C# OpenCV機器視覺:利用CNN實現快速模板匹配

在一個陽光燦爛的周末,阿強正癱在沙發上,百無聊賴地換著電視頻道。突然,一則新聞吸引了他的注意:某博物館里一幅珍貴的古畫離奇失蹤,警方懷疑是被一伙狡猾的盜賊偷走了,現場只留下一些模糊不清的監控畫面,根本無法確定盜賊的行蹤。阿強看著電視里那一團亂麻的線索,眼睛突然一亮,心中涌起一股熱血:“要是我能幫警方找到盜賊,那可就太酷了!說不定還能得到博物館的巨額懸賞,從此走上人生巔峰呢!”

說干就干,阿強立馬沖進他那堆滿各種電子設備和書籍的 “秘密基地”。他一邊翻箱倒柜,一邊嘴里嘟囔著:“我就不信了,憑我這一身的科技本領,還找不到幾個毛賊!” 就在這時,他的目光落在了一臺布滿灰塵的電腦上,腦海中突然閃過一個念頭:“對了!我可以用 OpenCvSharp 結合 CNN 來進行模板匹配,從監控畫面里找出盜賊的蛛絲馬跡!”

第一章:神秘的 CNN—— 圖像世界的 “超級偵探”
阿強深知,要想在這復雜的圖像世界里找到盜賊的線索,CNN(卷積神經網絡)可是他的秘密武器。但這個 CNN 到底是何方神圣呢?阿強決定給它編一個神秘的故事,好讓自己更有干勁。

“傳說中,CNN 是圖像世界里的一位超級偵探,它有著一雙無比銳利的眼睛,能看穿圖像里隱藏的所有秘密。” 阿強一邊對著空氣比劃,一邊眉飛色舞地說道,“它的大腦里裝滿了各種神奇的算法,就像一個藏滿了魔法道具的寶庫。當它面對一張圖像時,就會施展它的魔法,把圖像里的各種特征都提取出來,然后和它記憶中的模板進行比對,不管是多么微小的細節,都逃不過它的法眼。”

阿強越說越興奮,仿佛自己已經成為了 CNN 的主人,帶著它在圖像世界里大殺四方:“比如說,我們要找一個特定的圖案,CNN 就會像一個不知疲倦的尋寶者,在圖像的每一個角落仔細搜尋。它會用它的魔法卷積核,一層一層地掃描圖像,就像在給圖像做一次深度按摩,把那些隱藏在像素背后的秘密都挖掘出來。一旦發現和模板相似的地方,它就會像發現了寶藏一樣,立刻發出信號。”

第二章:籌備 “抓賊” 行動 —— 裝備與知識武裝
阿強決定先從監控畫面里提取一些可能和盜賊有關的模板,比如他們的身形、衣著特征等。他打開電腦,啟動 OpenCvSharp,開始加載監控圖像和制作模板。

“嘿,老伙計,今天就靠你幫我找出那些可惡的盜賊了!” 阿強拍了拍電腦,像是在給它打氣。

他小心翼翼地從監控視頻中截取了幾幀畫面,然后用圖像處理軟件把盜賊的大致輪廓勾勒出來,制作成模板。“這些模板就是我們的‘通緝令’,只要盜賊在圖像里出現,就別想逃過我們的追捕!” 阿強看著屏幕上的模板,信心滿滿地說道。

接下來,就是要把這些模板和 OpenCvSharp 里的 CNN 算法結合起來,讓它們發揮出最大的威力。阿強開始編寫代碼,雖然他心里也有點緊張,但一想到自己即將成為英雄,就充滿了動力。

阿強一邊編寫代碼,一邊在心里默默念叨:“我先把圖像和模板都加載進來,就像把案件的線索和嫌疑人的畫像都收集好。然后把模板標準化,讓它們都有相同的尺寸,這樣 CNN 才能更好地比對。接著把模板合并成一個多通道的卷積核,這就像是給 CNN 一把超級武器,讓它能同時搜索多個目標。再用這個卷積核對圖像進行卷積操作,就像讓 CNN 在圖像里進行地毯式搜索。最后,設置一個相似度閾值,只要找到的匹配度超過這個閾值,就說明我們可能找到了盜賊的蹤跡!”

