16: 模板匹配
学习使用模板匹配在图像中寻找物体。图片等可到文末引用处下载。
目标
- 使用模板匹配在图像中寻找物体
- OpenCV 函数：
cv2.matchTemplate(),cv2.minMaxLoc()
教程
模板匹配
模板匹配就是用来在大图中找小图，也就是说在一副图像中寻找另外一张模板图像的位置：
用cv2.matchTemplate()实现模板匹配。首先我们来读入图片和模板：
import cv2
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
img = cv2.imread('lena.jpg', 0)
template = cv2.imread('face.jpg', 0)
h, w = template.shape[:2] # rows->h, cols->w
匹配函数返回的是一副灰度图，最白的地方表示最大的匹配。使用cv2.minMaxLoc()函数可以得到最大匹配值的坐标，以这个点为左上角角点，模板的宽和高画矩形就是匹配的位置了：
# 相关系数匹配方法：cv2.TM_CCOEFF
res = cv2.matchTemplate(img, template, cv2.TM_CCOEFF)
min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(res)
left_top = max_loc # 左上角
right_bottom = (left_top[0] + w, left_top[1] + h) # 右下角
cv2.rectangle(img, left_top, right_bottom, 255, 2) # 画出矩形位置
原理
这部分可看可不看，不太理解也没关系，还记得前面的方法吗？不懂得就划掉(✿◕‿◕✿)
模板匹配的原理其实很简单，就是不断地在原图中移动模板图像去比较，有 6 种不同的比较方法，详情可参考：TemplateMatchModes
- 平方差匹配 CV_TM_SQDIFF：用两者的平方差来匹配，最好的匹配值为 0
- 归一化平方差匹配 CV_TM_SQDIFF_NORMED
- 相关匹配 CV_TM_CCORR：用两者的乘积匹配，数值越大表明匹配程度越好
- 归一化相关匹配 CV_TM_CCORR_NORMED
- 相关系数匹配 CV_TM_CCOEFF：用两者的相关系数匹配，1 表示完美的匹配，-1 表示最差的匹配
- 归一化相关系数匹配 CV_TM_CCOEFF_NORMED
归一化的意思就是将值统一到 0~1，这些方法的对比代码可到源码处查看。模板匹配也是应用卷积来实现的：假设原图大小为 W×H，模板图大小为 w×h，那么生成图大小是(W-w+1)×(H-h+1)，生成图中的每个像素值表示原图与模板的匹配程度。
匹配多个物体
前面我们是找最大匹配的点，所以只能匹配一次。我们可以设定一个匹配阈值来匹配多次：
# 1.读入原图和模板
img_rgb = cv2.imread('mario.jpg')
img_gray = cv2.cvtColor(img_rgb, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
template = cv2.imread('mario_coin.jpg', 0)
h, w = template.shape[:2]
# 2.标准相关模板匹配
res = cv2.matchTemplate(img_gray, template, cv2.TM_CCOEFF_NORMED)
threshold = 0.8
# 3.这边是 Python/Numpy 的知识，后面解释
loc = np.where(res >= threshold) # 匹配程度大于%80 的坐标 y,x
for pt in zip(*loc[::-1]): # *号表示可选参数
right_bottom = (pt[0] + w, pt[1] + h)
cv2.rectangle(img_rgb, pt, right_bottom, (0, 0, 255), 2)
第 3 步有几个 Python/Numpy 的重要知识，来大致看下：
- np.where()在这里返回 res 中值大于 0.8 的所有坐标，如：
x = np.arange(9.).reshape(3, 3)
print(np.where(x > 5))
# 结果 (先 y 坐标，再 x 坐标)：(array([2, 2, 2]), array([0, 1, 2]))
- zip()函数，功能强大到难以解释，举个简单例子就知道了：
x = [1, 2, 3]
y = [4, 5, 6]
print(list(zip(x, y))) # [(1, 4), (2, 5), (3, 6)]
这样大家就能理解前面代码的用法了吧：因为 loc 是先 y 坐标再 x 坐标，所以用 loc[::-1]翻转一下，然后再用 zip 函数拼接在一起。
练习
- 之前我们有学过形状匹配，不论形状旋转/缩放都可以匹配到。思考一下，图片旋转或缩放的话模板匹配还有作用吗？
小结
- 模板匹配用来在大图中找小图。
cv2.matchTemplate()用来进行模板匹配。