快捷導(dǎo)航

Python+Opencv實(shí)現(xiàn)圖像匹配功能(模板匹配)

更新時(shí)間：2021年10月09日 17:04:36 作者：Ther_T

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Python+Opencv實(shí)現(xiàn)圖像匹配功能，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

本文實(shí)例為大家分享了Python+Opencv實(shí)現(xiàn)圖像匹配功能的具體代碼，供大家參考，具體內(nèi)容如下

1、原理

簡(jiǎn)單來說，模板匹配就是拿一個(gè)模板（圖片）在目標(biāo)圖片上依次滑動(dòng)，每次計(jì)算模板與模板下方的子圖的相似度，最后就計(jì)算出了非常多的相似度；
如果只是單個(gè)目標(biāo)的匹配，那只需要取相似度最大值所在的位置就可以得出匹配位置；
如果要匹配多個(gè)目標(biāo)，那就設(shè)定一個(gè)閾值，就是說，只要相似度大于比如0.8，就認(rèn)為是要匹配的目標(biāo)。

1.1 相似度度量指標(biāo)

差值平方和匹配 CV_TM_SQDIFF
標(biāo)準(zhǔn)化差值平方和匹配 CV_TM_SQDIFF_NORMED
相關(guān)匹配 CV_TM_CCORR
標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)匹配 CV_TM_CCORR_NORMED
相關(guān)匹配 CV_TM_CCOEFF
標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)匹配 CV_TM_CCOEFF_NORMED

1.2 計(jì)算步驟

有一張模板圖像Templa和一張較大的待搜索圖像Image，模板匹配是一種用于在較大圖像中搜索和查找模板圖像位置的方法。
具體就是將模板圖像滑動(dòng)到輸入圖像上（就像在卷積操作一樣），然后在模板圖像下比較模板和輸入圖像的子圖的相似度。
它返回一個(gè)灰度圖像，其中每個(gè)像素表示該像素的鄰域與模板匹配的相似度。如果輸入圖像的大小(WxH)和模板圖像的大小(wxh)，則輸出圖像的大小將為(W-w+ 1，H-h + 1)。獲得相似度圖像之后，在其上查找最大相似度所在的像素。將其作為匹配區(qū)域矩形的左上角，并以(w，h)作為矩形的寬度和高度。該矩形是與模板匹配的區(qū)域。

2、代碼實(shí)現(xiàn)

2.1 單模板匹配單個(gè)目標(biāo)

代碼如下：

# 相關(guān)系數(shù)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)  # 畫出矩形位置

plt.subplot(121), plt.imshow(res, cmap='gray')
plt.title('Matching Result'), plt.xticks([]), plt.yticks([])

plt.subplot(122), plt.imshow(img, cmap='gray')
plt.title('Detected Point'), plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

2.2 單模板匹配多個(gè)目標(biāo)

目標(biāo)照片：mario.jpg

模板照片：mario_coin.jpg

代碼如下：

import cv2
import numpy as np
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]
 
res = cv2.matchTemplate(img_gray, template, cv2.TM_CCOEFF_NORMED)
threshold = 0.8
# 取匹配程度大于%80的坐標(biāo)
loc = np.where(res >= threshold)
#np.where返回的坐標(biāo)值(x,y)是(h,w)，注意h,w的順序
for pt in zip(*loc[::-1]):  
    bottom_right = (pt[0] + w, pt[1] + h)
    cv2.rectangle(img_rgb, pt, bottom_right, (0, 0, 255), 2)
cv2.imwrite("img.jpg",img_rgb)
cv2.imshow('img', img_rgb)
cv2.waitKey(0)

檢測(cè)結(jié)果如下：

3、算法精度優(yōu)化

多尺度模板匹配
旋轉(zhuǎn)目標(biāo)模板匹配
非極大值抑制

通過上圖可以看到對(duì)同一個(gè)圖有多個(gè)框標(biāo)定，需要去重，只需要保留一個(gè)

解決方案：對(duì)于使用同一個(gè)待檢區(qū)域使用NMS（非極大值抑制）進(jìn)行去掉重復(fù)的矩形框

NMS 原理

對(duì)于Bounding Box的列表B及其對(duì)應(yīng)的置信度S，采用下面的計(jì)算方式。選擇具有最大score的檢測(cè)框M，將其從B集合中移除并加入到最終的檢測(cè)結(jié)果D中。通常將B中剩余檢測(cè)框中與M的IoU大于閾值Nt的框從B中移除，重復(fù)這個(gè)過程，直到B為空。

ps. 重疊率(重疊區(qū)域面積比例IOU)常用的閾值是 0.3 ~ 0.5.

