【计算机视觉】OpenCV篇(10) - 模式识别中的模板匹配

什么是模式识别？

它指的是，对表征事物或现象的各种形式的信息进行处理和分析，从而达到对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的目的。

我们之所以可以很快辨别猫是猫、O不是0，就是因为在我们大脑中已经给猫的做了一个抽象，给O和0做了区分，这样我们才不用每次都重新靠思考和计算理解这到底是不是猫。这个在大脑中的抽象就是模式识别。

模式识别和机器学习的区别在于：前者喂给机器的是各种特征描述，从而让机器对未知的事物进行判断；后者喂给机器的是某一事物的海量样本，让机器通过样本来自己发现特征，最后去判断某些未知的事物。

什么是模板匹配？

机器学习炙手可热的今天，貌似好多人都信手拈来“K-NN”、“Bayes Classifier”、“PCA”这种主流的模式识别算法。但是我们今天要聊的是传统的、最简单的模板匹配。

模板匹配是一种最原始、最基本的模式识别方法，研究某一特定对象物的图案位于图像的什么地方，进而识别对象物，这就是一个匹配问题。它是图像处理中最基本、最常用的匹配方法。模板匹配具有自身的局限性，主要表现在它只能进行平行移动，若原图像中的匹配目标发生旋转或大小变化，该算法无效。

简单来说，模板匹配就是在整个图像区域发现与给定子图像匹配的小块区域。

怎么实现模板匹配？

在待检测图像上，从左到右，从上向下一个像素一个像素地移动模板，计算模板图像与重叠子图像的匹配度，匹配程度越大，两者相同的可能性越大。

怎么计算匹配度？

OpenCV中提供的模板识别的方法如下：

1.利用平方差来进行匹配,最好匹配为0.匹配越差,匹配值越大。

• TM_SQDIFF：平方差匹配

• TM_SQDIFF_NORMED：标准平方差匹配

2.采用模板和图像间的乘法操作,数越大表示匹配程度较高, 0表示最坏的匹配效果。

• TM_CCORR：相关性匹配

• TM_CCORR_NORMED：标准相关性匹配

3. 将模版对其均值的相对值与图像对其均值的相关值进行匹配,1表示完美匹配,-1表示糟糕的匹配,0表示没有任何相关性(随机序列)。

• TM_CCOEFF：相关性系数匹配

• TM_CCOEFF_NORMED：标准相关性系数匹配

总结：随着从简单的测量(平方差)到更复杂的测量(相关系数),我们可获得越来越准确的匹配(同时也意味着越来越大的计算代价)。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行

上代码：

#include "opencv2/imgcodecs.hpp"
#include "opencv2/highgui.hpp"
#include "opencv2/imgproc.hpp"
#include <iostream>

using namespace std;
using namespace cv;

/// Global Variables
bool use_mask;
Mat img; Mat templ; Mat mask; Mat result;
const char* image_window = "Source Image";
const char* result_window = "Result window";

int match_method;
int max_Trackbar = 5;

// Function Headers
void MatchingMethod( int, void* );

/**
 * @function main
 */
int main( int argc, char** argv )
{
  //MatchTemplate_Demo <image_name> <template_name>[<mask_name>]

  // Load image and template
  img = imread("F:/opencv/build/bin/sample-data/template-matching/Original_Image.jpg", IMREAD_COLOR );
  templ = imread("F:/opencv/build/bin/sample-data/template-matching/Template_Image.jpg", IMREAD_COLOR );
  use_mask = false;
  //mask = imread("", IMREAD_COLOR);

  if(img.empty() || templ.empty() || (use_mask && mask.empty()))
  {
    cout << "Can't read one of the images" << endl;
    return -1;
  }

  // Create windows
  namedWindow( image_window, WINDOW_AUTOSIZE );
  namedWindow( result_window, WINDOW_AUTOSIZE );

  // Create Trackbar
  const char* trackbar_label = "Method: \n 0: SQDIFF \n 1: SQDIFF NORMED \n 2: TM CCORR \n 3: TM CCORR NORMED \n 4: TM COEFF \n 5: TM COEFF NORMED";
  createTrackbar( trackbar_label, image_window, &match_method, max_Trackbar, MatchingMethod );

  MatchingMethod( 0, 0 );

  waitKey(0);
  return 0;
}

/**
 * @function MatchingMethod
 * @brief Trackbar callback
 */
void MatchingMethod( int, void* )
{
  // Source image to display
  Mat img_display;
  img.copyTo( img_display );

  // Create the result matrix
  int result_cols =  img.cols - templ.cols + 1;
  int result_rows = img.rows - templ.rows + 1;

  result.create( result_rows, result_cols, CV_32FC1 );

  // Do the Matching and Normalize
  bool method_accepts_mask = (TM_SQDIFF == match_method || match_method == TM_CCORR_NORMED);
  if (use_mask && method_accepts_mask)
    { matchTemplate( img, templ, result, match_method, mask); }
  else
    { matchTemplate( img, templ, result, match_method); }

  normalize( result, result, 0, 1, NORM_MINMAX, -1, Mat() );

  // Localizing the best match with minMaxLoc
  double minVal; double maxVal; Point minLoc; Point maxLoc;
  Point matchLoc;

  minMaxLoc( result, &minVal, &maxVal, &minLoc, &maxLoc, Mat() );

  // For SQDIFF and SQDIFF_NORMED, the best matches are lower values. For all the other methods, the higher the better
  if( match_method  == TM_SQDIFF || match_method == TM_SQDIFF_NORMED )
    { matchLoc = minLoc; }
  else
    { matchLoc = maxLoc; }

  // Show me what you got
  rectangle( img_display, matchLoc, Point( matchLoc.x + templ.cols , matchLoc.y + templ.rows ), Scalar::all(0), 2, 8, 0 );
  rectangle( result, matchLoc, Point( matchLoc.x + templ.cols , matchLoc.y + templ.rows ), Scalar::all(0), 2, 8, 0 );

  imshow( image_window, img_display );
  imshow( result_window, result );

  return;
}

结果：