模板匹配(Match Template)

作者：王先荣

前言
    模板匹配是在图像中寻找目标的方法之一。Come On, Boy.我们一起来看看模板匹配到底是怎么回事。

模板匹配的工作方式
    模板匹配的工作方式跟直方图的反向投影基本一样，大致过程是这样的：通过在输入图像上滑动图像块对实际的图像块和输入图像进行匹配。
    假设我们有一张100x100的输入图像，有一张10x10的模板图像，查找的过程是这样的：
  （1）从输入图像的左上角(0,0)开始，切割一块(0,0)至(10,10)的临时图像；
  （2）用临时图像和模板图像进行对比，对比结果记为c；
  （3）对比结果c，就是结果图像(0,0)处的像素值；
  （4）切割输入图像从(0,1)至(10,11)的临时图像，对比，并记录到结果图像；
  （5）重复（1）～（4）步直到输入图像的右下角。
    大家可以看到，直方图反向投影对比的是直方图，而模板匹配对比的是图像的像素值；模板匹配比直方图反向投影速度要快一些，但是我个人认为直方图反向投影的鲁棒性会更好。

模板匹配的匹配方式
    在OpenCv和EmguCv中支持以下6种对比方式：
    CV_TM_SQDIFF 平方差匹配法：该方法采用平方差来进行匹配；最好的匹配值为0；匹配越差，匹配值越大。
    CV_TM_CCORR 相关匹配法：该方法采用乘法操作；数值越大表明匹配程度越好。
    CV_TM_CCOEFF 相关系数匹配法：1表示完美的匹配；-1表示最差的匹配。
    CV_TM_SQDIFF_NORMED 归一化平方差匹配法
    CV_TM_CCORR_NORMED 归一化相关匹配法
    CV_TM_CCOEFF_NORMED 归一化相关系数匹配法
    根据我的测试结果来看，上述几种匹配方式需要的计算时间比较接近（跟《学习OpenCv》书上说的不同），我们可以选择一个能适应场景的匹配方式。

