Shape Model 2D — Standalone PM 2D

Programma standalone Pattern Matching 2D shape-based.

Due backend algoritmici:

Backend	Modulo	Algoritmo	Tempo clip.png (13 istanze)
line (default)	pm2d.line_matcher.LineShapeMatcher	Linemod-style: gradient orient quantizzata + spread + response map + feature sparse	3.5 s, 12/13 score 1.0
edge	pm2d.matcher.EdgeShapeMatcher	Edge Canny + matchTemplate multi-rotazione	84 s, 6/13 score ~0.3

Porting algoritmico (non SIMD) di meiqua/shape_based_matching/line2Dup. MIPP (wrapper SIMD C++) non ha senso in Python — la vettorizzazione la fa già NumPy.

Struttura

Shape_model_2d/
├── pm2d/
│   ├── __init__.py
│   ├── matcher.py        # EdgeShapeMatcher (fallback, semplice)
│   ├── line_matcher.py   # LineShapeMatcher (default, ottimizzato)
│   └── gui.py            # GUI OpenCV + tk file dialog
├── main.py               # entry point
├── Test/                 # immagini di test
├── pyproject.toml
└── README.md

GUI e algoritmo separati: i matcher sono riusabili da qualsiasi script/backend.

Setup

uv sync

Esecuzione

uv run python main.py

Flusso: file dialog modello → ROI → file dialog scena → risultati.

API algoritmo (backend line, raccomandato)

import cv2
from pm2d import LineShapeMatcher

template = cv2.imread("model.png")
scene    = cv2.imread("scene.png")

m = LineShapeMatcher(
    num_features=96,          # feature sparse per variante
    weak_grad=30,             # soglia gradiente per spread
    strong_grad=60,           # soglia gradiente per estrazione feature
    angle_range_deg=(0, 360),
    angle_step_deg=5.0,
    scale_range=(0.9, 1.1),   # invarianza a scala
    scale_step=0.05,
    spread_radius=5,          # raggio dilate per robustezza
    pyramid_levels=3,         # velocità via pruning top-level
    top_score_factor=0.5,     # soglia top = min_score * factor
)
m.train(template)             # ~0.2 s
matches = m.find(scene, min_score=0.55, max_matches=25)

for x in matches:
    print(x.cx, x.cy, x.angle_deg, x.scale, x.score)

Modello su regione parziale (non blob distinto)

train() accetta una maschera binaria opzionale per limitare le feature a una porzione della ROI (es. parte interna di un oggetto complesso, dettaglio distintivo, ecc.):

mask = np.zeros_like(template[:, :, 0])
cv2.fillPoly(mask, [poligono_utente], 255)
m.train(template, mask=mask)

Solo i gradienti dentro la maschera contribuiscono alle feature.

Come funziona il backend line

Training (costoso, ~0.2 s / 72 varianti)

Per ogni coppia (angolo, scala) del template:

1. Rotazione + scala su canvas con padding diagonale
2. Sobel → magnitude + orientation (atan2)
3. Quantizzazione orientazione in 8 bin modulo π (edge simmetrici)
4. Estrazione N feature sparse: top-magnitude sopra strong_grad, con spacing minimo per evitare cluster
5. Feature salvate come (dx, dy, bin) relative al centro-modello

Matching (veloce)

Scena processata una volta per livello piramide:

• Sobel → mag → orient quantizzato → bin invalidato dove mag < weak_grad
• Spread: dilate morfologica per bin (tolleranza localizzazione)
• Response map (8, H, W): response[b][y,x] = 1 dove orient b è presente

Per ogni variante:

score[y, x] = Σ_i  resp[bin_i][y + dy_i, x + dx_i]  /  N_features

Implementato con shift+add vettorizzato NumPy (O(N_features · H · W) invece di O(kh·kw·H·W) come matchTemplate).

Piramide multi-risoluzione

• Top-level (risoluzione /4 di default con pyramid_levels=3): score ridotto per pruning varianti. Se nessun pixel raggiunge min_score * top_score_factor, la variante è scartata.
• Full-res: calcolato solo per le varianti sopravvissute → nel benchmark clip: ~5-10 varianti su 72 = 7-14× speed-up rispetto a full-res per tutte.

Parametri principali

Parametro	Default	Significato
num_features	96	feature sparse per variante
weak_grad	30	threshold debole (per spread)
strong_grad	60	threshold forte (per estrazione feature)
spread_radius	5	raggio dilate spread (tolleranza posizionale)
min_feature_spacing	3	spacing minimo tra feature per evitare cluster
angle_range_deg	(0,360)	range rotazioni
angle_step_deg	5.0	passo angolare
scale_range	(1,1)	range scale
scale_step	0.1	passo scala
pyramid_levels	3	livelli piramide (più = pruning più aggressivo)
top_score_factor	0.5	soglia top-level = min_score * factor
min_score	0.55	soglia score finale [0..1]
max_matches	25	numero max di match
nms_radius	min(w,h)/2	raggio NMS baricentri

Roadmap

• Subpixel refinement (interpolazione parabolic sui picchi)
• ICP locale per raffinamento pose
• Vincoli di orientamento: clustering delle pose per eliminare duplicati cross-variante
• Numba JIT per il ciclo shift+add (eventuale 3-5× su scene grandi)