Python OpenCV 輕松點，復習一下模板匹配吧

Python OpenCV 365 天學習計劃，與橡皮擦一起進入圖像領域吧。本篇博客是這個系列的第 49 篇。

學在前面

關于 OpenCV 中的模板匹配，在之前的博客 圖像的模板匹配，Python OpenCV 取經之旅第 29 天。

模板匹配就是在一個目標圖像（大圖）中檢索模板圖像（小圖），進行該操作的核心是兩個函數，一個是 cv2.matchTemplate 另一個是 cv2.minMaxLoc 。

模板匹配是將模板圖像在目標圖像上進行滑動，從左到右，從上到下，一個一個區域進行，類似卷積操作。

由上文提及的博客，我們也知道，如果模板圖像的大小是 w*h，目標圖像的大小是 W*H，那匹配到的圖像大小是 W-w+1,H-h+1，這步驟的操作是由 cv2.matchTemplate 實現的，接下來在由 cv2.minMaxLoc 函數查找最大值和最小值的像素點位置，拿到這個位置會后就可以在目標圖像上進行繪制了。

通過案例簡單復盤

編寫測試代碼如下，代碼中對于 method 參數進行了基本的羅列：

import cv2 as cv import numpy as np from matplotlib import pyplot as plt def template_demo(): tpl = cv.imread("./tpl.jpg") target = cv.imread("./t9.jpg") methods = [cv.TM_CCOEFF, cv.TM_CCORR, cv.TM_SQDIFF, cv.TM_CCORR_NORMED, cv.TM_CCOEFF_NORMED, cv.TM_SQDIFF_NORMED] th, tw = tpl.shape[:2] for md in methods: result = cv.matchTemplate(target, tpl, md) min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv.minMaxLoc(result) # 如果方法是 TM_SQDIFF 或 TM_SQDIFF_NORMED，則取最小值 if md == cv.TM_SQDIFF_NORMED or md == cv.TM_SQDIFF: tl = min_loc else: tl = max_loc br = (tl[0] + tw, tl[1] + th) cv.rectangle(target, tl, br, (0, 0, 255), 2) # cv.imshow("match-" + np.str(md), target) plt.subplot(121), plt.imshow(result, cmap='gray') plt.title('result'), plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.subplot(122), plt.imshow(cv.cvtColor( target, cv.COLOR_BGR2RGB), cmap='gray') plt.title('target'), plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.show() if __name__ == "__main__": template_demo() cv.waitKey(0) cv.destroyAllWindows()

先展示的結果是沒有進行歸一化操作的，后展示的為歸一化操作的結果。

cv.TM_CCOEFF 運行結果

cv.TM_CCORR

cv.TM_SQDIFF

使用 cv.TM_CCORR_NORMED, cv.TM_CCOEFF_NORMED, cv.TM_SQDIFF_NORMED 等參數值的結果不在展示，問題出現在模板圖片的選擇上，因為左上角出現相同的像素點，所以導致有的結果出現 2 個匹配結果，最神奇的是，我對 result 進行輸出，發現使用 cv.minMaxLoc 函數之后，并未返回多個結果，以下是參考數據，都是單個坐標。

-20675626.0 56209900.0 (355, 415) (201, 259) 58169844.0 325979360.0 (346, 4) (201, 259) 38019264.0 216403984.0 (201, 259) (313, 3) 0.559607207775116 0.9503162503242493 (307, 1) (201, 259) -0.4676389992237091 0.7111679315567017 (356, 415) (201, 259) 0.1108362227678299 1.0 (201, 259) (282, 0)

為了驗證出現的原因，我將矩形繪制的地方增加了顏色變動代碼。

import cv2 as cv import numpy as np from matplotlib import pyplot as plt def template_demo(): tpl = cv.imread("./tpl.jpg") target = cv.imread("./t9.jpg") tpl = cv.cvtColor(tpl,cv.COLOR_BGR2RGB) target = cv.cvtColor(target,cv.COLOR_BGR2RGB) # methods = [cv.TM_CCOEFF, cv.TM_CCORR, cv.TM_SQDIFF, # cv.TM_CCORR_NORMED, cv.TM_CCOEFF_NORMED, cv.TM_SQDIFF_NORMED] # 每次繪制的時候，都展示不同的顏色代碼 colors = [(0, 0, 255),(255, 0, 255),(0, 255, 255),(0, 0, 0),(255, 0, 0),(0,255, 0)] methods = [cv.TM_CCOEFF, cv.TM_CCORR, cv.TM_SQDIFF, cv.TM_CCORR_NORMED, cv.TM_CCOEFF_NORMED, cv.TM_SQDIFF_NORMED] th, tw = tpl.shape[:2] color_num = 0 for md in methods: result = cv.matchTemplate(target, tpl, md) # print(result.shape) # cv.normalize(result, result, 0, 1, cv.NORM_MINMAX, -1) min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv.minMaxLoc(result) print(min_val, max_val, min_loc, max_loc) # 如果方法是 TM_SQDIFF 或 TM_SQDIFF_NORMED，則取最小值 if md == cv.TM_SQDIFF_NORMED or md == cv.TM_SQDIFF: tl = min_loc else: tl = max_loc br = (tl[0] + tw, tl[1] + th) print(colors[color_num]) cv.rectangle(target, tl, br, colors[color_num], 5) color_num+=1 # cv.imshow("match-" + np.str(md), target) plt.cla() plt.subplot(121), plt.imshow(result, cmap='gray') plt.title('result'), plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.subplot(122), plt.imshow(target, cmap='gray') plt.title('target'), plt.xticks([]), plt.yticks([]) plt.show() if __name__ == "__main__": template_demo() cv.waitKey(0) cv.destroyAllWindows()

