1. 模板匹配基础

result = cv2.matchTemplate(image, templ, method[, mask ] )

• image 为原始图像，必须是8 位或者32 位的浮点型图像。
• templ 为模板图像。它的尺寸必须小于或等于原始图像，并且与原始图像具有同样的类型。
• method 为匹配方法。该参数通过TemplateMatchModes 实现，有6种可能的值，如表所示。

• mask 为模板图像掩模。它必须和模板图像templ 具有相同的类型和大小。通常情况下该值使用默认值即可。当前，该参数仅支持TM_SQDIFF 和TM_CCORR_NORMED 两个值。
• result 是由每个位置的比较结果组合所构成的一个结果
  集，类型是单通道32 位浮点型。如果输入图像（原始图像）尺寸是W * H，模板的尺寸是w * h，则返回值的大小为(W-w+1)*(H-h+1)。

如下图所示，结果result 的大小满足(W-w+1)*(H-h+1)，在下图中就是(10-2+1)×(10-2+1)，即9×9。也就是说，模板图像要在输入图像内总计比较9×9 = 81 次，这些比较结果将构成一个9×9 大小的二维数组。

这里需要注意的是，函数cv2.matchTemplate()通过参数method来决定使用不同的查找方法。对于不同的查找方法，返回值result 具有不同的含义。例如：

• method 的值为cv2.TM_SQDIFF 和cv2.TM_SQDIFF_NORMED 时，result 值为0 表示匹配度最好，值越大，表示匹配度越差。
  
• method 的值为cv2.TM_CCORR、cv2.TM_CCORR_NORMED、cv2.TM_CCOEFF 和cv2.TM_CCOEFF_NORMED 时，result 的值越小表示匹配度越差，值越大表示匹配度越好。

查找最值（极值）与最值所在的位置，可以使用cv2.minMaxLoc()函数实现。该函数语法格式如下：

minVal, maxVal, minLoc, maxLoc = cv2.minMaxLoc( src [, mask] )

• src 为单通道数组。
  
• minVal 为返回的最小值，如果没有最小值，则可以是NULL（空值）。
  
• maxVal 为返回的最大值，如果没有最小值，则可以是NULL。
  
• minLoc 为最大值的位置，如果没有最大值，则可以是NULL。
  
• maxLoc 为最大值的位置，如果没有最大值，则可以是NULL。
  
• mask 为用来选取掩模的子集，可选项。

综上所述，函数cv2.matchTemplate()返回值中的最值位置就是模板匹配的位置，可以理解为模板匹配的评分，最值越大/越小(取决于method)，说明这个模板跟原图匹配的越好。当然，选用表中的不同参数值，匹配位置可能位于最大值所在的位置也可能位于最小值所在的位置。通过函数cv2.minMaxLoc()来查找函数cv2.matchTemplate()返回值中的最值位置，就可以找到最佳模板匹配的位置。

例如，当method 的值为cv2.TM_SQDIFF 和cv2.TM_SQDIFF_NORMED 时，0 表示最佳匹配，值越大，则表示匹配效果越差。因此，在使用这两种方法时，要寻找最小值所在的位置作为最佳匹配。如下语句能够找到cv2.matchTemplate()函数返回值中最小值的位置：

minVal, maxVal, minLoc, maxLoc = cv2.minMaxLoc(matchTemplate 函数的返回值)
topLeft = minLoc # 查找最小值所在的位置

以 topLeft 点为模板匹配位置的左上角坐标，结合模板图像的宽度w 和高度h 可以确定匹配位置的右下角坐标，代码如下所示：

bottomRight = (topLeft[0] + w, topLeft[1] + h) #w 和h 是模板图像的宽度和高度

通过上述方式，我们确定了模板匹配的矩形对角坐标位置，接下来可以借助函数cv2.rectangle()将该位置用白色标记出来。函数cv2.rectangle 的语法格式为：

Img = cv.rectangle( img, pt1, pt2, color[, thickness])

• img 表示要标记的目标图像。
• pt1 是矩形的顶点。
• pt2 是pt1 的对角顶点。
• color 是要绘制矩形的颜色或灰度级（灰度图像）。
• thickness 是矩形边线的宽度。

因此，使用的标记语句为：

cv2.rectangle(img,topLeft, bottomRight, 255, 2)

#使用函数cv2.matchTemplate()进行模板匹配。要求参数method 的值设置为cv2.TM_SQDIFF，显示函数的返回结果及匹配结果。
import cv2
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
img = cv2.imread('lena512g.bmp',0)
template = cv2.imread('temp.bmp',0)
th, tw = template.shape[::]
rv = cv2.matchTemplate(img,template,cv2.TM_SQDIFF)
minVal, maxVal, minLoc, maxLoc = cv2.minMaxLoc(rv)
topLeft = minLoc
bottomRight = (topLeft[0] + tw, topLeft[1] + th)
cv2.rectangle(img,topLeft, bottomRight, 255, 2)
plt.subplot(121),plt.imshow(rv,cmap = 'gray')
plt.title('Matching Result'), plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.subplot(122),plt.imshow(img,cmap = 'gray')
plt.title('Detected Point'), plt.xticks([]), plt.yticks([])
plt.show()

模板和原图如下：

运行上述代码，得到如图所示结果：

这里需要注意，在计算模板图像的宽度时，使用的语句为：

th, tw = template.shape[::]

返回值中的th 是模板图像的高度，tw 是模板图像的宽度。在OpenCV 官网的示例中，使用的语句形式为：

tw, th = template.shape[::-1]

