• 第 1 章 基本的图像操作和处理 本章讲解操作和处理图像的基础知识,将通过大量示例介绍处理图像所需的 Python 工具包,并介绍用于读取图像、图像转换和缩放、计算导数、画图和保存...1.1 PIL:Python图像处理


    转自 http://www.ituring.com.cn/tupubarticle/2024


    第 1 章 基本的图像操作和处理

    本章讲解操作和处理图像的基础知识,将通过大量示例介绍处理图像所需的 Python 工具包,并介绍用于读取图像、图像转换和缩放、计算导数、画图和保存结果等的基本工具。这些工具的使用将贯穿本书的剩余章节。

    1.1 PIL:Python图像处理类库

    PIL(Python Imaging Library,图像处理类库)提供了通用的图像处理功能,以及大量有用的基本图像操作,比如图像缩放、裁剪、旋转、颜色转换等。PIL 是免费的,可以从http://www.pythonware.com/products/pil/ 下载。

    利用 PIL 中的函数,我们可以从大多数图像格式的文件中读取数据,然后写入最常见的图像格式文件中。PIL 中最重要的模块为 Image。要读取一幅图像,可以使用:

    from PIL import Image
    
    pil_im = Image.open('empire.jpg')
    

    上述代码的返回值 pil_im 是一个 PIL 图像对象。

    图像的颜色转换可以使用 convert() 方法来实现。要读取一幅图像,并将其转换成灰度图像,只需要加上 convert('L'),如下所示:

    pil_im = Image.open('empire.jpg').convert('L')
    

    在 PIL 文档中有一些例子,参见http://www.pythonware.com/library/pil/handbook/index.htm。这些例子的输出结果如图 1-1 所示。

    图 1-1:用 PIL 处理图像的例子

    1.1.1 转换图像格式

    通过 save() 方法,PIL 可以将图像保存成多种格式的文件。下面的例子从文件名列表(filelist)中读取所有的图像文件,并转换成 JPEG 格式:

    from PIL import Image
    import os
    
    for infile in filelist:
      outfile = os.path.splitext(infile)[0] + ".jpg"
      if infile != outfile:
        try:
          Image.open(infile).save(outfile)
        except IOError:
          print "cannot convert", infile
    

    PIL 的 open() 函数用于创建 PIL 图像对象,save() 方法用于保存图像到具有指定文件名的文件。除了后缀变为“.jpg”,上述代码的新文件名和原文件名相同。PIL 是个足够智能的类库,可以根据文件扩展名来判定图像的格式。PIL 函数会进行简单的检查,如果文件不是 JPEG 格式,会自动将其转换成 JPEG 格式;如果转换失败,它会在控制台输出一条报告失败的消息。

    本书会处理大量图像列表。下面将创建一个包含文件夹中所有图像文件的文件名列表。首先新建一个文件,命名为 imtools.py,来存储一些经常使用的图像操作,然后将下面的函数添加进去:

    import os
    def get_imlist(path):
    
    """ 返回目录中所有JPG 图像的文件名列表"""
    
    return [os.path.join(path,f) for f in os.listdir(path) if f.endswith('.jpg')]
    

    现在,回到 PIL。

    1.1.2 创建缩略图

    使用 PIL 可以很方便地创建图像的缩略图。thumbnail() 方法接受一个元组参数(该参数指定生成缩略图的大小),然后将图像转换成符合元组参数指定大小的缩略图。例如,创建最长边为 128 像素的缩略图,可以使用下列命令:

    pil_im.thumbnail((128,128))
    

    1.1.3 复制和粘贴图像区域

    使用 crop() 方法可以从一幅图像中裁剪指定区域:

    box = (100,100,400,400)
    region = pil_im.crop(box)
    

    该区域使用四元组来指定。四元组的坐标依次是(左,上,右,下)。PIL 中指定坐标系的左上角坐标为(0,0)。我们可以旋转上面代码中获取的区域,然后使用 paste() 方法将该区域放回去,具体实现如下:

    region = region.transpose(Image.ROTATE_180)
    pil_im.paste(region,box)
    

    1.1.4 调整尺寸和旋转

    要调整一幅图像的尺寸,我们可以调用 resize() 方法。该方法的参数是一个元组,用来指定新图像的大小:

    out = pil_im.resize((128,128))
    

    要旋转一幅图像,可以使用逆时针方式表示旋转角度,然后调用 rotate() 方法:

    out = pil_im.rotate(45)
    

    上述例子的输出结果如图 1-1 所示。最左端是原始图像,然后是灰度图像、粘贴有旋转后裁剪图像的原始图像,最后是缩略图。

    1.2 Matplotlib

    我们处理数学运算、绘制图表,或者在图像上绘制点、直线和曲线时,Matplotlib 是个很好的类库,具有比 PIL 更强大的绘图功能。Matplotlib 可以绘制出高质量的图表,就像本书中的许多插图一样。Matplotlib 中的 PyLab 接口包含很多方便用户创建图像的函数。Matplotlib 是开源工具,可以从 http://matplotlib.sourceforge.net/ 免费下载。该链接中包含非常详尽的使用说明和教程。下面的例子展示了本书中需要使用的大部分函数。

    1.2.1 绘制图像、点和线

    尽管 Matplotlib 可以绘制出较好的条形图、饼状图、散点图等,但是对于大多数计算机视觉应用来说,仅仅需要用到几个绘图命令。最重要的是,我们想用点和线来表示一些事物,比如兴趣点、对应点以及检测出的物体。下面是用几个点和一条线绘制图像的例子:

    from PIL import Image
    from pylab import *
    
    # 读取图像到数组中
    im = array(Image.open('empire.jpg'))
    
    # 绘制图像
    imshow(im)
    
    # 一些点
    x = [100,100,400,400]
    y = [200,500,200,500]
    
    # 使用红色星状标记绘制点
    plot(x,y,'r*')
    
    # 绘制连接前两个点的线
    plot(x[:2],y[:2])
    
    # 添加标题,显示绘制的图像
    title('Plotting: "empire.jpg"')
    show()
    

    上面的代码首先绘制出原始图像,然后在 x 和 y 列表中给定点的 x 坐标和 y 坐标上绘制出红色星状标记点,最后在两个列表表示的前两个点之间绘制一条线段(默认为蓝色)。该例子的绘制结果如图 1-2 所示。show() 命令首先打开图形用户界面(GUI),然后新建一个图像窗口。该图形用户界面会循环阻断脚本,然后暂停,直到最后一个图像窗口关闭。在每个脚本里,你只能调用一次show() 命令,而且通常是在脚本的结尾调用。注意,在 PyLab 库中,我们约定图像的左上角为坐标原点。

    图像的坐标轴是一个很有用的调试工具;但是,如果你想绘制出较美观的图像,加上下列命令可以使坐标轴不显示:

    axis('off')
    

    上面的命令将绘制出如图 1-2 右边所示的图像。

    图 1-2:Matplotlib 绘图示例。带有坐标轴和不带坐标轴的包含点和一条线段的图像

    在绘图时,有很多选项可以控制图像的颜色和样式。最有用的一些短命令如表 1-1、表 1-2 和表 1-3 所示。使用方法见下面的例子:

    plot(x,y)         # 默认为蓝色实线
    plot(x,y,'r*')    # 红色星状标记
    plot(x,y,'go-')   # 带有圆圈标记的绿线
    plot(x,y,'ks:')   # 带有正方形标记的黑色点线
    

    表1-1:用PyLab库绘图的基本颜色格式命令

    颜色

     

    'b'

    蓝色

    'g'

    绿色

    'r'

    红色

    'c'

    青色

    'm'

    品红

    'y'

    黄色

    'k'

    黑色

    'w'

    白色

    表1-2:用PyLab库绘图的基本线型格式命令

    线型

     

    '-'

    实线

    '--'

    虚线

    ':'

    点线

    表1-3:用PyLab库绘图的基本绘制标记格式命令

    标记

     

    '.'