模板匹配的示例代码
    下面是模板匹配的C#版本代码：

        //模板匹配
        private void btnCalc_Click(object sender, EventArgs e)
        {
            //输入图像
            Image<Bgr, Byte> imageInput = new Image<Bgr, byte>((Bitmap)pbInput.Image);
            //模板图像
            Image<Bgr, Byte> imageTemplate = new Image<Bgr, byte>((Bitmap)pbTemplate.Image);
            //缩放因子，更小的图像可以提高处理速度
            double scale = 1d;
            double.TryParse(txtScale.Text, out scale);
            if (scale != 1d)
            {
                imageInput = imageInput.Resize(scale, INTER.CV_INTER_LINEAR);
                imageTemplate = imageTemplate.Resize(scale, INTER.CV_INTER_LINEAR);
            }
            //色彩空间
            string colorSpace = (string)cmbColorSpace.SelectedItem;
            IImage imageInput2, imageTemplate2;
            if (colorSpace == "Gray")
            {
                imageInput2 = imageInput.Convert<Gray, Byte>();
                imageTemplate2 = imageTemplate.Convert<Gray, Byte>();
            }
            else if (colorSpace == "HSV")
            {
                imageInput2 = imageInput.Convert<Hsv, Byte>();
                imageTemplate2 = imageTemplate.Convert<Hsv, Byte>();
            }
            else
            {
                imageInput2 = imageInput.Copy();
                imageTemplate2 = imageTemplate.Copy();
            }
            //匹配方式数组
            TM_TYPE[] tmTypes = new TM_TYPE[] { TM_TYPE.CV_TM_SQDIFF, TM_TYPE.CV_TM_SQDIFF_NORMED, TM_TYPE.CV_TM_CCORR, TM_TYPE.CV_TM_CCORR_NORMED, TM_TYPE.CV_TM_CCOEFF, TM_TYPE.CV_TM_CCOEFF_NORMED };
            //输出图像（匹配结果）
            Image<Gray, Single>[] imageResults = new Image<Gray, float>[tmTypes.Length];
            //依次执行每种匹配，并归一化结果
            int i = 0;
            double totalTime = 0d;  //总共用时
            double time;            //每种匹配的用时
            Stopwatch sw = new Stopwatch();
            txtResult.Text += string.Format("开始执行匹配（色彩空间：{0}，缩放因子：{1}）\r\n", colorSpace, scale);
            foreach (TM_TYPE tmType in tmTypes)
            {
                sw.Start();
                //模板匹配（注意：因为接口IImage中没有名为MatchTemplate的定义，所以需要进行强制转换）
                //Image<Gray, Single> imageResult = imageInput2.MatchTemplate(imageTemplate2, tmType);
                Image<Gray, Single> imageResult;
                if (colorSpace == "Gray")
                    imageResult = ((Image<Gray, Byte>)imageInput2).MatchTemplate((Image<Gray, Byte>)imageTemplate2, tmType);
                else if (colorSpace == "HSV")
                    imageResult = ((Image<Hsv, Byte>)imageInput2).MatchTemplate((Image<Hsv, Byte>)imageTemplate2, tmType);
                else
                    imageResult = ((Image<Bgr, Byte>)imageInput2).MatchTemplate((Image<Bgr, Byte>)imageTemplate2, tmType);
                sw.Stop();
                time = sw.Elapsed.TotalMilliseconds;
                totalTime += time;
                sw.Reset();
                //归一化结果
                CvInvoke.cvNormalize(imageResult.Ptr, imageResult.Ptr, 1d, 0d, NORM_TYPE.CV_MINMAX, IntPtr.Zero);
                //找到最匹配的点，以及该点的值
                double bestValue;
                Point bestPoint;
                FindBestMatchPointAndValue(imageResult, tmType, out bestValue, out bestPoint);
                //在最匹配的点附近画一个跟模板一样大的矩形
                Rectangle rect = new Rectangle(new Point(bestPoint.X - imageTemplate.Size.Width / 2, bestPoint.Y - imageTemplate.Size.Height / 2), imageTemplate.Size);
                imageResult.Draw(rect, new Gray(bestValue), 2);
                //保存结果图像到数组
                imageResults[i] = imageResult;
                i++;
                //显示结果
                txtResult.Text += string.Format("匹配方式：{0:G}，用时：{1:F05}毫秒，最匹配的点：({2},{3})，最匹配的值：{4}\r\n", tmType, time, bestPoint.X, bestPoint.Y, bestValue);
            }
            txtResult.Text += string.Format("匹配结束，共用时：{0:F05}毫秒\r\n", totalTime);
            //显示结果图像
            pbResultSqdiff.Image = ImageConverter.ImageSingleToBitmap<Gray>(imageResults[0]);
            pbResultSqdiffNormalized.Image = ImageConverter.ImageSingleToBitmap<Gray>(imageResults[1]);
            pbResultCcorr.Image = ImageConverter.ImageSingleToBitmap<Gray>(imageResults[2]);
            pbResultCcorrNormalized.Image = ImageConverter.ImageSingleToBitmap<Gray>(imageResults[3]);
            pbResultCcoeff.Image = ImageConverter.ImageSingleToBitmap<Gray>(imageResults[4]);
            pbResultCcoeffNormalized.Image = ImageConverter.ImageSingleToBitmap<Gray>(imageResults[5]);
            //释放资源
            imageInput.Dispose();
            imageTemplate.Dispose();
            imageInput2.Dispose();
            imageTemplate2.Dispose();
            foreach (Image<Gray, Single> imageResult in imageResults)
                imageResult.Dispose();
        }