class CNN模板匹配
{static void TEST(){// 加載圖像和多個模板  Mat image = Cv2.ImRead(@"D:\軟件\core\test\Image_20240622141940849.bmp", ImreadModes.Grayscale);Mat template1 = Cv2.ImRead(@"D:\軟件\core\template\1274.png", ImreadModes.Grayscale);Mat template2 = Cv2.ImRead(@"D:\軟件\core\template\1282.png", ImreadModes.Grayscale);// 標準化模板  Size templateSize = new Size(33, 33);Cv2.Resize(template1, template1, templateSize);Cv2.Resize(template2, template2, templateSize);// 合并模板為一個多通道卷積核  Mat filters = new Mat();Cv2.Merge(new Mat[] { template1, template2 }, filters); // 合并模板為多通道  // 創建輸出圖像  Mat outputImg = new Mat(image.Size(), MatType.CV_8UC3);Cv2.CvtColor(image, outputImg, ColorConversionCodes.BGR2RGB); // 轉換為 RGB 格式以便于顯示 // 執行卷積操作  Mat result = new Mat();Cv2.Filter2D(image, result, MatType.CV_32F, filters); // 使用多通道卷積核進行卷積  // 設置相似度閾值  double similarityThreshold = 0.8;// 計算每個模板的參考值  double[] referenceValues = new double[filters.Channels()];for (int i = 0; i < filters.Channels(); i++){referenceValues[i] = Cv2.Sum(filters.Split()[i])[0]; // 計算每個模板的參考值  }// 可視化所有匹配位置  for (int y = 0; y < result.Rows; y++){for (int x = 0; x < result.Cols; x++){// 獲取匹配值  double outputValue = result.At<float>(y, x);// 計算相似度  for (int i = 0; i < referenceValues.Length; i++){double similarity = 1 - Math.Abs(outputValue - referenceValues[i]) / referenceValues[i];// 僅在相似度超過閾值時可視化匹配位置  if (similarity > similarityThreshold){int centerX = x; // 圓心的 x 坐標  int centerY = y; // 圓心的 y 坐標  Cv2.Circle(outputImg, new Point(centerX, centerY), 2, new Scalar(179, 240, 240), thickness: 1);Cv2.Rectangle(outputImg, new Rect(x, y, templateSize.Width, templateSize.Height), new Scalar(179, 240, 240), 1);}}}}// 顯示結果  Cv2.ImShow("Match Result", outputImg);Cv2.WaitKey(0);Cv2.DestroyAllWindows();}
}

第三章:代碼沖鋒 —— 讓 CNN “大顯身手”
代碼編寫完成后,阿強深吸一口氣,按下了運行鍵。電腦屏幕上的圖像開始快速閃爍,CNN 就像一個不知疲倦的偵探,在圖像的每一個角落仔細搜尋著。

“快了,快了,馬上就能找到那些盜賊了!” 阿強緊張地盯著屏幕,眼睛都不敢眨一下。

突然,屏幕上出現了幾個綠色的圓圈和矩形,標記出了圖像中與模板相似度較高的位置。阿強興奮地跳了起來:“找到了!終于找到了!我就知道 CNN 不會讓我失望的!”

他仔細查看這些標記的位置,發現有幾個地方的身形和衣著特征與盜賊的模板非常相似。阿強立刻把這些信息整理成報告,發送給了警方。

第四章:真相大白 —— 阿強的 “英雄時刻”
幾天后,警方傳來了好消息:他們根據阿強提供的線索,成功抓獲了盜賊,找回了被盜的古畫。博物館為了感謝阿強,特意舉辦了一場盛大的頒獎典禮,阿強一下子成了當地的名人。

“阿強,你可真是我們的大英雄啊!” 博物館館長握著阿強的手,激動地說道。

阿強不好意思地撓撓頭:“其實我也沒做什么,主要是 OpenCvSharp 和 CNN 的功勞。”

從那以后,阿強更加癡迷于 OpenCvSharp 和 CNN 的研究。他知道,這只是他在圖像世界里的一次小小冒險,未來還有更多的挑戰和驚喜等待著他。而他,也將繼續用科技的力量,去探索這個神秘而又充滿魅力的圖像世界。

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