    'o'

    圆圈

    's'

    正方形

    '*'

    星形

    '+'

    加号

    'x'

    叉号

    1.2.2 图像轮廓和直方图

    下面来看两个特别的绘图示例:图像的轮廓和直方图。绘制图像的轮廓(或者其他二维函数的等轮廓线)在工作中非常有用。因为绘制轮廓需要对每个坐标 [x, y] 的像素值施加同一个阈值,所以首先需要将图像灰度化:

    from PIL import Image
    from pylab import *
    
    # 读取图像到数组中
    im = array(Image.open('empire.jpg').convert('L'))
    
    # 新建一个图像
    figure()
    # 不使用颜色信息
    gray()
    # 在原点的左上角显示轮廓图像
    contour(im, origin='image')
    axis('equal')
    axis('off')
    

    像之前的例子一样,这里用 PIL 的 convert() 方法将图像转换成灰度图像。

    图像的直方图用来表征该图像像素值的分布情况。用一定数目的小区间(bin)来指定表征像素值的范围,每个小区间会得到落入该小区间表示范围的像素数目。该(灰度)图像的直方图可以使用hist() 函数绘制:

    figure()
    hist(im.flatten(),128)
    show()
    

    hist() 函数的第二个参数指定小区间的数目。需要注意的是,因为 hist() 只接受一维数组作为输入,所以我们在绘制图像直方图之前,必须先对图像进行压平处理。flatten() 方法将任意数组按照行优先准则转换成一维数组。图 1-3 为等轮廓线和直方图图像。

    图 1-3:用 Matplotlib 绘制图像等轮廓线和直方图

    1.2.3 交互式标注

    有时用户需要和某些应用交互,例如在一幅图像中标记一些点,或者标注一些训练数据。PyLab库中的 ginput() 函数就可以实现交互式标注。下面是一个简短的例子:

    from PIL import Image
    from pylab import *
    
    im = array(Image.open('empire.jpg'))
    imshow(im)
    print 'Please click 3 points'
    x = ginput(3)
    print 'you clicked:',x
    show()
    

    上面的脚本首先绘制一幅图像,然后等待用户在绘图窗口的图像区域点击三次。程序将这些点击的坐标 [x, y] 自动保存在 x 列表里。

    1.3 NumPy

    NumPyhttp://www.scipy.org/NumPy/)是非常有名的 Python 科学计算工具包,其中包含了大量有用的思想,比如数组对象(用来表示向量、矩阵、图像等)以及线性代数函数。NumPy 中的数组对象几乎贯穿用于本书的所有例子中 1 数组对象可以帮助你实现数组中重要的操作,比如矩阵乘积、转置、解方程系统、向量乘积和归一化,这为图像变形、对变化进行建模、图像分类、图像聚类等提供了基础。

    1PyLab 实际上包含 NumPy 的一些内容,如数组类型。这也是我们能够在 1.2 节使用数组类型的原因。

    NumPy 可以从 http://www.scipy.org/Download 免费下载,在线说明文档(http://docs.scipy.org/doc/numpy/)包含了你可能遇到的大多数问题的答案。关于 NumPy 的更多内容,请参考开源书籍 [24]。

    1.3.1 图像数组表示

    在先前的例子中,当载入图像时,我们通过调用 array() 方法将图像转换成 NumPy 的数组对象,但当时并没有进行详细介绍。NumPy 中的数组对象是多维的,可以用来表示向量、矩阵和图像。一个数组对象很像一个列表(或者是列表的列表),但是数组中所有的元素必须具有相同的数据类型。除非创建数组对象时指定数据类型,否则数据类型会按照数据的类型自动确定。

    对于图像数据,下面的例子阐述了这一点:

    im = array(Image.open('empire.jpg'))
    print im.shape, im.dtype
    
    im = array(Image.open('empire.jpg').convert('L'),'f')
    print im.shape, im.dtype
    

    控制台输出结果如下所示:

    (800, 569, 3) uint8
    (800, 569) float32
    

    每行的第一个元组表示图像数组的大小(行、列、颜色通道),紧接着的字符串表示数组元素的数据类型。因为图像通常被编码成无符号八位整数(uint8),所以在第一种情况下,载入图像并将其转换到数组中,数组的数据类型为“uint8”。在第二种情况下,对图像进行灰度化处理,并且在创建数组时使用额外的参数“f”;该参数将数据类型转换为浮点型。关于更多数据类型选项,可以参考图书 [24]。注意,由于灰度图像没有颜色信息,所以在形状元组中,它只有两个数值。

    数组中的元素可以使用下标访问。位于坐标 ij,以及颜色通道 k 的像素值可以像下面这样访问:

    value = im[i,j,k]
    

    多个数组元素可以使用数组切片方式访问。切片方式返回的是以指定间隔下标访问该数组的元素值。下面是有关灰度图像的一些例子:

    im[i,:] = im[j,:]      # 将第 j 行的数值赋值给第 i 行
    im[:,i] = 100          # 将第 i 列的所有数值设为100
    im[:100,:50].sum()     # 计算前100 行、前 50 列所有数值的和
    im[50:100,50:100]      # 50~100 行,50~100 列(不包括第 100 行和第 100 列)
    im[i].mean()           # 第 i 行所有数值的平均值
    im[:,-1]               # 最后一列
    im[-2,:] (or im[-2])   # 倒数第二行
    

    注意,示例仅仅使用一个下标访问数组。如果仅使用一个下标,则该下标为行下标。注意,在最后几个例子中,负数切片表示从最后一个元素逆向计数。我们将会频繁地使用切片技术访问像素值,这也是一个很重要的思想。

    我们有很多操作和方法来处理数组对象。本书将在使用到的地方逐一介绍。你可以查阅在线文档或者开源图书 [24] 获取更多信息。

    1.3.2 灰度变换

    将图像读入 NumPy 数组对象后,我们可以对它们执行任意数学操作。一个简单的例子就是图像的灰度变换。考虑任意函数 f,它将 0...255 区间(或者 0...1 区间)映射到自身(意思是说,输出区间的范围和输入区间的范围相同)。下面是关于灰度变换的一些例子:

    from PIL import Image
    from numpy import *
    
    im = array(Image.open('empire.jpg').convert('L'))
    
    im2 = 255 - im # 对图像进行反相处理
    
    im3 = (100.0/255) * im + 100 # 将图像像素值变换到100...200 区间
    
    im4 = 255.0 * (im/255.0)**2 # 对图像像素值求平方后得到的图像
    

    第一个例子将灰度图像进行反相处理;第二个例子将图像的像素值变换到 100...200 区间;第三个例子对图像使用二次函数变换,使较暗的像素值变得更小。图 1-4 为所使用的变换函数图像。图 1-5 是输出的图像结果。你可以使用下面的命令查看图像中的最小和最大像素值:

    print int(im.min()), int(im.max())
    

    图 1-4:灰度变换示例。三个例子中所使用函数的图像,其中虚线表示恒等变换

    图 1-5:灰度变换。对图像应用图 1-4 中的函数:f(x)=255-x 对图像进行反相处理(左);f(x)=(100/255)x+100 对图像进行变换(中);f(x)=255(x/255)2 对图像做二次变换(右)

    如果试着对上面例子查看最小值和最大值,可以得到下面的输出结果:

    2 255
    0 253
    100 200
    0 255
    

    array() 变换的相反操作可以使用 PIL 的 fromarray() 函数完成:

    pil_im = Image.fromarray(im)
    

    如果你通过一些操作将“uint8”数据类型转换为其他数据类型,比如之前例子中的 im3 或者 im4,那么在创建 PIL 图像之前,需要将数据类型转换回来:

    pil_im = Image.fromarray(uint8(im))
    

    如果你并不十分确定输入数据的类型,安全起见,应该先转换回来。注意,NumPy 总是将数组数据类型转换成能够表示数据的“最低”数据类型。对浮点数做乘积或除法操作会使整数类型的数组变成浮点类型。

    1.3.3 图像缩放

    NumPy 的数组对象是我们处理图像和数据的主要工具。想要对图像进行缩放处理没有现成简单的方法。我们可以使用之前 PIL 对图像对象转换的操作,写一个简单的用于图像缩放的函数。把下面的函数添加到 imtool.py 文件里:

    def imresize(im,sz):
      """ 使用PIL 对象重新定义图像数组的大小"""
      pil_im = Image.fromarray(uint8(im))
    
      return array(pil_im.resize(sz))
    

    我们将会在接下来的内容中使用这个函数。

    1.3.4 直方图均衡化

    图像灰度变换中一个非常有用的例子就是直方图均衡化。直方图均衡化是指将一幅图像的灰度直方图变平,使变换后的图像中每个灰度值的分布概率都相同。在对图像做进一步处理之前,直方图均衡化通常是对图像灰度值进行归一化的一个非常好的方法,并且可以增强图像的对比度。

    在这种情况下,直方图均衡化的变换函数是图像中像素值的累积分布函数(cumulative distribution function,简写为 cdf,将像素值的范围映射到目标范围的归一化操作)。

    下面的函数是直方图均衡化的具体实现。将这个函数添加到 imtool.py 里:

    def histeq(im,nbr_bins=256):
      """ 对一幅灰度图像进行直方图均衡化"""
    
      # 计算图像的直方图
      imhist,bins = histogram(im.flatten(),nbr_bins,normed=True)
      cdf = imhist.cumsum() # 累积分布函数
      cdf = 255 * cdf / cdf[-1] # 归一化
    
      # 使用累积分布函数的线性插值,计算新的像素值
      im2 = interp(im.flatten(),bins[:-1],cdf)
    
      return im2.reshape(im.shape), cdf
    

    该函数有两个输入参数,一个是灰度图像,一个是直方图中使用小区间的数目。函数返回直方图均衡化后的图像,以及用来做像素值映射的累积分布函数。注意,函数中使用到累积分布函数的最后一个元素(下标为 -1),目的是将其归一化到 0...1 范围。你可以像下面这样使用该函数:

    from PIL import Image
    from numpy import *
    
    im = array(Image.open('AquaTermi_lowcontrast.jpg').convert('L'))
    im2,cdf = imtools.histeq(im)
    

    图 1-6 和图 1-7 为上面直方图均衡化例子的结果。上面一行显示的分别是直方图均衡化之前和之后的灰度直方图,以及累积概率分布函数映射图像。可以看到,直方图均衡化后图像的对比度增强了,原先图像灰色区域的细节变得清晰。