代碼如下：

import cv2
import time
import numpy as np
 
def py_nms(dets, thresh):
    """Pure Python NMS baseline."""
    #x1、y1、x2、y2、以及score賦值
    # （x1、y1）（x2、y2）為box的左上和右下角標(biāo)
    x1 = dets[:, 0]
    y1 = dets[:, 1]
    x2 = dets[:, 2]
    y2 = dets[:, 3]
    scores = dets[:, 4]
    #每一個(gè)候選框的面積
    areas = (x2 - x1 + 1) * (y2 - y1 + 1)
    #order是按照score降序排序的
    order = scores.argsort()[::-1]
    # print("order:",order)
 
    keep = []
    while order.size > 0:
        i = order[0]
        keep.append(i)
        #計(jì)算當(dāng)前概率最大矩形框與其他矩形框的相交框的坐標(biāo)，會(huì)用到numpy的broadcast機(jī)制，得到的是向量
        xx1 = np.maximum(x1[i], x1[order[1:]])
        yy1 = np.maximum(y1[i], y1[order[1:]])
        xx2 = np.minimum(x2[i], x2[order[1:]])
        yy2 = np.minimum(y2[i], y2[order[1:]])
        #計(jì)算相交框的面積,注意矩形框不相交時(shí)w或h算出來會(huì)是負(fù)數(shù)，用0代替
        w = np.maximum(0.0, xx2 - xx1 + 1)
        h = np.maximum(0.0, yy2 - yy1 + 1)
        inter = w * h
        #計(jì)算重疊度IOU：重疊面積/（面積1+面積2-重疊面積）
        ovr = inter / (areas[i] + areas[order[1:]] - inter)
        #找到重疊度不高于閾值的矩形框索引
        inds = np.where(ovr <= thresh)[0]
        # print("inds:",inds)
        #將order序列更新，由于前面得到的矩形框索引要比矩形框在原order序列中的索引小1，所以要把這個(gè)1加回來
        order = order[inds + 1]
    return keep
 
def template(img_gray,template_img,template_threshold):
    '''
    img_gray:待檢測(cè)的灰度圖片格式
    template_img:模板小圖，也是灰度化了
    template_threshold:模板匹配的置信度
    '''
 
    h, w = template_img.shape[:2]
    res = cv2.matchTemplate(img_gray, template_img, cv2.TM_CCOEFF_NORMED)
    start_time = time.time()
    loc = np.where(res >= template_threshold)#大于模板閾值的目標(biāo)坐標(biāo)
    score = res[res >= template_threshold]#大于模板閾值的目標(biāo)置信度
    #將模板數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行處理成左上角、右下角的格式
    xmin = np.array(loc[1])
    ymin = np.array(loc[0])
    xmax = xmin+w
    ymax = ymin+h
    xmin = xmin.reshape(-1,1)#變成n行1列維度
    xmax = xmax.reshape(-1,1)#變成n行1列維度
    ymax = ymax.reshape(-1,1)#變成n行1列維度
    ymin = ymin.reshape(-1,1)#變成n行1列維度
    score = score.reshape(-1,1)#變成n行1列維度
    data_hlist = []
    data_hlist.append(xmin)
    data_hlist.append(ymin)
    data_hlist.append(xmax)
    data_hlist.append(ymax)
    data_hlist.append(score)
    data_hstack = np.hstack(data_hlist)#將xmin、ymin、xmax、yamx、scores按照列進(jìn)行拼接
    thresh = 0.3#NMS里面的IOU交互比閾值
 
    keep_dets = py_nms(data_hstack, thresh)
    print("nms time:",time.time() - start_time)#打印數(shù)據(jù)處理到nms運(yùn)行時(shí)間
    dets = data_hstack[keep_dets]#最終的nms獲得的矩形框
    return dets
if __name__ == "__main__":
    img_rgb = cv2.imread('mario.jpg')#需要檢測(cè)的圖片
    img_gray = cv2.cvtColor(img_rgb, cv2.COLOR_BGR2GRAY)#轉(zhuǎn)化成灰色
    template_img = cv2.imread('mario_coin.jpg', 0)#模板小圖
    template_threshold = 0.8#模板置信度
    dets = template(img_gray,template_img,template_threshold)
    count = 0
    for coord in dets:
        cv2.rectangle(img_rgb, (int(coord[0]),int(coord[1])), (int(coord[2]),int(coord[3])), (0, 0, 255), 2)
    cv2.imwrite("result.jpg",img_rgb)

檢測(cè)結(jié)果如下：