn)蔚年P(guān)鍵步驟，直接關(guān)系到判斷結(jié)果的速度和正確性。如何高效地實現(xiàn)印章的自動定位成為識別印章真?zhèn)呜酱鉀Q的問題[4，5]。橢圓印章在日常生活中比較常見，鑒于此，本文提出了一種橢圓印章定位方法，并設(shè)計了橢圓印章自動定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在用戶干預(yù)較少的情況下借助計算機完成橢圓印章的自動定位，為識別印章真?zhèn)巫龊脺蕚洹?/p>

1 橢圓印章定位算法研究

采集到的測試圖像中，印章區(qū)域和背景、文字相互重疊，主要包括紅色的印章圖像和代碼編號、灰色或白色的背景、黑色的文字，我們應(yīng)盡可能多地保留印章圖像，去除干擾信息[6，7]，因此需要對原始的印章圖像進行預(yù)處理。在Windows平臺上，基于集成開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2010，使用C++語言，并應(yīng)用微軟基礎(chǔ)類庫MFC設(shè)計交互界面[8]，實現(xiàn)橢圓印章自動定位。

1.1 預(yù)處理

圖像預(yù)處理模塊主要負責(zé)圖像中紅色分量的提取以及彩色圖像的灰度化、二值化，最終得到細化的輪廓圖。

首先，將圖像的RGB分量值轉(zhuǎn)化到HSI空間中，給這三個分量分別設(shè)定合適的閾值?；?HSI 模型對圖像進行初步紅色分量提取，將大部分有用信息提取出來，其中紅色分量色度余弦值大于0.94，紅色的飽和度分量大于20%，紅色的亮度分量大于60%[9]。

其次，基于HSI彩色空間模型提取紅色分量得到彩色圖像，雖然彩色圖像包含豐富的圖像信息，但占用空間較多，同時也會增大計算量，因此對彩色圖像進行灰度化并二值化處理[10]。圖像經(jīng)二值化處理后，目標對象的像素值為1，背景的像素值為0。

最后，基于細化算法由二值圖像得到細化的輪廓圖[11]。將輸入圖像中具有一定寬度的線條縮減為寬度是1個像素的線條，在減少信息量的同時保留原圖像的拓撲結(jié)構(gòu)。

1.2 橢圓印章定位算法基本思想

本文采用基于曲線弧分割的思想檢測橢圓。根據(jù)輪廓點間的相互連接性對細化圖像中的輪廓像素點進行跟蹤。跟蹤從起始點開始，將輪廓從交點處分割成弧段，直到所有的輪廓被跟蹤完畢。根據(jù)各弧段長度的比例，確定在每段弧上采樣的次數(shù)，在每一個連續(xù)的輪廓弧段中采樣，求出橢圓參數(shù)。橢圓印章定位主要包括曲線弧分割、隨機取點求參數(shù)以及確定橢圓位置三部分。

1.2.1 曲線弧分割

分配一個與細化圖大小相同的二維數(shù)組記作array。所有的輪廓跟蹤點在array上進行標記，以防止重復(fù)跟蹤。如果出現(xiàn)極端異常的大輪廓，超出分配內(nèi)存的大小，則將整個輪廓標記為異常輪廓。對于輪廓過短的情況，也將其標記為異常輪廓。對于異常輪廓不做進一步處理。

曲線弧分割的具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）按從下到上、從左到右的順序掃描輪廓圖，將第一個像素灰度值為1的點作為起始點，新建一個坐標鏈，將此點坐標加入坐標鏈。

（2） 在array數(shù)組中的相應(yīng)位置進行標記，以防止重復(fù)跟蹤。

（3）尋找下一相鄰點。按右、右上、上、左上、左、左下、下、右下的順序考察當(dāng)前點八鄰域的8個方向點。如果當(dāng)前點的八鄰域中連通點個數(shù)大于2，則說明有其他鏈路也通過該點，即輪廓出現(xiàn)分支，將當(dāng)前點作為新的起始點進行輪廓跟蹤，轉(zhuǎn)（2）；如果當(dāng)前點的八鄰域中連通點個數(shù)大于0且小于等于2，則說明輪廓沒有出現(xiàn)分支，將八鄰域中像素值第一個為1的點置為當(dāng)前點，若當(dāng)前點和起始點重合，則表明已經(jīng)轉(zhuǎn)了一圈，將當(dāng)前點在二維數(shù)組array的對應(yīng)位置進行標記，防止重復(fù)跟蹤，轉(zhuǎn)（4）。若當(dāng)前點沒有與起始點重合，則將此點坐標加入坐標鏈，鏈路長度加1，轉(zhuǎn)（2）；如果當(dāng)前點的八鄰域中連通點個數(shù)為0，則轉(zhuǎn)（4）。