    图 1-6:直方图均衡化示例。左侧为原始图像和直方图,中间图为灰度变换函数,右侧为直方图均衡化后的图像和相应直方图

    图 1-7:直方图均衡化示例。左侧为原始图像和直方图,中间图为灰度变换函数,右侧为直方图均衡化后的图像和相应直方图

    1.3.5 图像平均

    图像平均操作是减少图像噪声的一种简单方式,通常用于艺术特效。我们可以简单地从图像列表中计算出一幅平均图像。假设所有的图像具有相同的大小,我们可以将这些图像简单地相加,然后除以图像的数目,来计算平均图像。下面的函数可以用于计算平均图像,将其添加到 imtool.py 文件里:

    def compute_average(imlist):
      """ 计算图像列表的平均图像"""
    
      # 打开第一幅图像,将其存储在浮点型数组中
      averageim = array(Image.open(imlist[0]), 'f')
    
      for imname in imlist[1:]:
        try:
          averageim += array(Image.open(imname))
        except:
          print imname + '...skipped'
      averageim /= len(imlist)
    
      # 返回uint8 类型的平均图像
      return array(averageim, 'uint8')
    

    该函数包括一些基本的异常处理技巧,可以自动跳过不能打开的图像。我们还可以使用 mean() 函数计算平均图像。mean() 函数需要将所有的图像堆积到一个数组中;也就是说,如果有很多图像,该处理方式需要占用很多内存。我们将会在下一节中使用该函数。

    1.3.6 图像的主成分分析(PCA)

    PCA(Principal Component Analysis,主成分分析)是一个非常有用的降维技巧。它可以在使用尽可能少维数的前提下,尽量多地保持训练数据的信息,在此意义上是一个最佳技巧。即使是一幅 100×100 像素的小灰度图像,也有 10 000 维,可以看成 10 000 维空间中的一个点。一兆像素的图像具有百万维。由于图像具有很高的维数,在许多计算机视觉应用中,我们经常使用降维操作。PCA 产生的投影矩阵可以被视为将原始坐标变换到现有的坐标系,坐标系中的各个坐标按照重要性递减排列。

    为了对图像数据进行 PCA 变换,图像需要转换成一维向量表示。我们可以使用 NumPy 类库中的flatten() 方法进行变换。

    将变平的图像堆积起来,我们可以得到一个矩阵,矩阵的一行表示一幅图像。在计算主方向之前,所有的行图像按照平均图像进行了中心化。我们通常使用 SVD(Singular Value Decomposition,奇异值分解)方法来计算主成分;但当矩阵的维数很大时,SVD 的计算非常慢,所以此时通常不使用 SVD 分解。下面就是 PCA 操作的代码:

    from PIL import Image
    from numpy import *
    
    def pca(X):
      """ 主成分分析:
        输入:矩阵X ,其中该矩阵中存储训练数据,每一行为一条训练数据
        返回:投影矩阵(按照维度的重要性排序)、方差和均值"""
    
      # 获取维数
      num_data,dim = X.shape
    
      # 数据中心化
      mean_X = X.mean(axis=0)
      X = X - mean_X
    
    if dim>num_data:
      # PCA- 使用紧致技巧
      M = dot(X,X.T) # 协方差矩阵
      e,EV = linalg.eigh(M) # 特征值和特征向量
      tmp = dot(X.T,EV).T # 这就是紧致技巧
      V = tmp[::-1] # 由于最后的特征向量是我们所需要的,所以需要将其逆转
      S = sqrt(e)[::-1] # 由于特征值是按照递增顺序排列的,所以需要将其逆转
      for i in range(V.shape[1]):
        V[:,i] /= S
    else:
      # PCA- 使用SVD 方法
      U,S,V = linalg.svd(X)
      V = V[:num_data] # 仅仅返回前nun_data 维的数据才合理
    
    # 返回投影矩阵、方差和均值
    return V,S,mean_X
    

    该函数首先通过减去每一维的均值将数据中心化,然后计算协方差矩阵对应最大特征值的特征向量,此时可以使用简明的技巧或者 SVD 分解。这里我们使用了 range() 函数,该函数的输入参数为一个整数 n,函数返回整数 0...(n-1) 的一个列表。你也可以使用 arange() 函数来返回一个数组,或者使用 xrange() 函数返回一个产生器(可能会提升速度)。我们在本书中贯穿使用range() 函数。

    如果数据个数小于向量的维数,我们不用 SVD 分解,而是计算维数更小的协方差矩阵 XXT 的特征向量。通过仅计算对应前 kk 是降维后的维数)最大特征值的特征向量,可以使上面的 PCA 操作更快。由于篇幅所限,有兴趣的读者可以自行探索。矩阵 V 的每行向量都是正交的,并且包含了训练数据方差依次减少的坐标方向。

    我们接下来对字体图像进行 PCA 变换。fontimages.zip 文件包含采用不同字体的字符 a 的缩略图。所有的 2359 种字体可以免费下载 2。假定这些图像的名称保存在列表 imlist 中,跟之前的代码一起保存传在 pca.py 文件中,我们可以使用下面的脚本计算图像的主成分:

    2免费字体图像库由 Martin Solli 收集并上传(http://webstaff.itn.liu.se/~marso/)。

    from PIL import Image
    from numpy import *
    from pylab import *
    import pca
    
    im = array(Image.open(imlist[0])) # 打开一幅图像,获取其大小
    m,n = im.shape[0:2] # 获取图像的大小
    imnbr = len(imlist) # 获取图像的数目
    
    # 创建矩阵,保存所有压平后的图像数据
    immatrix = array([array(Image.open(im)).flatten()
                   for im in imlist],'f')
    
    # 执行 PCA 操作
    V,S,immean = pca.pca(immatrix)
    
    # 显示一些图像(均值图像和前 7 个模式)
    figure()
    gray()
    subplot(2,4,1)
    imshow(immean.reshape(m,n))
    for i in range(7):
      subplot(2,4,i+2)
      imshow(V[i].reshape(m,n))
    
    show()
    

    注意,图像需要从一维表示重新转换成二维图像;可以使用 reshape() 函数。如图 1-8 所示,运行该例子会在一个绘图窗口中显示 8 个图像。这里我们使用了 PyLab 库的 subplot() 函数在一个窗口中放置多个图像。

    图 1-8:平均图像(左上)和前 7 个模式(具有最大方差的方向模式)

    1.3.7 使用pickle模块

    如果想要保存一些结果或者数据以方便后续使用,Python 中的 pickle 模块非常有用。pickle模块可以接受几乎所有的 Python 对象,并且将其转换成字符串表示,该过程叫做封装(pickling)。从字符串表示中重构该对象,称为拆封(unpickling)。这些字符串表示可以方便地存储和传输。

    我们来看一个例子。假设想要保存上一节字体图像的平均图像和主成分,可以这样来完成:

    # 保存均值和主成分数据
    f = open('font_pca_modes.pkl', 'wb')
    pickle.dump(immean,f)
    pickle.dump(V,f)
    f.close()
    

    在上述例子中,许多对象可以保存到同一个文件中。pickle 模块中有很多不同的协议可以生成 .pkl 文件;如果不确定的话,最好以二进制文件的形式读取和写入。在其他 Python 会话中载入数据,只需要如下使用 load() 方法:

    # 载入均值和主成分数据
    f = open('font_pca_modes.pkl', 'rb')
    immean = pickle.load(f)
    V = pickle.load(f)
    f.close()
    

    注意,载入对象的顺序必须和先前保存的一样。Python 中有个用 C 语言写的优化版本,叫做cpickle 模块,该模块和标准 pickle 模块完全兼容。关于 pickle 模块的更多内容,参见pickle 模块文档页 http://docs.python.org/library/pickle.html

    在本书接下来的章节中,我们将使用 with 语句处理文件的读写操作。这是 Python 2.5 引入的思想,可以自动打开和关闭文件(即使在文件打开时发生错误)。下面的例子使用 with() 来实现保存和载入操作:

    # 打开文件并保存
    with open('font_pca_modes.pkl', 'wb') as f:
      pickle.dump(immean,f)
      pickle.dump(V,f)
    

    # 打开文件并载入
    with open('font_pca_modes.pkl', 'rb') as f:
      immean = pickle.load(f)
      V = pickle.load(f)
    

    上面的例子乍看起来可能很奇怪,但 with() 确实是个很有用的思想。如果你不喜欢它,可以使用之前的 open 和 close 函数。

    作为 pickle 的一种替代方式,NumPy 具有读写文本文件的简单函数。如果数据中不包含复杂的数据结构,比如在一幅图像上点击的点列表,NumPy 的读写函数会很有用。保存一个数组 x 到文件中,可以使用:

    savetxt('test.txt',x,'%i')
    

    最后一个参数表示应该使用整数格式。类似地,读取可以使用:

    x = loadtxt('test.txt')
    

    你可以从在线文档http://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/generated/numpy.loadtxt.html 了解更多内容。