經過實驗確定繪制的圖像是上次繪制的殘留，因為出現了如下內容，兩次繪制的矩形邊框顏色不一致問題。

知道原因了修改就比較容易了，只需要在循環的時候重新加載一下原圖即可。

for md in methods: target = cv.imread("./t9.jpg") result = cv.matchTemplate(target, tpl, md)

在實際應用的時候，盡量使用帶有歸一化的參數，但是對于每個圖像不同的參數都會導致不同的結果，需要給予實際情況進行判斷，沒有標準解。其它內容還可以去官網繼續學習 地址

匹配到多個圖像區域

在上述的案例中一直都是匹配到一個目標圖像區域，如果希望在一幅圖像中匹配到多個目標圖像，使用下述代碼即可。

import cv2 as cv import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def main(): tpl = cv.imread("./big_tpl.jpg") target = cv.imread("./big.jpg") th, tw = tpl.shape[:2] result = cv.matchTemplate(target, tpl, cv.TM_CCOEFF_NORMED) threshold = 0.8 loc = np.where(result >= threshold) for pt in zip(*loc[::-1]): cv.rectangle(target, pt, (pt[0] + tw, pt[1] + th), (0, 0, 255), 1) cv.imshow("img", target) cv.waitKey() cv.destroyAllWindows() if __name__ == '__main__': main()

上述代碼函數使用的是原函數 cv.matchTemplate 沒有難度，重點在下面的代碼部分出現的差異：

threshold = 0.8 loc = np.where(result >= threshold) for pt in zip(*loc[::-1]): cv.rectangle(target, pt, (pt[0] + tw, pt[1] + th), (0, 0, 255), 1)

其中 threshold=0.8 相當于臨界值的概念，用于篩選匹配到的結果大于 0.8 的坐標，相當于拿模板圖像與目標圖像去匹配，匹配度告訴 80%，表示匹配上了，否則沒有匹配上，所以降低這個值會導致匹配的結果變多，你可以自行嘗試一下。

其中 np.where(condition) 函數表示輸出滿足 condition 的坐標，注意不是值，是坐標。

接下來的操作其實是對圖像坐標的一些細節處理了，如果你對代碼不清楚，可以按照下述輸出進行比對

threshold = 0.8 loc = np.where(result >= threshold) print(loc) print(loc[::-1]) print(list(zip(*loc[::-1]))) for pt in zip(*loc[::-1]): cv.rectangle(target, pt, (pt[0] + tw, pt[1] + th), 255, 1)

輸出結果如下：

(array([146, 146, 147, 147, 147, 147, 147, 147, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 150, 150, 150, 150], dtype=int64), array([692, 979, 118, 405, 691, 692, 978, 979, 117, 118, 404, 405, 691, 692, 693, 978, 979, 980, 117, 118, 119, 404, 405, 406, 692, 693, 979, 980, 118, 119, 405, 406], dtype=int64)) (array([692, 979, 118, 405, 691, 692, 978, 979, 117, 118, 404, 405, 691, 692, 693, 978, 979, 980, 117, 118, 119, 404, 405, 406, 692, 693, 979, 980, 118, 119, 405, 406], dtype=int64), array([146, 146, 147, 147, 147, 147, 147, 147, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 148, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 149, 150, 150, 150, 150], dtype=int64)) [(692, 146), (979, 146), (118, 147), (405, 147), (691, 147), (692, 147), (978, 147), (979, 147), (117, 148), (118, 148), (404, 148), (405, 148), (691, 148), (692, 148), (693, 148), (978, 148), (979, 148), (980, 148), (117, 149), (118, 149), (119, 149), (404, 149), (405, 149), (406, 149), (692, 149), (693, 149), (979, 149), (980, 149), (118, 150), (119, 150), (405, 150), (406, 150)]

使用 loc = np.where(result >= threshold) 之后，得到了所有大于 0.8 的坐標點，但是這些點都是橫縱坐標分開順序排列，并且是孤立的，而且圖像在繪制的時候，橫縱坐標順序是反著的，先高即縱，后寬即橫，搗鼓清楚了，其他的都是 Python 基本操作。

對坐標理解清楚之后，完全可以修改代碼如下，不需要這些變換，得到的結果是一致的。

for pt in zip(*loc): cv.rectangle(target, (pt[1],pt[0]), (pt[1] + th, pt[0] + tw), 255, 1)

為了提高效率，可以匹配灰度圖，然后在彩色圖像繪制即可。

import cv2 as cv import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt def main(): tpl = cv.imread("./big_tpl.jpg") target = cv.imread("./big.jpg") tpl_gray = cv.cvtColor(tpl, cv.COLOR_BGR2GRAY) target_gray = cv.cvtColor(target, cv.COLOR_BGR2GRAY) th, tw = tpl_gray.shape[:] result = cv.matchTemplate(target_gray, tpl_gray, cv.TM_CCOEFF_NORMED) print(result) threshold = 0.8 loc = np.where(result >= threshold) for pt in zip(*loc[::-1]): cv.rectangle(target, pt, (pt[0] + tw, pt[1] + th), 255, 1) cv.imshow("target", target) cv.waitKey() cv.destroyAllWindows() if __name__ == '__main__': main()

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