图像处理讲义——模板匹配

1|0什么是模板匹配（Template Matching）

模板匹配是指在当前图像 A 内寻找与图像 B 最相似的部分，一般将图像 A 称为输入图像， 将图像 B 称为模板图像。模板匹配的操作方法是将模板图像 B 在图像 A 上滑动，遍历所有像素以完成匹配。

举个例子：我们现在有模板图像，以及输入图像（都是灰度图像且模板图像更小），设模板图像高为\(h_t\)，宽为\(w_t\)，输入图像高为\(h\)，宽为\(w\)，则模板匹配的过程为：

• 将模板图像放在输入图像内，设模板图像左上角顶点在输入图像的位置为\(P = (x,y)\)，将模板图像放到\((0,0)\)的位置，进行第一次匹配，计算匹配度（匹配度计算后面再说）
• 然后将模板图像放到\((1,0)\)的位置，即向右移动一个像素，再次计算匹配度；然后再移动一个像素······一直移动到第一行末尾，每次都计算匹配度，可以发现一共计算了\(w-w_t+1\)次匹配度
• 第一行匹配结束，将模板图像放到\((0,1)\)的位置，开始第二行的匹配······和第一行一样，一共计算了\(w-w_t+1\)次匹配度
• 以此类推，直到最后一行匹配结束，可以发现整个模板匹配的过程中，我们一共计算了\((w-w_t+1)*(h-h_t+1)\)次匹配度
• 最后将匹配度以矩阵的形式返回（匹配度的位置与匹配时模板图像所在的位置一样），且该矩阵行数为\(h-h_t+1\)，列数为\(w-w_t+1\)（在python中就是二维数组）

模板图片

输入图片

匹配过程

2|0模板匹配的代码实现

2|1单模板匹配

所谓单模板匹配，就是一个模板只能匹配输入图像中的一个位置，即一个一对一的映射。

我们先来看看opencv中与模板匹配相关的api函数吧

1|0result = cv2.matchTemplate(image, templ, method[, mask ] )

• image 为原始图像，必须是 8 位或者 32 位的浮点型图像。
• templ 为模板图像。它的尺寸必须小于或等于原始图像，并且与原始图像具有同样的类型。
• method 为匹配方法。该参数通过 TemplateMatchModes 实现，有 6 种可能的值，如下图所示。

具体计算公式如下图所示

• mask 为模板图像掩模。它必须和模板图像 templ 具有相同的类型和大小。通常情况下 该值使用默认值即可。当前，该参数仅支持 TM_SQDIFF 和 TM_CCORR_NORMED 两 个值。

• result 为返回值，是一个行数为\(h-h_t+1\)，列数为\(w-w_t+1\)的二维数组，每个元素代表由method对应公式计算出来的匹配度

1|0minVal, maxVal, minLoc, maxLoc = cv2.minMaxLoc( src [, mask] )

• src为单通道数组
• minVal 为返回的最小值，如果没有最小值，则可以是 NULL（空值）。
• maxVal 为返回的最大值，如果没有最小值，则可以是 NULL。
• minLoc 为最大值的位置，如果没有最大值，则可以是 NULL。
• maxLoc 为最大值的位置，如果没有最大值，则可以是 NULL。
• mask 为用来选取掩模的子集，可选项。

用途：该函数可以对 cv2.matchTemplate 函数的返回值 result 进行处理，找到 result 所代表的二维数组中最大值/最小值，及其所在的行列坐标位置（用opencv的坐标系表示，即 Loc[0] 为列数， Loc[1] 为行数）

模板匹配完成后，我们可以用opencv中的 cv2.rectangle 函数标记出我们所匹配到的位置

1|0Img = cv.rectangle( img, pt1, pt2, color[, thickness])

• img 表示要标记的目标图像。
• pt1 是矩形的顶点。
• pt2是pt1的对角顶点
• color是颜色（灰度图像中就是明暗强度）
• thickness是矩形边线宽度（可选）

2|2单模板匹配的代码实现

import cv2
import numpy as np


# 单模板匹配例程
if __name__ == '__main__':
    img_bgr = cv2.imread('./example.png')  # 读取rgb图像
    img = cv2.cvtColor(img_bgr, cv2.COLOR_BGR2GRAY)  # 转化为灰度图像
    tp = cv2.imread('./template4.png', flags=0)  # 读取模板
    th, tw = tp.shape[::]  # 获取模板宽高
    method = cv2.TM_CCOEFF_NORMED  # 定义模板匹配方法
    retVal = cv2.matchTemplate(img, tp, method)  # 进行模板匹配
    minVal, maxVal, minLoc, maxLoc = cv2.minMaxLoc(retVal)  # 找到最匹配的位置
    # 用红色标记处最匹配的位置
    topLeft = maxLoc
    bottomRight = (topLeft[0] + tw, topLeft[1] + th)
    cv2.rectangle(img_bgr, topLeft, bottomRight, (0, 0, 255), 3)
    cv2.imshow('img_bgr', img_bgr)
    print("博士，已经为您找到医疗兵了喵~")
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()

2|3多模板匹配

在日常的代码编写中，我们大都会遇到这种情况：你有模板1、2、3···n，每个模板在输入图像里都有多处匹配的位置。这时，你就不能使用 cv2.minMaxLoc 函数来获取最佳匹配位置，因为你所需要的是一个一对多的映射，而非一对一的映射，所以你需要另一种方法对 cv2.matchTemplate 函数的返回值 result 数组进行处理，来获取所有能匹配的位置，这也就是多模板匹配与单模板匹配的区别。