        //找到最匹配的点，以及该点的值
        private void FindBestMatchPointAndValue(Image<Gray, Single> image, TM_TYPE tmType, out double bestValue, out Point bestPoint)
        {
            bestValue = 0d;
            bestPoint = new Point(0, 0);
            double[] minValues, maxValues;
            Point[] minLocations, maxLocations;
            image.MinMax(out minValues, out maxValues, out minLocations, out maxLocations);
            //对于平方差匹配和归一化平方差匹配，最小值表示最好的匹配；其他情况下，最大值表示最好的匹配
            if (tmType == TM_TYPE.CV_TM_SQDIFF || tmType == TM_TYPE.CV_TM_SQDIFF_NORMED)
            {
                bestValue = minValues[0];
                bestPoint = minLocations[0];
            }
            else
            {
                bestValue = maxValues[0];
                bestPoint = maxLocations[0];
            }
        }

显示结果图像
    模板匹配和直方图反向投影生成的结果图像都是32位浮点型单通道图像。如果用C/C++，可以很方便的用OpenCv中的cvShowImage函数来显示；如果用.net，因为EmguCv中将32位浮点图像转换成8位位图的方法有些小问题，我们要自己编写一段转换的代码，然后再显示。

        /// <summary>
        /// 将任意浮点型图像转换成Byte图像；
        /// 本转换函数对浮点型图像的具体像素值没有要求，自动将值缩放到0～255之间。
        /// </summary>
        /// <typeparam name="TColor">图像的色彩空间</typeparam>
        /// <param name="source">浮点型图像</param>
        /// <returns>返回Byte型图像</returns>
        public static Image<TColor, Byte> ImageSingleToByte<TColor>(Image<TColor, Single> source)
            where TColor : struct, IColor
        {
            Image<TColor, Byte> dest = new Image<TColor, Byte>(source.Size);
            //得到源图像的最小和最大值
            double[] minVal, maxVal;
            Point[] minLoc, maxLoc;
            source.MinMax(out minVal, out maxVal, out minLoc, out maxLoc);
            double min = minVal[0];
            double max = maxVal[0];
            for (int i = 1; i < minVal.Length; i++)
            {
                min = Math.Min(min, minVal[i]);
                max = Math.Max(max, maxVal[i]);
            }
            //得到缩放比率和偏移量
            double scale = 1.0, shift = 0.0;
            scale = (max == min) ? 0.0 : 255.0 / (max - min);
            shift = (scale == 0) ? min : -min * scale;
            //缩放图像，并浮点图像缩放到256级的灰度
            CvInvoke.cvConvertScaleAbs(source.Ptr, dest.Ptr, scale, shift);
            return dest;
        } 

        /// <summary>
        /// 将任意浮点型图像转换成每通道8位的Bitmap；
        /// 本转换函数对浮点型图像的具体像素值没有要求，自动将值缩放到0～255之间。
        /// </summary>
        /// <typeparam name="TColor">图像的色彩空间</typeparam>
        /// <param name="source">浮点型图像</param>
        /// <returns>返回每通道8位的Bitmap</returns>
        public static Bitmap ImageSingleToBitmap<TColor>(Image<TColor, Single> source)
            where TColor : struct, IColor
        {
            Image<TColor, Byte> dest = ImageSingleToByte<TColor>(source);
            Bitmap bitmap = dest.Bitmap;
            dest.Dispose();
            return bitmap;
        }

        左上是输入图像，左中是模板图像，右边是各种匹配方式的结果（相关匹配的结果明显不正确）

模板匹配和直方图反向投影的效率
    总的来说，模板匹配和直方图反向投影的效率都不高。在我的机器上，在1136*852大小的输入图像上匹配104*132的大小的模板图像（都是单通道灰度图像），大约需要700毫秒；而直方图反向投影大约需要75000毫秒（1.25分钟）。看来还需要继续学习，寻找更好的处理方法。
    另一方面，通过搜索OpenCv的源代码，发现OpenCv基本上没有使用并行计算。如果学习完之后，还有时间和热情，我准备尝试优化下OpenCv的并行计算；如果.net 4.0正式版推出了，也可以选择在这一方面做点优化。

感谢您耐心看完本文，希望对您有所帮助。