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OpenCV 图像金字塔、轮廓与模板匹配(学习笔记)

3638人阅读 2024/1/16 15:39 总访问：3143459 评论：0 收藏：0 手机

分类: opencv

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/3c9a034e352c4476b4ec6d8cc07a0263.png)
>#OpenCV 图像金字塔、轮廓与模板匹配(学习笔记)
[TOC]

## 图像金字塔

tn2>初始化代码。

```python
import cv2 #opencv读取的格式是BGR
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt#Matplotlib是RGB
%matplotlib inline 

def cv_show(img,name):
    cv2.imshow(name,img)
    cv2.waitKey()
    cv2.destroyAllWindows()
```


### 高斯金字塔

tn2>在OpenCV中，高斯金字塔是一种图像处理技术，它用于将一幅图像分解成多个不同分辨率的图像版本，其中每个版本都是原始图像的模糊和缩小版本。
这个过程可以帮助我们在不同尺度上分析和处理图像。

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/a179c9a293e64e82a8a4400d7f7cf8ce.png)

tn2>高斯金字塔：向下采样方法（缩小）

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/0c84b7844a174048ad53abe9e563a9d4.png)

tn2>高斯金字塔：向上采样方法（放大）

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/506b42d96bbb49ef926df146c4290fc0.png)

tn2>查看原始图片大小。

```python
img=cv2.imread("AM.png")
cv_show(img,'img')
print (img.shape)
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/97f77490ee3c4be78e883ad47da19297.png)

>(442, 340, 3)

tn2>放大操作。（大小翻一倍）

```python
up=cv2.pyrUp(img)
cv_show(up,'up')
print (up.shape)
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/dfe33989c07a4e2a91fd3cd14f2d9e6d.png)

>(884, 680, 3)

tn2>缩小一倍。

```python
down=cv2.pyrDown(img)
cv_show(down,'down')
print (down.shape)
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/aa6c096cd44a42dd81c8d8248f542bd7.png)

>(221, 170, 3)

tn2>放大两倍

```python
up2=cv2.pyrUp(up)
cv_show(up2,'up2')
print (up2.shape)
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/f2a57d7cccd240e6ac906f7d2f0ea967.png)

>(1768, 1360, 3)

tn2>放大后再缩小，我们会发现它与原有的图片相比比较模糊。

```python
up=cv2.pyrUp(img)
up_down=cv2.pyrDown(up)
cv_show(np.hstack((img,up_down)),'up_down')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/903ec85858a64e1ba32412dd424bfc3f.png)

### 拉普拉斯金字塔

tn2>拉普拉斯金字塔的构建基于高斯金字塔，主要计算每一层与其下一层之间的差异，也就是高斯金字塔中的每一层图像与其下一层图像的差异。
将这些细节图像与高斯金字塔的上一层相应尺度的图像相加，就可以还原出原始图像。

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/ddd7a7af8d5849bf8fc8ff86eee32c46.png)

```python
down=cv2.pyrDown(img)
down_up=cv2.pyrUp(down)
l_1=img-down_up
cv_show(l_1,'l_1')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/d626b65230ad45739690d94ef7c32225.png)

## 图像轮廓

tn2>通常我们再获取图像轮廓的时候，调用`cv2.findContours(img,mode,method)`方法。
`img`：通常是二值化后的灰度图。
`mode`:轮廓检索模式。一共有以下四种模式：
`cv2.RETR_EXTERNAL`：只检索最外面的轮廓；
`cv2.RETR_LIST`：检索所有的轮廓，并将其保存到一条链表当中；
`cv2.RETR_CCOMP`：检索所有的轮廓，并将他们组织为两层：顶层是各部分的外部边界，第二层是空洞的边界;
`cv2.RETR_TREE`：检索所有的轮廓，并重构嵌套轮廓的整个层次;
`method`:轮廓逼近方法
`cv2.CHAIN_APPROX_NONE`：以Freeman链码的方式输出轮廓，所有其他方法输出多边形（顶点的序列）。
`cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE`:压缩水平的、垂直的和斜的部分，也就是，函数只保留他们的终点部分。