该语句返回的也是模板图像的宽度和高度，只不过语句template.shape[::-1]将宽度和高度的顺序进行了调换。

2. 多模板匹配

在前面的例子中，我们在输入图像lena 中搜索其眼部子图，该子图在整个输入图像内仅出现了一次。但是，有些情况下，要搜索的模板图像很可能在输入图像内出现了多次，这时就需要找出多个匹配结果。而函数cv2.minMaxLoc()仅仅能够找出最值，无法给出所有匹配区域的位置信息。所以，要想匹配多个结果，使用函数cv2.minMaxLoc()是无法实现的，需要利用阈值进行处理。

下面分步骤介绍如何获取多模板匹配的结果。

2.1 获取匹配位置的集合

函数 where()能够获取模板匹配位置的集合。对于不同的输入，其返回的值是不同的。

• 当输入（参数）是一维数组时，返回值是一维索引，只有一组索引数组。

• 当输入是二维数组时，返回的是匹配值的位置索引，因此会有两组索引数组表示返回值的位置。

loc = np.where( res >= threshold)

• res 是函数cv2.matchTemplate()进行模板匹配后的返回值。
• threshold 是预设的阈值。
• loc 是满足“res >= threshold”的像素点的索引集合。二维数组返回值loc中为两个元素，分别表示匹配值的行索引和列索引。

#一维数组
import numpy as np
a=np.array([3,6,8,1,2,88])
b=np.where(a>5)
print(b)

该段代码返回的结果为：
(array([1, 2, 5], dtype=int64),)

#二维数组
import numpy as np
am=np.array([[3,6,8,77,66],[1,2,88,3,98],[11,2,67,5,2]])
b=np.where(am>5)
print(b)

该段代码返回的结果为：
(array([0, 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2], dtype=int64),
array([1, 2, 3, 4, 2, 4, 0, 2], dtype=int64))

2.2 循环

在获取匹配值的索引集合后，可以采用如下语句遍历所有匹配的位置，对这些位置做标记：

for i in 匹配位置集合:
	标记匹配位置。

2.3 在循环中使用函数zip()

函数 zip()用可迭代的对象作为参数，将对象中对应的元素打包成一个个元组，然后返回由这些元组组成的列表。

#例如
import numpy as np
am=np.array([[3,6,8,77,66],[1,2,88,3,98],[11,2,67,5,2]])
print(am)
b=np.where(am>5)
for i in zip(*b):
	print(i)

上述代码的输出结果为：
[[ 3 6 8 77 66]
[ 1 2 88 3 98]
[11 2 67 5 2]]
(0, 1)
(0, 2)
(0, 3)
(0, 4)
(1, 2)
(1, 4)
(2, 0)
(2, 2)

2.4 调整坐标

函 数 numpy.where() 可以获取满足条件的模板匹配位置集合， 然后可以使用函数cv2.rectangle()在上述匹配位置绘制矩形来标注匹配位置。

使用函数numpy.where()在函数cv2.matchTemplate()的输出值中查找指定值，得到的形式为“（行号，列号）”的位置索引。但是，函数cv2.rectangle()中用于指定顶点的参数所使用的是形
式为“（列号，行号）”的位置索引。所以，在使用函数cv2.rectangle()绘制矩形前，要先将函数numpy.where()得到的位置索引做“行列互换”。可以使用如下语句实现loc 内行列位置的互换：

loc[::-1]

#如下语句将loc 内的两个元素交换位置：
import numpy as np
loc = ([1,2,3,4],[11,12,13,14])
print(loc)
print(loc[::-1])

其中，语句print(loc)所对应的输出为：
([1, 2, 3, 4], [11, 12, 13, 14])
语句 print(loc[::-1])所对应的输出为：
([11, 12, 13, 14], [1, 2, 3, 4])

2.5 标记匹配图像的位置

函数 cv2.rectangle()可以标记匹配图像的具体位置，分别指定要标记的原始图像、对角顶点、颜色、矩形边线宽度即可。

关于矩形的对角顶点：

• 其中的一个对角顶点A可以通过for 循环语句从确定的满足条件的“匹配位置集合”内获取。
• 另外一个对角顶点，可以通过顶点A的位置与模板的宽（w）和高（h）进行运算得到。

因此，标记各个匹配位置的语句为：

for i in 匹配位置集合:
	cv2.rectangle(输入图像,i, (i[0] + w, i[1] + h), 255, 2)

2.6 多模板匹配案例

#使用模板匹配方式，标记在输入图像内与模板图像匹配的多个子图像。
import cv2
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
img = cv2.imread('lena4.bmp',0)
template = cv2.imread('lena4Temp.bmp',0)
w, h = template.shape[::-1]
res = cv2.matchTemplate(img,template,cv2.TM_CCOEFF_NORMED)
threshold = 0.9
loc = np.where( res >= threshold)
for pt in zip(*loc[::-1]):
	cv2.rectangle(img, pt, (pt[0] + w, pt[1] + h), 255, 1)
plt.imshow(img,cmap = 'gray')
plt.xticks([]), plt.yticks([])

模板及原始图像如下所示：

运行上述代码，得到如图所示结果：

大家可能已经注意到了，本来在函数cv2.rectangle()中设置的边界宽度为1，但实际上标记出来的宽度远远大于1。这是因为在当前的区域内，存在多个大于当前指定阈值（0.9）的情况，所以将它们都做了标记。这样，多个宽度为1 的矩形就合在了一起，显得边界比较粗。读者可以尝试修改阈值，调整宽度，观察不同的演示效果。