那么，我们如何处理 result 数组呢？

熟悉 numpy 的同学知道，numpy中有一个 np.where 函数，能够返回numpy数组中满足输入条件的所有元素的行列位置信息，该函数原型为：

1|0loc = np.where( res >= threshold)

例如：

import numpy as np
am=np.array([[3,6,8,77,66],[1,2,88,3,98],[11,2,67,5,2]])
b=np.where(am>5)
print(b)

则改代码返回结果为：

(array([0, 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2], dtype=int64),  # 这是行数的索引 
array([1, 2, 3, 4, 2, 4, 0, 2], dtype=int64))  # 这是列数的索引

上述结果说明，存在二维数组 am，其中，位置[0, 1]、[0, 2]、[0, 3]、[0, 4]、[1, 2]、[1, 4]、[2, 0]、[2, 2]上的元素值大于 5。

但是，我们一般所需要的位置信息是例如 [column, row] 这样行列索引的集合，而非上面那样第一行是行数索引，第二行是列数索引的矩阵，所以我们还需要对上面的返回结果进行处理，也就是线性代数中对矩阵进行转置。

熟悉python的同学知道，python里有一个 zip 函数，其用可迭代的对象作为参数，将对象中对应的元素打包成一个个元组，然后返回由 这些元组组成的列表。

举个例子，对于前面提到的数组 am，使用函数 zip()循环，就可以得到其中大于 5 的元素索引的集合

import numpy as np
am=np.array([[3,6,8,77,66],[1,2,88,3,98],[11,2,67,5,2]])
print(am)
b=np.where(am>5)
for i in zip(*b):
	print(i)

输出结果为：

[[ 3 6 8 77 66]
[ 1 2 88 3 98]
[11 2 67 5 2]]
(0, 1)
(0, 2)
(0, 3)
(0, 4)
(1, 2)
(1, 4)
(2, 0)
(2, 2)

可以看到，我们能够获得形如 (column, row) 的位置信息了。但是在opencv坐标系中，我们的坐标是形如 (x, y) 的，其中x为列数，y为行数，所以我们需要将 (column, row) 变成 (row, column) ，即对数组元素进行倒置。这里我们使用python内置的 loc 函数。

举个例子：

import numpy as np
loc = ([1,2,3,4],[11,12,13,14])
print(loc)
print(loc[::-1])

输出为：

([1, 2, 3, 4], [11, 12, 13, 14])  # print(loc)的结果
([11, 12, 13, 14], [1, 2, 3, 4])  # print(loc[::-1])的结果

这样，我们就可以进行我们的多模板匹配了。

2|4多模板匹配的代码实现

import cv2
import numpy as np


# 多模板匹配例程
if __name__ == '__main__':
    img_bgr = cv2.imread('./example.png')
    img = cv2.cvtColor(img_bgr, cv2.COLOR_BGR2GRAY)  # 转成灰度图像
    tp = {
        'guard': cv2.imread('./template0.png', flags=0),
        'shield': cv2.imread('./template1.png', flags=0),
        'mage': cv2.imread('./template2.png', flags=0),
        'archer': cv2.imread('./template3.png', flags=0),
        'medic': cv2.imread('./template4.png', flags=0)
    }  # 读取多个模板
    th, tw = tp['guard'].shape[::]  # 获取模板的高、宽（这里为了省事模板宽高都一样，所以只获取一个）
    method = cv2.TM_CCOEFF_NORMED  # 定义模板匹配的method
    retVal = {
        'guard': cv2.matchTemplate(img, tp['guard'], method),
        'shield': cv2.matchTemplate(img, tp['shield'], method),
        'mage': cv2.matchTemplate(img, tp['mage'], method),
        'archer': cv2.matchTemplate(img, tp['archer'], method),
        'medic': cv2.matchTemplate(img, tp['medic'], method)
    }   # 进行多个模板匹配
    loc = {
        'guard': np.where(retVal['guard'] > 0.97),
        'shield': np.where(retVal['shield'] > 0.98),
        'mage': np.where(retVal['mage'] > 0.965),
        'archer': np.where(retVal['archer'] > 0.97),
        'medic': np.where(retVal['medic'] > 0.97)
    }  # 获取匹配位置
    pt = {
        'guard': [],
        'shield': [],
        'mage': [],
        'archer': [],
        'medic': []
    }
    # 获取匹配后的坐标
    for key in loc:
        for p in zip(*loc[key][::-1]):
            pt[key].append(p)
    color = {
        'guard': (255, 255, 0),  # 青色
        'shield': (0, 255, 255),  # 黄色
        'mage': (255, 0, 255),  # 紫色
        'archer': (0, 0, 255),  # 红色
        'medic': (0, 255, 0)  # 绿色
    }
    for key in color:
        for p in pt[key]:
            cv2.rectangle(img_bgr, p, (p[0] + tw, p[1] + th), color[key], 3)
    cv2.imshow('img_bgr', img_bgr)
    print("博士，所有干员已经为您分类好了喵~")
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()

如果对python语言不是很熟悉的同学可能一开始看不太懂，可以多让chatGPT解释一下各段代码并自行理解消化😊

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本文作者：Asaka
本文链接：https://www.cnblogs.com/Asaka-QianXiang/p/18024680.html
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