    最后,NumPy 有专门用于保存和载入数组的函数。你可以在上面的在线文档里查看关于 save()和 load() 的更多内容。

    1.4 SciPy

    SciPyhttp://scipy.org/) 是建立在 NumPy 基础上,用于数值运算的开源工具包。SciPy 提供很多高效的操作,可以实现数值积分、优化、统计、信号处理,以及对我们来说最重要的图像处理功能。接下来,本节会介绍 SciPy 中大量有用的模块。SciPy 是个开源工具包,可以从http://scipy.org/Download 下载。

    1.4.1 图像模糊

    图像的高斯模糊是非常经典的图像卷积例子。本质上,图像模糊就是将(灰度)图像 I 和一个高斯核进行卷积操作:

    Iσ = I*Gσ

    其中 * 表示卷积操作;Gσ 是标准差为 σ 的二维高斯核,定义为 :

    G_\sigma=\frac{1}{2\pi\sigma^2}e^{-(x^2+y^2)/2\sigma^2}

    高斯模糊通常是其他图像处理操作的一部分,比如图像插值操作、兴趣点计算以及很多其他应用。

    SciPy 有用来做滤波操作的 scipy.ndimage.filters 模块。该模块使用快速一维分离的方式来计算卷积。你可以像下面这样来使用它:

    from PIL import Image
    from numpy import *
    from scipy.ndimage import filters
    
    im = array(Image.open('empire.jpg').convert('L'))
    im2 = filters.gaussian_filter(im,5)
    

    上面 guassian_filter() 函数的最后一个参数表示标准差。

    图 1-9 显示了随着 σ 的增加,一幅图像被模糊的程度。σ 越大,处理后的图像细节丢失越多。如果打算模糊一幅彩色图像,只需简单地对每一个颜色通道进行高斯模糊:

    im = array(Image.open('empire.jpg'))
    im2 = zeros(im.shape)
    for i in range(3):
      im2[:,:,i] = filters.gaussian_filter(im[:,:,i],5)
    im2 = uint8(im2)
    

    在上面的脚本中,最后并不总是需要将图像转换成 uint8 格式,这里只是将像素值用八位来表示。我们也可以使用:

    im2 = array(im2,'uint8')
    

    来完成转换。

    关于该模块更多的内容以及不同参数的选择,请查看http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/ndimage.html 上 SciPy 文档中的 scipy.ndimage部分。

    图 1-9:使用 scipy.ndimage.filters 模块进行高斯模糊:(a)原始灰度图像;(b)使用 σ=2 的高斯滤波器;(c)使用 σ=5 的高斯滤波器;(d)使用 σ=10 的高斯滤波器

    1.4.2 图像导数

    整本书中可以看到,在很多应用中图像强度的变化情况是非常重要的信息。强度的变化可以用灰度图像 I(对于彩色图像,通常对每个颜色通道分别计算导数)的 x 和 y 方向导数 Ix 和 Iy 进行描述。

    图像的梯度向量为∇I = [IxIy]T。梯度有两个重要的属性,一是梯度的大小

    \left|\boldsymbol{\nabla I}\right|=\sqrt{{\boldsymbol{I}_x}^2+{\boldsymbol{I}_y}^2}

    它描述了图像强度变化的强弱,一是梯度的角度

    α=arctan2(IyIx)

    描述了图像中在每个点(像素)上强度变化最大的方向。NumPy 中的 arctan2() 函数返回弧度表示的有符号角度,角度的变化区间为 -π...π。

    我们可以用离散近似的方式来计算图像的导数。图像导数大多数可以通过卷积简单地实现:

    Ix=I*Dx 和 Iy=I*Dy

    对于 Dx 和 Dy,通常选择 Prewitt 滤波器:

    D_x=\begin{vmatrix}-1&0&1\\-1&0&1\\ -1&0&1\end{vmatrix} 和 D_y=\begin{vmatrix}-1&-1&-1\\0&0&0\\ 1&1&1\end{vmatrix}

    或者 Sobel 滤波器:

    D_x=\begin{vmatrix}-1&0&1\\-2&0&2\\ -1&0&1\end{vmatrix} 和 D_y=\begin{vmatrix}-1&-2&-1\\0&0&0\\ 1&2&1\end{vmatrix}

    这些导数滤波器可以使用 scipy.ndimage.filters 模块的标准卷积操作来简单地实现,例如:

    from PIL import Image
    from numpy import *
    from scipy.ndimage import filters
    
    im = array(Image.open('empire.jpg').convert('L'))
    
    # Sobel 导数滤波器
    imx = zeros(im.shape)
    filters.sobel(im,1,imx)
    
    imy = zeros(im.shape)
    filters.sobel(im,0,imy)
    
    magnitude = sqrt(imx**2+imy**2)
    

    上面的脚本使用 Sobel 滤波器来计算 x 和 y 的方向导数,以及梯度大小。sobel() 函数的第二个参数表示选择 x 或者 y 方向导数,第三个参数保存输出的变量。图 1-10 显示了用 Sobel 滤波器计算出的导数图像。在两个导数图像中,正导数显示为亮的像素,负导数显示为暗的像素。灰色区域表示导数的值接近于零。

    图 1-10:使用 Sobel 导数滤波器计算导数图像:(a)原始灰度图像;(b)x 导数图像;(c)y导数图像;(d)梯度大小图像

    上述计算图像导数的方法有一些缺陷:在该方法中,滤波器的尺度需要随着图像分辨率的变化而变化。为了在图像噪声方面更稳健,以及在任意尺度上计算导数,我们可以使用高斯导数滤波器:

    Ix=I*Gσx 和 Iy=I*Gσy

    其中,Gσx和 Gσy 表示 Gσ 在 x 和 y 方向上的导数,Gσ 为标准差为 σ 的高斯函数。

    我们之前用于模糊的 filters.gaussian_filter() 函数可以接受额外的参数,用来计算高斯导数。可以简单地按照下面的方式来处理:

    sigma = 5 # 标准差
    
    imx = zeros(im.shape)
    filters.gaussian_filter(im, (sigma,sigma), (0,1), imx)
    
    imy = zeros(im.shape)
    filters.gaussian_filter(im, (sigma,sigma), (1,0), imy)
    

    该函数的第三个参数指定对每个方向计算哪种类型的导数,第二个参数为使用的标准差。你可以查看相应文档了解详情。图 1-11 显示了不同尺度下的导数图像和梯度大小。你可以和图 1-9 中做相同尺度模糊的图像做比较。

    图 1-11:使用高斯导数计算图像导数:x 导数图像(上),y 导数图像(中),以及梯度大小图像(下);(a)为原始灰度图像,(b)为使用 σ=2 的高斯导数滤波器处理后的图像,(c)为使 用 σ=5 的高斯导数滤波器处理后的图像,(d)为使用 σ=10 的高斯导数滤波器处理后的图像

    1.4.3 形态学:对象计数

    形态学(或数学形态学)是度量和分析基本形状的图像处理方法的基本框架与集合。形态学通常用于处理二值图像,但是也能够用于灰度图像。二值图像是指图像的每个像素只能取两个值,通常是 0 和 1。二值图像通常是,在计算物体的数目,或者度量其大小时,对一幅图像进行阈值化后的结果。你可以从 http://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_morphology 大体了解形态学及其处理图像的方式。

    scipy.ndimage 中的 morphology 模块可以实现形态学操作。你可以使用 scipy.ndimage 中的measurements 模块来实现二值图像的计数和度量功能。下面通过一个简单的例子介绍如何使用它们。

    考虑在图 1-12a3 里的二值图像,计算该图像中的对象个数可以通过下面的脚本实现:

    3这个图像实际上是图像“分割”后的结果。如果你想知道该图像是如何创建的,可以查看 9.3 节。

    from scipy.ndimage import measurements,morphology
    
    # 载入图像,然后使用阈值化操作,以保证处理的图像为二值图像
    im = array(Image.open('houses.png').convert('L'))
    im = 1*(im<128)
    
    labels, nbr_objects = measurements.label(im)
    print "Number of objects:", nbr_objects
    
    

    上面的脚本首先载入该图像,通过阈值化方式来确保该图像是二值图像。通过和 1 相乘,脚本将布尔数组转换成二进制表示。然后,我们使用 label() 函数寻找单个的物体,并且按照它们属于哪个对象将整数标签给像素赋值。图 1-12b 是 labels 数组的图像。图像的灰度值表示对象的标签。可以看到,在一些对象之间有一些小的连接。进行二进制开(binary open)操作,我们可以将其移除:

    # 形态学开操作更好地分离各个对象
    im_open = morphology.binary_opening(im,ones((9,5)),iterations=2)
    
    labels_open, nbr_objects_open = measurements.label(im_open)
    print "Number of objects:", nbr_objects_open
    

    binary_opening() 函数的第二个参数指定一个数组结构元素。该数组表示以一个像素为中心时,使用哪些相邻像素。在这种情况下,我们在 y 方向上使用 9 个像素(上面 4 个像素、像素本身、下面 4 个像素),在 x 方向上使用 5 个像素。你可以指定任意数组为结构元素,数组中的非零元素决定使用哪些相邻像素。参数 iterations 决定执行该操作的次数。你可以尝试使用不同的迭代次数 iterations 值,看一下对象的数目如何变化。你可以在图 1-12c 与图 1-12d 中查看经过开操作后的图像,以及相应的标签图像。正如你想象的一样,binary_closing() 函数实现相反的操作。我们将该函数和在 morphology 和 measurements 模块中的其他函数的用法留作练习。你可以从 scipy.ndimage 模块文档 http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/ndimage.html 中了解关于这些函数的更多知识。

