应用于多个LED晶片定位的图像匹配系统设计与实现

摘要

LED照明技术以其出色的功能性、安全性及舒适性正成为未来照明的核心发展方向。LED晶片是LED照明设备的发光核心,而LED自动固晶机是LED生产流程中后封装设备的重要一环,是完成LED晶片的检测、拾取和粘片等工作的设备。
　　为实现LED晶片的准确定位、检测和分类,固晶机的图像匹配系统的精度和速度是影响固晶机质量和性能的关键因素。本文结合LED晶片识别及定位的具体工业应用,深入调研了图像匹配的性能优化算法及硬件并行加速的可行性,从匹配相关函数和模板快速搜索方法两方面进行研究,设计了一种实现多个LED晶片定位的高速图像匹配算法设计方案。主要工作包括:
　　首先,基于实际课题对同一图像多个LED晶片目标匹配、亚像素精度以及高实时性的要求,研究分析了大量图像匹配算法,主要分为基于频域特征的匹配算法和基于空间域特征的匹配算法。归纳出能充分发掘现有硬件潜力、并具有硬件加速空间的快速匹配方法,并对这些算法进行了进一步的性能优化设计。
　　在此基础上，将频域和空间域匹配方法进行有机结合,设计了一种基于快速傅里叶变换(FFT)的相位相关匹配算法。优化计算分母归一化的互功率谱来实现多目标匹配定位,改进Fourier-Mellin不变形法实现旋转角度的计算,并利用二维曲面拟合法实现亚像素精度的坐标匹配。在满足亚像素精度的条件下最大限度地减少相关函数和搜索空间的计算量,加快运行速度。
　　最后,归纳总结高速图像匹配算法的构造思想和编程技巧,对匹配算法的FFT运算和多峰值搜索等算法等核心运算部分作并行优化设计,分别结合Intel SSE2指令集和NVIDIA CUDA平台进行硬件并行实现,设计出功能完善的实现多个LED晶片匹配的图像算法系统。实验结果表明,针对本课题开发的匹配算法系统能适应匹配目标的旋转及噪声干扰等情况,而且实时性与精度均很好地满足应用需求。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 图像匹配技术的研究现状

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 本文的研究内容及论文结构

第2章 图像匹配算法原理

2.1图像匹配算法基础

2.2图像匹配算法分类

2.3图像匹配算法流程和基本要素

2.3.1空间变换

2.3.2匹配特征的选择

2.3.3相关函数的选择

2.3.4最优参数搜索

2.4 图像匹配算法的基本优化策略

2.5 应用于LED晶片匹配的变换模型简化

2.6 本章小结

第3章 LED晶片多目标定位算法分析与设计

3.1 多级匹配的整体算法设计

3.2多分辨率金字塔算法设计

3.2.1图像金字塔的基本理论

3.2.2 金字塔平滑算法的选择

3.2.3金字塔算法对多目标定位效果的改善

3.3 多目标定位的初级匹配算法设计

3.3.1基于边缘检测的匹配算法设计

3.3.2基于互信息的匹配算法设计

3.3.3基于相位相关的匹配算法设计

3.3.4相位相关匹配算法的优化与性能比较

3.4多目标匹配算法抗旋转性能的研究

3.5 本章小结

第4章 LED晶片精确匹配算法分析与设计

4.1 用于精确匹配的子图截取方法设计

4.1.1图像还原与子图截取

4.1.2子图截取的容差范围研究

4.2 旋转角计算及补偿的算法设计

4.2.1频率域Fourier-Mellin变换法原理

4.2.2对Fourier-Mellin变换法的空间域优化设计

4.2.3极坐标变换的映射方法研究

4.2.4图像变换的插值方法研究

4.3 亚像素精度的算法设计

4.3.1差分法计算亚像素偏移

4.3.2插值法计算亚像素偏移

4.3.3曲面拟合法计算亚像素偏移

4.3.4亚像素精度算法的测试验证

4.4 本章小结

第5章 LED晶片匹配算法系统的设计与实现

5.1匹配系统整体算法设计

5.2 多目标图像匹配算法的优化实现

5.2.1图像预处理和预置计算

5.2.2防止外围补零影响匹配结果的设计

5.2.3利用频域周期性直接确定匹配中心

5.2.4 相关函数的频域计算

5.2.5多峰值搜索策略

5.3 精确匹配定位的优化实现

5.3.1极坐标映射缩小子图

5.3.2极坐标图的角度搜索优化

5.3.3角度补偿阈值判断

5.3.4精确匹配搜索范围精简

5.3.5相关函数阈值判断与个数控制

5.4对FFT运算的优化

5.4.1对二维FFT计算区域的精简

5.4.2对相关矩阵的采样优化

5.4.3 FFT模块的内部优化

5.5图像匹配的硬件并行优化

5.5.1基于SSE2技术的匹配算法并行优化

5.5.2基于CUDA平台的匹配算法并行优化

5.6本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