（4） 輪廓圖中若仍存在像素灰度值為1且未被標記過的點，則轉(zhuǎn)（1）；否則結(jié)束，輸出弧段集合。

通過上述步驟可以將輪廓從交點處分開。圖1包括兩個重疊橢圓，黑色點表示相交點，輪廓被分為四個曲線段，分別由四種顏色表示。圖2所示為曲線弧分割應(yīng)用于實際的橢圓印章圖像效果圖。

1.2.2 隨機取點求橢圓參數(shù)

橢圓的一般方程為Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0，橢圓參數(shù)與中心、長軸、短軸以及長軸傾角之間的關(guān)系見式（1）：

根據(jù)各弧段長度的比例，確定在每段弧上采樣的次數(shù)，隨機取點的次數(shù)與弧段長度成正比，每條弧段上隨機取點的方法見表1所列。

由于橢圓包含5個未知參數(shù)，所以每次采樣都要隨機取5個非共線點。將這5個點（xi，yi）（i=1，2，3，4，5，6）帶入橢圓一般方程，構(gòu)建線性方程組（2），（3）及（4）：

其中，α=[A B C D E]T 。只有當(dāng)系數(shù)矩陣對應(yīng)的行列式|R|≠0時，原方程組才有唯一解，采用高斯消元法解方程組求出系數(shù)A，B，C，D，E，進而由式（1）求得中心、長短軸、長軸傾角以及離心率。若|R|=0，則重新采樣。

1.2.3 確定橢圓位置

統(tǒng)計參數(shù)出現(xiàn)次數(shù)。橢圓累計函數(shù)定義如下：

2 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

基于集成開發(fā)環(huán)境Microsoft Visual Studio 2010，使用C++語言，應(yīng)用微軟基礎(chǔ)類庫MFC與文檔-視圖結(jié)構(gòu)設(shè)計交互界面。類CmainFrame是系統(tǒng)的框架類，負責(zé)完成窗口布局管理，運用MFC類庫中的CSplitterWnd類封裝系統(tǒng)窗口所需功能，通過CreateStatic（）函數(shù)創(chuàng)建窗口，CreateView（）函數(shù)為每個窗口創(chuàng)建視圖類CFormView。選擇文件功能由類CFileDialog實現(xiàn)，ImageFileReader類對象接收文件的路徑，完成圖像讀入，之后返回一個指向文件的指針。印章定位與配準系統(tǒng)整體界面如圖4所示。

本文設(shè)計的橢圓印章自動定位系統(tǒng)中需要的圖片通過掃描儀掃描得到。系統(tǒng)功能測試分為兩部分，分別為預(yù)處理模塊和橢圓印章定位模塊。

（1）預(yù)處理功能模塊

該模塊主要用于提取輸入圖像中的紅色分量，將圖像灰度化、二值化并細化后得到骨架圖。紅色分量提取測試效果如圖5所示。其中（a）為輸入的RGB彩色印章測試圖像，（b）為提取紅色像素點后的效果圖。將彩色圖像灰度化并二值化，測試效果如圖6所示。圖像細化測試效果如圖7所示。

預(yù)處理功能可去除測試圖像中的無用信息，基于印章的顏色特性提取出有用信息，將彩色圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，并得到細化的骨架圖，減少圖像存儲空間，以便后續(xù)操作。從上述測試結(jié)果圖可以看出，測試圖像的背景較為復(fù)雜，含有不同顏色的文字圖標，紅色像素點除印章外，還包括圖標、底紋等。點擊相應(yīng)按鈕可以提取出原測試圖中的所有紅色像素點。二值圖像較為準確地將圖像像素點分為前景和背景?；诩毣惴▽⒍祱D像轉(zhuǎn)化為輪廓寬度為1的細化圖像。

（2）印章定位功能模塊

該模塊的目標是計算出參數(shù)，基于細化的骨架圖準確檢測出橢圓印章在圖像中的具體位置。橢圓印章定位測試效果如圖8所示，印章在圖中所示的方框區(qū)域內(nèi)。

3 結(jié) 語

本文提出了橢圓印章自動定位方法，通過對系統(tǒng)各功能模塊展開詳細測試，驗證該系統(tǒng)功能的正確性。系統(tǒng)能夠有效提取測試圖像中的紅色分量，在灰度圖像上定位出橢圓印章所在的具體位置，減小后續(xù)處理區(qū)域的面積，對于提高速度、簡化算法具有重要意義，為印章真?zhèn)螞Q策打下良好的基礎(chǔ)，具有一定的應(yīng)用價值。

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