    图 1-12:形态学示例。使用二值开操作将对象分开,然后计算物体的数目:(a)为原始二值图像;(b)为对应原始图像的标签图像,其中灰度值表示物体的标签;(c)为使用开操作后的二值图像;(d)为开操作后图像的标签图像

    1.4.4 一些有用的SciPy模块

    SciPy 中包含一些用于输入和输出的实用模块。下面介绍其中两个模块:io 和 misc

    1. 读写.mat文件

      如果你有一些数据,或者在网上下载到一些有趣的数据集,这些数据以 Matlab 的 .mat 文件格式存储,那么可以使用 scipy.io 模块进行读取。

      data = scipy.io.loadmat('test.mat')
      

      上面代码中,data 对象包含一个字典,字典中的键对应于保存在原始 .mat 文件中的变量名。由于这些变量是数组格式的,因此可以很方便地保存到 .mat 文件中。你仅需创建一个字典(其中要包含你想要保存的所有变量),然后使用 savemat() 函数:

      data = {}
      data['x'] = x
      scipy.io.savemat('test.mat',data)
      

      因为上面的脚本保存的是数组 x,所以当读入到 Matlab 中时,变量的名字仍为 x。关于scipy.io 模块的更多内容,请参见在线文档http://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/io.html

    2. 以图像形式保存数组

      因为我们需要对图像进行操作,并且需要使用数组对象来做运算,所以将数组直接保存为图像文件 4 非常有用。本书中的很多图像都是这样的创建的。

      imsave() 函数可以从 scipy.misc 模块中载入。要将数组 im 保存到文件中,可以使用下面的命令:

      from scipy.misc import imsave
      imsave('test.jpg',im)
      

      scipy.misc 模块同样包含了著名的 Lena 测试图像:

      lena = scipy.misc.lena()
      

      该脚本返回一个 512×512 的灰度图像数组。

    4所有 Pylab 图均可保存为多种图像格式,方法是点击图像窗口中的“保存”按钮。

    1.5 高级示例:图像去噪

    我们通过一个非常实用的例子——图像的去噪——来结束本章。图像去噪是在去除图像噪声的同时,尽可能地保留图像细节和结构的处理技术。我们这里使用 ROF(Rudin-Osher-Fatemi)去噪模型。该模型最早出现在文献 [28] 中。图像去噪对于很多应用来说都非常重要;这些应用范围很广,小到让你的假期照片看起来更漂亮,大到提高卫星图像的质量。ROF 模型具有很好的性质:使处理后的图像更平滑,同时保持图像边缘和结构信息。

    ROF 模型的数学基础和处理技巧非常高深,不在本书讲述范围之内。在讲述如何基于 Chambolle 提出的算法 [5] 实现 ROF 求解器之前,本书首先简要介绍一下 ROF 模型。

    一幅(灰度)图像 I 的全变差(Total Variation,TV)定义为梯度范数之和。在连续表示的情况下,全变差表示为:

    J(\boldsymbol{I})=\int\left|\nabla\boldsymbol{I}\right|\text{dx}            (1.1)

    在离散表示的情况下,全变差表示为:

    J(\boldsymbol{I})=\sum_{\text{x}}\left|\nabla\boldsymbol{I}\right|

    其中,上面的式子是在所有图像坐标 x=[x, y] 上取和。

    在 Chambolle 提出的 ROF 模型里,目标函数为寻找降噪后的图像 U,使下式最小:

    \min_U\left|\left|\boldsymbol{I}-\boldsymbol{U}\right|\right|^2+2\lambda J(\boldsymbol{U}),

    其中范数 ||I-U|| 是去噪后图像 U 和原始图像 I 差异的度量。也就是说,本质上该模型使去噪后的图像像素值“平坦”变化,但是在图像区域的边缘上,允许去噪后的图像像素值“跳跃”变化。

    按照论文 [5] 中的算法,我们可以按照下面的代码实现 ROF 模型去噪:

    from numpy import *
    
    def denoise(im,U_init,tolerance=0.1,tau=0.125,tv_weight=100):
      """ 使用A. Chambolle(2005)在公式(11)中的计算步骤实现Rudin-Osher-Fatemi(ROF)去噪模型
    
        输入:含有噪声的输入图像(灰度图像)、U 的初始值、TV 正则项权值、步长、停业条件
    
        输出:去噪和去除纹理后的图像、纹理残留"""
    
      m,n = im.shape # 噪声图像的大小
    
      # 初始化
      U = U_init
      Px = im # 对偶域的x 分量
      Py = im # 对偶域的y 分量
      error = 1
    
    while (error > tolerance):
      Uold = U
    
      # 原始变量的梯度
      GradUx = roll(U,-1,axis=1)-U # 变量U 梯度的x 分量
      GradUy = roll(U,-1,axis=0)-U # 变量U 梯度的y 分量
    
      # 更新对偶变量
      PxNew = Px + (tau/tv_weight)*GradUx
      PyNew = Py + (tau/tv_weight)*GradUy
      NormNew = maximum(1,sqrt(PxNew**2+PyNew**2))
    
      Px = PxNew/NormNew # 更新x 分量(对偶)
      Py = PyNew/NormNew # 更新y 分量(对偶)
    
      # 更新原始变量
      RxPx = roll(Px,1,axis=1) # 对x 分量进行向右x 轴平移
      RyPy = roll(Py,1,axis=0) # 对y 分量进行向右y 轴平移
    
      DivP = (Px-RxPx)+(Py-RyPy) # 对偶域的散度
      U = im + tv_weight*DivP # 更新原始变量
    
      # 更新误差
      error = linalg.norm(U-Uold)/sqrt(n*m);
    
      return U,im-U # 去噪后的图像和纹理残余
    

    在这个例子中,我们使用了 roll() 函数。顾名思义,在一个坐标轴上,它循环“滚动”数组中的元素值。该函数可以非常方便地计算邻域元素的差异,比如这里的导数。我们还使用了linalg.norm() 函数,该函数可以衡量两个数组间(这个例子中是指图像矩阵 U和 Uold)的差异。我们将这个 denoise() 函数保存到 rof.py 文件中。

    下面使用一个合成的噪声图像示例来说明如何使用该函数:

    from numpy import *
    from numpy import random
    from scipy.ndimage import filters
    import rof
    
    # 使用噪声创建合成图像
    im = zeros((500,500))
    im[100:400,100:400] = 128
    im[200:300,200:300] = 255
    im = im + 30*random.standard_normal((500,500))
    
    U,T = rof.denoise(im,im)
    G = filters.gaussian_filter(im,10)
    
    # 保存生成结果
    from scipy.misc import imsave
    imsave('synth_rof.pdf',U)
    imsave('synth_gaussian.pdf',G)
    

    原始图像和图像的去噪结果如图 1-13 所示。正如你所看到的,ROF 算法去噪后的图像很好地保留了图像的边缘信息。

    图 1-13:使用 ROF 模型对合成图像去噪:(a)为原始噪声图像;(b)为经过高斯模糊的图像(σ=10);(c)为经过 ROF 模型去噪后的图像

    下面看一下在实际图像中使用 ROF 模型去噪的效果:

    from PIL import Image
    from pylab import *
    import rof
    
    im = array(Image.open('empire.jpg').convert('L'))
    U,T = rof.denoise(im,im)
    
    figure()
    gray()
    imshow(U)
    axis('equal')
    axis('off')
    show()
    

    经过 ROF 去噪后的图像如图 1-14c 所示。为了方便比较,该图中同样显示了模糊后的图像。可以看到,ROF 去噪后的图像保留了边缘和图像的结构信息,同时模糊了“噪声”。

    图 1-14:使用 ROF 模型对灰度图像去噪:(a)为原始噪声图像;(b)为经过高斯模糊的图像(σ=5);(c)为经过 ROF 模型去噪后的图像

    练习

    1. 如图 1-9 所示,将一幅图像进行高斯模糊处理。随着 σ 的增加,绘制出图像轮廓。在你绘制出的图中,图像的轮廓有何变化?你能解释为什么会发生这些变化吗?