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/46640391eb6c4f059fd1ac71f269705b.png)

tn2>为了更高的准确率，使用二值图像。

```python
img = cv2.imread('contours.png')
# 转成灰度图
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 设置阈值在127-255之间，进行二值化处理
ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
cv_show(thresh,'thresh')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/158dcfbcaf83488ba86ebf7033a4576f.png)

```python
# 检测图像中的对象边界
contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
```

### 绘制轮廓

```python
#传入绘制图像，轮廓，轮廓索引，颜色模式，线条厚度
# 注意需要copy,要不原图会变。。。
draw_img = img.copy()
res = cv2.drawContours(draw_img, contours, -1, (0, 0, 255), 2)
cv_show(res,'res')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/6d377465fb8742b9ae09b6428a6a7db9.png)

tn2>绘制第一个。

```python
draw_img = img.copy()
res = cv2.drawContours(draw_img, contours, 0, (0, 0, 255), 2)
cv_show(res,'res')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/177320e392bc49b2bc38e6ba8a0f483e.png)

### 轮廓特征

tn2>计算第一个图像的面积和周长。

```python
cnt = contours[0]
#面积
cv2.contourArea(cnt)
```

>8500.5

```python
#周长，True表示闭合的
cv2.arcLength(cnt,True)
```

>437.9482651948929

### 轮廓近似

tn2>轮廓近似（Contour Approximation）是图像处理和计算机视觉中的一种技术，用于减少轮廓的顶点数目，以简化轮廓的表示。

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/f3afa7ef8fc14e20bc7c933b2b94e9e5.png)

```python
img = cv2.imread('contours2.png')
# 二值化处理
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
cnt = contours[0]
#对第一个图像轮廓进行绘制
draw_img = img.copy()
res = cv2.drawContours(draw_img, [cnt], -1, (0, 0, 255), 2)
cv_show(res,'res')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/1a2d2927d7bb4b2e87599bcb4cf60a7b.png)

```python
# 计算轮廓周长（弧长）乘以的值越小0.01轮廓绘制越清晰
epsilon = 0.01*cv2.arcLength(cnt,True)
# 用于对轮廓进行多边形逼近
approx = cv2.approxPolyDP(cnt,epsilon,True)

draw_img = img.copy()
res = cv2.drawContours(draw_img, [approx], -1, (0, 0, 255), 2)
cv_show(res,'res')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/833177c3c8ee4bf98823d26ca1ad4859.png)

```python
epsilon = 0.15*cv2.arcLength(cnt,True)
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/b73a812df96149c29382f1e3e702a3cf.png)

### 边界矩形

```python
img = cv2.imread('contours.png')

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
ret, thresh = cv2.threshold(gray, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)
contours, hierarchy = cv2.findContours(thresh, cv2.RETR_TREE, cv2.CHAIN_APPROX_NONE)
cnt = contours[0]
# 使用矩形包裹
x,y,w,h = cv2.boundingRect(cnt)
# 绘制矩形框
img = cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)
cv_show(img,'img')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/133a97fcb8f943bfbab5909f3d460e0e.png)

```python
# 计算第一个图的面积
area = cv2.contourArea(cnt)
# 计算包裹这个图的矩形面积
x, y, w, h = cv2.boundingRect(cnt)
rect_area = w * h
extent = float(area) / rect_area
print ('轮廓面积与边界矩形比',extent)
```

>轮廓面积与边界矩形比：0.5154317244724715

### 外接圆

tn2>使用圆进行包裹。

```python
(x,y),radius = cv2.minEnclosingCircle(cnt)
center = (int(x),int(y))
radius = int(radius)
img = cv2.circle(img,center,radius,(0,255,0),2)
cv_show(img,'img')
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/2f6d5d56aa5440789cbcea0f3359c06d.png)

