【OpenCV系列】模板匹配

原理

什么是模板匹配?

模板匹配是一项在一幅图像中寻找与另一幅模板图像最匹配(相似)部分的技术.

它是怎么实现的?

我们需要2幅图像:

我们的目标是检测最匹配的区域:

../../../../../_images/Template_Matching_Template_Theory_Summary.jpg

原图像 (I): 在这幅图像里,我们希望找到一块和模板匹配的区域
模板 (T): 将和原图像比照的图像块

为了确定匹配区域, 我们不得不滑动模板图像和原图像进行比较 :

../../../../../_images/Template_Matching_Template_Theory_Sliding.jpg

通过滑动, 我们的意思是图像块一次移动一个像素 (从左往右,从上往下). 在每一个位置, 都进行一次度量计算来表明它是 “好” 或 “坏” 地与那个位置匹配 (或者说块图像和原图像的特定区域有多么相似).

对于 T 覆盖在 I 上的每个位置,你把度量值保存到 结果图像矩阵 (R) 中. 在 R 中的每个位置 $(x,y)$ 都包含匹配度量值:

../../../../../_images/Template_Matching_Template_Theory_Result.jpg

上图就是 TM_CCORR_NORMED 方法处理后的结果图像 R . 最白的位置代表最高的匹配. 正如您所见, 红色椭圆框住的位置很可能是结果图像矩阵中的最大数值, 所以这个区域 (以这个点为顶点,长宽和模板图像一样大小的矩阵) 被认为是匹配的.

实际上, 我们使用函数 minMaxLoc 来定位在矩阵 R 中的最大值点 (或者最小值, 根据函数输入的匹配参数) .

OpenCV中支持哪些匹配算法?

OpenCV通过函数 matchTemplate 实现了模板匹配算法. 可用的方法有6个:

平方差匹配 method=CV_TM_SQDIFF

这类方法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.

$R(x,y)= \sum _{x',y'} (T(x',y')-I(x+x',y+y'))^2$

标准平方差匹配 method=CV_TM_SQDIFF_NORMED

$R(x,y)= \frac{\sum_{x',y'} (T(x',y')-I(x+x',y+y'))^2}{\sqrt{\sum_{x',y'}T(x',y')^2 \cdot \sum_{x',y'} I(x+x',y+y')^2}}$

相关匹配 method=CV_TM_CCORR

这类方法采用模板和图像间的乘法操作,所以较大的数表示匹配程度较高,0标识最坏的匹配效果.

$R(x,y)= \sum _{x',y'} (T(x',y') \cdot I(x+x',y+y'))$

标准相关匹配 method=CV_TM_CCORR_NORMED

$R(x,y)= \frac{\sum_{x',y'} (T(x',y') \cdot I'(x+x',y+y'))}{\sqrt{\sum_{x',y'}T(x',y')^2 \cdot \sum_{x',y'} I(x+x',y+y')^2}}$

相关匹配 method=CV_TM_CCOEFF

这类方法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).

$R(x,y)= \sum _{x',y'} (T'(x',y') \cdot I(x+x',y+y'))$

在这里

$\begin{array}{l} T'(x',y')=T(x',y') - 1/(w \cdot h) \cdot \sum _{x'',y''} T(x'',y'') \\ I'(x+x',y+y')=I(x+x',y+y') - 1/(w \cdot h) \cdot \sum _{x'',y''} I(x+x'',y+y'') \end{array}$

标准相关匹配 method=CV_TM_CCOEFF_NORMED

$R(x,y)= \frac{ \sum_{x',y'} (T'(x',y') \cdot I'(x+x',y+y')) }{ \sqrt{\sum_{x',y'}T'(x',y')^2 \cdot \sum_{x',y'} I'(x+x',y+y')^2} }$

通常,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). 最好的办法是对所有这些设置多做一些测试实验,以便为自己的应用选择同时兼顾速度和精度的最佳方案.

原文：http://www.opencv.org.cn/opencvdoc/2.3.2/html/doc/tutorials/imgproc/histograms/template_matching/template_matching.html

官网的文档还是非常详细的；

在不考虑缩放的条件下，滑动窗口匹配的时间复杂度就很高了，考虑缩放，时间复杂度就更大了！