    2. 通过将图像模糊化,然后从原始图像中减去模糊图像,来实现反锐化图像掩模操作(http://en.wikipedia.org/wiki/Unsharp_masking)。反锐化图像掩模操作可以实现图像锐化效果。试在彩色和灰度图像上使用反锐化图像掩模操作,观察该操作的效果。

    3. 除了直方图均衡化,商图像是另一种图像归一化的方法。商图像可以通过除以模糊后的图像I/(IGσ) 获得。尝试使用该方法,并使用一些样本图像进行验证。

    4. 使用图像梯度,编写一个在图像中获得简单物体(例如,白色背景中的正方形)轮廓的函数。

    5. 使用梯度方向和大小检测图像中的线段。估计线段的长度以及线段的参数,并在原始图像中重新绘制该线段。

    6. 使用 label() 函数处理二值化图像,并使用直方图和标签图像绘制图像中物体的大小分布。

    7. 使用形态学操作处理阈值化图像。在发现一些参数能够产生好的结果后,使用 morphology 模块里面的 center_of_mass() 函数寻找每个物体的中心坐标,将其在图像中绘制出来。

    代码示例约定

    从第 2 章起,我们假定 PIL、NumPy 和 Matplotlib 都包括在你所创建的每个文件和每个代码例子的开头:

    from PIL import Image
    from numpy import *
    from pylab import *
    

    这种约定使得示例代码更清晰,同时也便于读者理解。除此之外,我们使用 SciPy 模块时,将会在代码示例中显式声明。

    一些纯化论者会反对这种将全体模块导入的方式,坚持如下使用方式:

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    

    这种方式能够保持命名空间(知道每个函数从哪儿来)。因为我们不需要 PyLab 中的 NumPy 部分,所以该例子只从 Matplotlib 中导入 pyplot 部分。纯化论者和经验丰富的程序员们知道这些区别,他们能够选择自己喜欢的方式。但是,为了使本书的内容和例子更容易被读者接受,我们不打算这样做。

    请读者注意。


    展开全文
  • 整理了Python中关于Image模块的一些简单的图像处理操作
    版本信息:2.7.11
    环境:windows 7 64位系统
    编辑器:PyCharm
    运行工具:PyCharm
    文件地址:D:\phpStudy\WWW\python\Image

    一、引入图像模块

    1. PIL简介:PIL(Python Imaging Library Python,图像处理类库)提供了通用的图像处理功能,以及大量有用的基本图像操作,比如图像缩放、裁剪、旋转、颜色转换等。利用 PIL 中的函数,我们可以从大多数图像格式的文件中读取数据,然后写入最常见的图像格式文件中。PIL 中最重要的模块为 Image 

    2. 引入PIL:
    1. from PIL import Image
    注意:有一些教程默认是用import Image的,但是在window 的64位系统中如果没有在cmd中执行pip install PIL是找不到Image模块的,所以呢必须先安装Pillow,在cmd中运行pip install Pillow,这里也要变成from PIL import Image

    二、读取与存储操作

    1. PIL 的 open() 函数用于创建 PIL 图像对象,比如读取一张图片:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    注意:在该路径下必须有qq_image.jpg图片,否则会出错

    2. 存储图片:
    save() 方法用于保存图像到具有指定文件名的文件。通过 save() 方法,PIL 可以将图像保存成多种格式的文件,PIL 是个足够智能的类库,可以根据文件扩展名来判定图像的格式。比如:img.save('qq_image_thumb.jpg', 'JPEG'),PIL 函数会进行简单的检查,如果文件不是 JPEG 格式,会自动将其转换成 JPEG 格式;如果转换失败,它会在控制台输出一条报告失败的消息。

    为了效果,生成缩略图并且保存为qq_image_thumb.jpg:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 生成缩略图
    6. img.thumbnail((128, 128))
    7. # 保存图片
    8. img.save('qq_image_thumb.jpg', 'JPEG')
    运行后,进去文件目录:

     

    三、图像的一些基本操作

    1. 输出图片的信息(格式、尺寸以及图像类型)

    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 输出图片的格式,尺寸以及图像类型
    6. print img.format, img.size, img.mode
    输出:JPEG (355, 346) RGB

    2. 显示图片

    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 显示图片
    6. img.show()
    PyCharm下运行呢,会直接调用Windows照片查看器来显示图片

    3. 生成缩略图

    thumbnail() 方法接受一个元组参数(该参数指定生成缩略图的大小),然后将图像转换成符合元组参数指定大小的缩略图。
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 生成缩略图
    6. img.thumbnail((128, 128))
    7. # 显示图片
    8. img.show()
    这样运行之后就会显示128*128的图片

    4. 旋转图片

    要旋转一幅图像,可以使用逆时针方式表示旋转角度,然后调用 rotate() 方法:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 逆时针旋转45度
    6. rorate1 = img.rotate(45)
    7. rorate1.show()
    8. # 逆时针旋转90
    9. rorate2 = img.transpose(Image.ROTATE_90)
    10. rorate2.show()
    运行后如图:
    rorate1:

    由于尺寸不变,旋转45度之后会填白

    rorate2:

     
    注意:只有选择90度,180度以及270度的时候才能用img.transpose(Image.ROTATE_90),其他角度用rotate

    5. 翻转

    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 左右对换
    6. rorate3 = img.transpose(Image.FLIP_LEFT_RIGHT)
    7. rorate3.show()
    8. # 上下翻转
    9. rorate4 = img.transpose(Image.FLIP_TOP_BOTTOM)
    10. rorate4.show()
    运行后:
    rorate3:

     
    rorate4:

     

    6. 缩放图片

    要调整一幅图像的尺寸,我们可以调用 resize() 方法。该方法的参数是一个元组,用来指定新图像的大小:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 缩放图片为50*50
    6. resize1 = img.resize((50, 50))
    7. resize1.show()

    7. 图片灰度化

    图像的颜色转换可以使用 convert() 方法来实现。要读取一幅图像,并将其转换成灰度图像,只需要加上 convert('L'),如下:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 图片转换为灰度
    6. grey = img.convert('L')
    7. grey.show()
    运行后:

     

    8. 某个像素点的色彩值的获取以及更改

    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 获取某个像素位置的值
    6. print img.getpixel((100, 100))
    7. # 更改某个像素位置的值
    8. img.putpixel((100, 100), (0, 0, 0))

    9. 裁剪图片

    使用 crop() 方法可以从一幅图像中裁剪指定区域:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 裁剪图片 box为裁剪图片的区域范围
    6. box = (100, 100, 250, 250)
    7. region = img.crop(box)
    8. region.show()
    运行输出:

     注意:Python规定左上角为(0, 0)的坐标点,box由一个4元组(左,上,右,下)定义,表示为坐标为: (left, upper, right, lower),最后的两个数字必须比前面两个要大。如图:


    10. 粘贴图片

    为了效果,裁剪该图片的一部分然后旋转,最后粘贴到指定区域:
    1. # coding=utf-8
    2. from PIL import Image
    3. # 读取图片
    4. img = Image.open('qq_image.jpg')
    5. # 裁剪图片 box为裁剪图片的区域范围
    6. box = (100, 100, 250, 250)
    7. region = img.crop(box)
    8. region.show()
    9. # 逆时针旋转图片180度
    10. region2 = region.transpose(Image.ROTATE_180)
    11. region2.show()
    12. # 图片的粘贴
    13. img.paste(region2, box)
    14. img.show()
    运行:

     

    总结:

    如果需要更强大的图像处理操作的话,可以使用Matplotlib类库,它具有比PIL更强大的绘图功能,比如说可以绘制出强大的条形图、饼状图、散点图等。





    展开全文
  • Python图像处理

    2008-01-18 12:11:00
    Python图像处理 最近在做一件比较 evil 的事情——验证码识别,以此来学习一些新的技能。因为我是初学,对图像处理方面就不太了解了,欲要利吾事,必先利吾器,既然只是做一下实验,那用 Python 来作原型开发再...
    用Python做图像处理
    id="alimamaifrm" style="WIDTH: 750px; HEIGHT: 110px" border="0" name="alimamaifrm" marginwidth="0" marginheight="0" src="http://p.alimama.com/cpacode.php?t=A&pid=mm_10108440_0_0&w=750&h=110&rn=1&cn=3&ky=&cid=251602&bgc=FFFFFF&bdc=E6E6E6&tc=0000FF&dc=000000" frameborder="0" width="750" scrolling="no" height="110">
           最近在做一件比较 evil 的事情——验证码识别,以此来学习一些新的技能。因为我是初学,对图像处理方面就不太了解了,欲要利吾事,必先利吾器,既然只是做一下实验,那用 Python 来作原型开发再好不过了。在 Python 中,比较常用的图像处理库是 PIL(Python Image Library),当前版本是 1.1.6 ,用起来非常方便。大家可以在 http://www.pythonware.com/products/pil/index.htm 下载和学习。
           在这里,我主要是介绍一下做图像识别时可能会用到的一些 PIL 提供的功能,比如图像增强、还有滤波之类的。最后给出使用 Python 做图像处理与识别的优势与劣势。
    基本图像处理
           使用 PIL 之前需要 import Image 模块:
    import Image
           然后你就可以使用Image.open(‘xx.bmp’) 来打开一个位图文件进行处理了。打开文件你不用担心格式,也不用了解格式,无论什么格式,都只要把文件名丢给 Image.open 就可以了。真所谓 bmp、jpg、png、gif……,一个都不能少。
    img = Image.open(‘origin.png’)    # 得到一个图像的实例对象 img
    1原图
           图像处理中,最基本的就是色彩空间的转换。一般而言,我们的图像都是 RGB 色彩空间的,但在图像识别当中,我们可能需要转换图像到灰度图、二值图等不同的色彩空间。 PIL 在这方面也提供了极完备的支持,我们可以:
    new_img = img.convert(‘L’)
    把 img 转换为 256 级灰度图像, convert() 是图像实例对象的一个方法,接受一个 mode 参数,用以指定一种色彩模式,mode 的取值可以是如下几种:
    · 1 (1-bit pixels, black and white, stored with one pixel per byte)
    · L (8-bit pixels, black and white)
    · P (8-bit pixels, mapped to any other mode using a colour palette)
    · RGB (3x8-bit pixels, true colour)
    · RGBA (4x8-bit pixels, true colour with transparency mask)
    · CMYK (4x8-bit pixels, colour separation)
    · YCbCr (3x8-bit pixels, colour video format)
    · I (32-bit signed integer pixels)
    · F (32-bit floating point pixels)
    怎么样,够丰富吧?其实如此之处,PIL 还有限制地支持以下几种比较少见的色彩模式:LA (L with alpha), RGBX (true colour with padding) and RGBa (true colour with premultiplied alpha)。
    下面看一下 mode 为 ‘1’、’L’、’P’时转换出来的图像:
    2 mode = '1'
    3 mode = 'L'
    4 mode = 'P'
    convert() 函数也接受另一个隐含参数 matrix,转换矩阵 matrix 是一个长度为4 或者16 tuple。下例是一个转换 RGB 空间到 CIE XYZ 空间的例子:
        rgb2xyz = (
            0.412453, 0.357580, 0.180423, 0,
            0.212671, 0.715160, 0.072169, 0,
            0.019334, 0.119193, 0.950227, 0 )
        out = im.convert("RGB", rgb2xyz)
           除了完备的色彩空间转换能力外, PIL 还提供了resize()、rotate()等函数以获得改变大小,旋转图片等几何变换能力,在图像识别方面,图像实例提供了一个 histogram() 方法来计算直方图,非常方便实用。
    图像增强
           图像增强通常用以图像识别之前的预处理,适当的图像增强能够使得识别过程达到事半功倍的效果。 PIL 在这方面提供了一个名为 ImageEnhance 的模块,提供了几种常见的图像增强方案:
    import ImageEnhance
    enhancer = ImageEnhance.Sharpness(image)
    for i in range(8):
        factor = i / 4.0
        enhancer.enhance(factor).show("Sharpness %f" % factor)
    上面的代码即是一个典型的使用 ImageEnhance 模块的例子。 Sharpness 是 ImageEnhance 模块的一个类,用以锐化图片。这一模块主要包含如下几个类:Color、Brightness、Contrast和Sharpness。它们都有一个共同的接口 .enhance(factor) ,接受一个浮点参数 factor,标示增强的比例。下面看看这四个类在不同的 factor 下的效果
    5 使用Color 进行色彩增强,factor 取值 [0, 4],步进 0.5
    6 用 Birghtness 增强亮度,factor取值[0,4],步进0.5
    7用 Contrast 增强对比度, factor 取值 [0,4],步进0.5
    8用 Sharpness 锐化图像,factor取值 [0,4],步进0.5
    图像 Filter
           PIL 在 Filter 方面的支持是非常完备的,除常见的模糊、浮雕、轮廓、边缘增强和平滑,还有中值滤波、ModeFilter等,简直方便到可以做自己做一个Photoshop。这些 Filter 都放置在 ImageFilter 模块中,ImageFilter主要包括两部分内容,一是内置的 Filter,如 BLUR、DETAIL等,另一部分是 Filter 函数,可以指定不同的参数获得不同的效果。示例如下:
    import ImageFilter
    im1 = im.filter(ImageFilter.BLUR)
    im2 = im.filter(ImageFilter.MinFilter(3))
    im3 = im.filter(ImageFilter.MinFilter()) # same as MinFilter(3)
    可以看到 ImageFilter 模块的使用非常简单,每一个 Filter 都只需要一行代码就可调用,开发效率非常高。
     
    9使用 BLUR
    10使用 CONTOUR
    11使用 DETAIL
    12使用 EMBOSS
    13使用 EDGE_ENHANCE
    14使用 EDGE_ENHANCE_MORE
    15使用 FIND_EDGES
    16使用 SHARPEN
    17使用 SMOOTH
    18使用 SMOOTH_MORE
           以上是几种内置的 Filter 的效果图,除此之外, ImageFilter 还提供了一些 Filter 函数,下面我们来看看这些可以通过参数改变行为的 Filter 的效果:
    19使用 Kernel(),参数:size = (3, 3), kernel = (0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5)
    20使用 MaxFilter,默认参数
    21使用 MinFilter,默认参数
    22使用 MedianFilter,默认参数
    23使用 ModeFilter,参数 size = 3
    24使用 RankFilter,参数 size = 3, rank = 3
    小结
           到此,对 PIL 的介绍就告一段落了。总的来说,对于图像处理和识别,PIL 内建了强大的支持,从各种增强算法到 Filter ,都让人无法怀疑使用 Python 的可行性。 Python唯一的劣势在于执行时间过慢,特别是当实现一些计算量大的算法时候,需要极强的耐心。我曾用 Hough Transform(霍夫变换)来查找图像中的直线,纯 Python 的实现处理一个 340 * 100 的图片也要花去数秒时间(P4 3.0G + 1G memory)。但使用 PIL 无需关注图像格式、内建的图像增强算法和 Filter 算法,这些优点使 Python 适合用于构造原型和进行实验,在这两方面Python 比 matlab 更加方便。商业的图像识别产品开发,可以考虑已经被 boost accepted的来自 adobe 的开源 C++ 库 gil,可以兼顾执行性能和开发效率。
    id="alimamaifrm" style="WIDTH: 750px; HEIGHT: 110px" border="0" name="alimamaifrm" marginwidth="0" marginheight="0" src="http://p.alimama.com/cpacode.php?t=A&pid=mm_10108440_0_0&w=750&h=110&rn=1&cn=3&ky=%CA%E9&cid=50000072&bgc=FFFFFF&bdc=E6E6E6&tc=0000FF&dc=000000" frameborder="0" width="750" scrolling="no" height="110">
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  • 目录 ...初学OpenCV图像处理的小伙伴肯定对什么高斯函数、滤波处理、阈值二值化等特性非常头疼,这里给各位分享一个小项目,可通过摄像头实时动态查看各类图像处理的特点,也可对各位调参、测试...

    目录

    1、导入库文件

    2、设计GUI

    3、调用摄像头

    4、实时图像处理

    4.1、阈值二值化

    4.2、边缘检测

    4.3、轮廓检测

    4.4、高斯滤波

    4.5、色彩转换

    4.6、调节对比度

    5、退出系统


    初学OpenCV图像处理的小伙伴肯定对什么高斯函数、滤波处理、阈值二值化等特性非常头疼,这里给各位分享一个小项目,可通过摄像头实时动态查看各类图像处理的特点,也可对各位调参、测试有一定帮助,项目演示效果如下:

    1、导入库文件

    这里主要使用PySimpleGUI、cv2和numpy库文件,PySimpleGUI库文件实现GUI可视化,cv2库文件是Python的OpenCV接口文件,numpy库文件实现数值的转换和运算,均可通过pip导入。

    import PySimpleGUI as sg  #pip install pysimplegui
    import cv2  #pip install opencv-python
    import numpy as np #pip install numpy

    2、设计GUI

    基于PySimpleGUI库文件实现GUI设计,本项目界面设计较为简单,设计800X400尺寸大小的框图,浅绿色背景,主要由摄像头界面区域和控制按钮区域两部分组成。效果如下所示:

    GUI代码如下所示:

        #背景色
        sg.theme('LightGreen')
    
        #定义窗口布局
        layout = [
          [sg.Image(filename='', key='image')],
          [sg.Radio('None', 'Radio', True, size=(10, 1))],
          [sg.Radio('threshold', 'Radio', size=(10, 1), key='thresh'),
           sg.Slider((0, 255), 128, 1, orientation='h', size=(40, 15), key='thresh_slider')],
          [sg.Radio('canny', 'Radio', size=(10, 1), key='canny'),
           sg.Slider((0, 255), 128, 1, orientation='h', size=(20, 15), key='canny_slider_a'),
           sg.Slider((0, 255), 128, 1, orientation='h', size=(20, 15), key='canny_slider_b')],
          [sg.Radio('contour', 'Radio', size=(10, 1), key='contour'),
           sg.Slider((0, 255), 128, 1, orientation='h', size=(20, 15), key='contour_slider'),
           sg.Slider((0, 255), 80, 1, orientation='h', size=(20, 15), key='base_slider')],
          [sg.Radio('blur', 'Radio', size=(10, 1), key='blur'),
           sg.Slider((1, 11), 1, 1, orientation='h', size=(40, 15), key='blur_slider')],
          [sg.Radio('hue', 'Radio', size=(10, 1), key='hue'),
           sg.Slider((0, 225), 0, 1, orientation='h', size=(40, 15), key='hue_slider')],
          [sg.Radio('enhance', 'Radio', size=(10, 1), key='enhance'),
           sg.Slider((1, 255), 128, 1, orientation='h', size=(40, 15), key='enhance_slider')],
          [sg.Button('Exit', size=(10, 1))]
        ]
    