## 模板匹配

tn2>模板匹配和卷积原理很像，模板在原图像上从原点开始滑动，计算模板与（图像被模板覆盖的地方）的差别程度，这个差别程度的计算方法在opencv里有6种，然后将每次计算的结果放入一个矩阵里，作为结果输出。假如原图形是AxB大小，而模板是axb大小，则输出结果的矩阵是(A-a+1)x(B-b+1)

tn>简单来讲：模板匹配就像在一张图片里找到一张小图片的位置，就像找到拼图的一块在整个拼图上的位置一样。

```python
# 模板匹配
img = cv2.imread('lena.jpg', 0)
template = cv2.imread('face.jpg', 0)
h, w = template.shape[:2] 
```

```python
img.shape
```

>(263, 263)

```python
template.shape
```

>(110, 85)

| 模板匹配模式  | 描述  |
| ------------ | ------------ |
| TM_SQDIFF|计算平方不同，计算出来的值越小，越相关|
| TM_CCORR|计算相关性，计算出来的值越大，越相关|
| TM_CCOEFF|计算相关系数，计算出来的值越大，越相关|
| TM_SQDIFF_NORMED|计算归一化平方不同，计算出来的值越接近0，越相关|
| TM_CCORR_NORMED|计算归一化相关性，计算出来的值越接近1，越相关|
| TM_CCOEFF_NORMED|计算归一化相关系数，计算出来的值越接近1，越相关|

tn2>公式：https://docs.opencv.org/3.3.1/df/dfb/group__imgproc__object.html#ga3a7850640f1fe1f58fe91a2d7583695d

```python
methods = ['cv2.TM_CCOEFF', 'cv2.TM_CCOEFF_NORMED', 'cv2.TM_CCORR',
           'cv2.TM_CCORR_NORMED', 'cv2.TM_SQDIFF', 'cv2.TM_SQDIFF_NORMED']
```

```python
res = cv2.matchTemplate(img, template, cv2.TM_SQDIFF)
res.shape
```

>(154, 179)

```python
min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(res)
# 匹配结果矩阵中最小值，匹配结果矩阵中最大值，最小值的位置，最大值的位置
min_val, max_val, min_loc, max_loc
```

>(39168.0, 74403584.0, (107, 89), (159, 62))

tn2>遍历所有的模式：

```python
for meth in methods:
    img2 = img.copy()

    # 匹配方法的真值
    method = eval(meth)
    print (method)
    res = cv2.matchTemplate(img, template, method)
    min_val, max_val, min_loc, max_loc = cv2.minMaxLoc(res)

    # 如果是平方差匹配TM_SQDIFF或归一化平方差匹配TM_SQDIFF_NORMED，取最小值
    if method in [cv2.TM_SQDIFF, cv2.TM_SQDIFF_NORMED]:
        top_left = min_loc
    else:
        top_left = max_loc
    bottom_right = (top_left[0] + w, top_left[1] + h)

    # 画矩形
    cv2.rectangle(img2, top_left, bottom_right, 255, 2)

    plt.subplot(121), plt.imshow(res, cmap='gray')
    plt.xticks([]), plt.yticks([])  # 隐藏坐标轴
    plt.subplot(122), plt.imshow(img2, cmap='gray')
    plt.xticks([]), plt.yticks([])
    plt.suptitle(meth)
    plt.show()
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/b84f0dab06f6441e877d814fb98285de.png)

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/22d38d8e72094dad8290608249a403f9.png)

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/5f02dcb619954ac28a2d7a819d82a4c3.png)

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/49c1c6453233487b98214b170baa6d5b.png)

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/314ad8ec594546eda77c728ece7aca28.png)

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/360399b8c1024d52a6564bee3c70c50e.png)

### 匹配多个对象

tn2>匹配多个金币。

```python
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的坐标
loc = np.where(res >= threshold)
for pt in zip(*loc[::-1]):  # *号表示可选参数
    bottom_right = (pt[0] + w, pt[1] + h)
    cv2.rectangle(img_rgb, pt, bottom_right, (0, 0, 255), 2)

cv2.imshow('img_rgb', img_rgb)
cv2.waitKey(0)
```

![](https://img.tnblog.net/arcimg/hb/9e69b44ecb1b472aa1a6461974343453.png)

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