        #窗口设计
        window = sg.Window('OpenCV实时图像处理',
                   layout,
                   location=(800, 400),
                   finalize=True)

    3、调用摄像头

    打开电脑内置摄像头,将数据显示在GUI界面上,效果如下所示:

    代码如下所示:

        #打开内置摄像头
        cap = cv2.VideoCapture(0)
        while True:
            event, values = window.read(timeout=0, timeout_key='timeout')
    
            #实时读取图像
            ret, frame = cap.read()
    
            #GUI实时更新
            imgbytes = cv2.imencode('.png', frame)[1].tobytes()
            window['image'].update(data=imgbytes)
    
        window.close()

    4、实时图像处理

    4.1、阈值二值化

    进行阈值二值化操作,大于阈值values['thresh_slider']的,使用255表示,小于阈值values['thresh_slider']的,使用0表示,效果如下所示:

     代码如下所示:

    if values['thresh']:
        frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2LAB)[:, :, 0]
        frame = cv2.threshold(frame, values['thresh_slider'], 255, cv2.THRESH_BINARY)[1]

    4.2、边缘检测

    进行边缘检测,values['canny_slider_a']表示最小阈值,values['canny_slider_b']表示最大阈值,效果如下所示:

    代码如下所示:

    if values['canny']:
        frame = cv2.Canny(frame, values['canny_slider_a'], values['canny_slider_b'])

    4.3、轮廓检测

    轮廓检测是形状分析和物体检测和识别的有用工具,连接所有连续点(沿着边界)的曲线,具有相同的颜色或强度,效果如下所示:

     代码如下所示:

    if values['contour']:
        hue = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2HSV)
        hue = cv2.GaussianBlur(hue, (21, 21), 1)
        hue = cv2.inRange(hue, np.array([values['contour_slider'], values['base_slider'], 40]),
                          np.array([values['contour_slider'] + 30, 255, 220]))
        cnts= cv2.findContours(hue, cv2.RETR_EXTERNAL, cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE)[0]
        cv2.drawContours(frame, cnts, -1, (0, 0, 255), 2)
    

    4.4、高斯滤波

    进行高斯滤波,(21, 21)表示高斯矩阵的长与宽都是21,标准差取values['blur_slider'],效果如下所示:

     代码如下所示:

    if values['blur']:
        frame = cv2.GaussianBlur(frame, (21, 21), values['blur_slider'])
    

    4.5、色彩转换

    色彩空间的转化,HSV转换为BGR,效果如下所示:

     代码如下所示:

    if values['hue']:
        frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2HSV)
        frame[:, :, 0] += int(values['hue_slider'])
        frame = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_HSV2BGR)

    4.6、调节对比度

    增强对比度,使图像中的细节看起来更加清晰,效果如下所示:

      代码如下所示:

    if values['enhance']:
        enh_val = values['enhance_slider'] / 40
        clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=enh_val, tileGridSize=(8, 8))
        lab = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2LAB)
        lab[:, :, 0] = clahe.apply(lab[:, :, 0])
        frame = cv2.cvtColor(lab, cv2.COLOR_LAB2BGR)
    

    5、退出系统

    直接break即可跳出循环。

    if event == 'Exit' or event is None:
        break

    拓展学习:基于Python的人工智能美颜系统 

    请关注公众号,回复关键字:OpenCV实时图像处理,获取项目资源。

    展开全文
  • Python进行图像处理可以使用的库有很多,本文主要介绍下面三个:OpenCV、PIL、 skimage。其中,OpenCV是图像处理中最强大的一个库,它的源代码是由C\C++写成的,所以原版的OpenCV可以与C、C++无缝结合。Python版...

    在Python中进行图像处理可以使用的库有很多,本文主要介绍下面三个:

    • OpenCV(Open Source Computer Vision Library)
    • PIL(Python Imaging Library)
    • skimage(scikit-image)

    *如下代码的实验环境为Jupyter Notebook.

    欢迎关注白马负金羁的博客 http://blog.csdn.net/baimafujinji,为保证公式、图表得以正确显示,强烈建议你从该地址上查看原版博文。本博客主要关注方向包括:数字图像处理、算法设计与分析、数据结构、机器学习、数据挖掘、统计分析方法、自然语言处理。


    1. OpenCV

    OpenCV是图像处理中最强大的一个库,它的源代码是由C\C++写成的,所以原版的OpenCV可以与C、C++无缝结合。Python版的OpenCV主要依赖于cv2这个包来实现。

    1.1  imread()

    import cv2
    import numpy as np
    
    #读入图片:默认彩色图,cv2.IMREAD_GRAYSCALE灰度图,cv2.IMREAD_UNCHANGED包含alpha通道
    img = cv2.imread('Lena.png')
    print(img.shape)
    print(type(img))

    上述代码的执行结果如下:

    (512, 512, 3)
    <class 'numpy.ndarray'>
    

    此时,被读入的图像以ndarray格式存在,取值范围是 [0, 255]。

    1.2  imshow()

    cv2.imshow('Lena',img)
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()

    函数imshow()用于显示图像,但只使用它并不会得到任何结果,必须结合后面的waitKey(delay),参数delay表示延迟多少毫秒。默认情况为0。当delay≤0,可以理解为延迟无穷大毫秒。调用destroyAllWindows()函数可以释放由 OpenCV创建的所有窗口。注意上面三条语句必须写在Jupyter notebook中的同一Cell里,然后按任意键,系统会关闭图像显示窗口。

    1.3  imwrite()

    cv2.imwrite('lena.jpg',img)

    函数imwrite()用于存储图像,第一个参数是file name,第二个参数是要存储的图像对象。

     

    参考链接【点击链接】

    欢迎关注白马负金羁的博客 http://blog.csdn.net/baimafujinji,为保证公式、图表得以正确显示,强烈建议你从该地址上查看原版博文。本博客主要关注方向包括:数字图像处理、算法设计与分析、数据结构、机器学习、数据挖掘、统计分析方法、自然语言处理。


    2. PIL

    Python里面自带一个PIL(python images library), 但这个库现在已经停止更新了,所以使用Pillow, 它是由PIL发展而来的。

    1.1  open()

    from PIL import Image
    import numpy as np
    
    img = Image.open('Lena.png')
    print(img.size)
    print(img.mode)
    print(type(img))

    上述代码的执行结果如下:

    (512, 512)
    RGB
    <class 'PIL.PngImagePlugin.PngImageFile'>
    

    1.2 show()

    下面的代码可以用来显示图像,程序会弹出一个单独的图像窗口。

    img.show()

    除此之外,还可以使用matplotlib来绘制图像,它是一个专业绘图的库,相当于matlab中的plot,可以设置多个figure,设置figure的标题,甚至可以使用subplot在一个figure中显示多张图片。

    import matplotlib.pyplot as plt
    %matplotlib inline
    
    plt.imshow(img)

    inline一句的作用是在Jupyter Notebook的网页中直接绘图,即不会单独弹出绘图窗口,上述代码的执行结果如下:

    如果不希望显示坐标轴,则可以使用下面的代码:

    plt.axis('off')
    plt.imshow(img)

    下面的代码演示了显示多行、多列图像的方法,注意其中显示灰度图像的语法。

    fig=plt.figure(figsize=(28, 28))
    columns = 5
    rows = 5
    for i in range(1, columns*rows +1):
        img = test_only_success_adv[650+i].reshape(28,28)+0.5
        fig.add_subplot(rows, columns, i)
        plt.imshow(img, cmap='gray')
        plt.axis('off')

    代码执行结果如下:

    1.3  save()

    图像保存可以使用:

    img.save('lena2.jpg')

    如果要把以ndarray格式存储的矩阵保存成图像,则需要使用:

    im = Image.fromarray(np.uint8(data_jsma_0*255))
    im.save("000.png")

     

    参考链接【点击链接】

    欢迎关注白马负金羁的博客 http://blog.csdn.net/baimafujinji,为保证公式、图表得以正确显示,强烈建议你从该地址上查看原版博文。本博客主要关注方向包括:数字图像处理、算法设计与分析、数据结构、机器学习、数据挖掘、统计分析方法、自然语言处理。


    3. skimage

     

    1.1  imread()

    参考示例代码:

    from skimage import io
    import numpy as np
    
    img = io.imread('Lena.png')
    print(img.shape) # numpy矩阵,(h,w,c)
    
    print(type(img))

    上述代码执行结果如下:

    (512, 512, 3)
    <class 'numpy.ndarray'>
    

    被读入的图像以ndarray格式存在。

    与之前类似,io.imshow() 和 io.imsave() 分别用于显示和存储图像。

    1.2  img_as_ubyte()

    该函数的作用是convert an image to 8-bit unsigned integer format,也就是把图像像素灰度的取值范围转化到0~255之间的整数。

    例如,

    print(np.max(adv_test_cw0[0]))
    print(np.min(adv_test_cw0[0]))
    
    byte_adv_test_cw0 = img_as_ubyte(adv_test_cw0)
    
    print(np.max(byte_adv_test_cw0[0]))
    print(np.min(byte_adv_test_cw0[0]))

    上述代码的执行结果如下:

    0.9997719
    0.00054621696

    255
    0

     

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    【全文完】

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