第 1 章 基本的图像操作和处理

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 openclose 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()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.htmlSciPy 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 xy 方向导数 IxIy 进行描述。

图像的梯度向量为∇I = [Ix, Iy]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(Iy, Ix)

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*DxIy=I*Dy

对于 DxDy,通常选择 Prewitt 滤波器:

D_x=\begin{vmatrix}-1&0&1\\-1&0&1\\ -1&0&1\end{vmatrix}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}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 xy 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*GσxIy=I*Gσy

其中,GσxGσy 表示 Gσxy 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 morphologymeasurements 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:iomisc

  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 UUold)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/(I* Gσ) 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、NumPyMatplotlib 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。

目录

  • 版权声明
  • 介绍
  • 推荐序
  • 前言
  • 第 1 章 基本的图像操作和处理
  • 第 2 章 局部图像描述子
  • 第 3 章 图像到图像的映射
  • 第 4 章 照相机模型与增强现实
  • 第 5 章 多视图几何
  • 第 6 章 图像聚类
  • 第 7 章 图像搜索
  • 第 8 章 图像内容分类
  • 第 9 章 图像分割
  • 第 10 章 OpenCV
  • 附录 A 安装软件包
  • 附录 B 图像集
  • 附录 C 图片来源
  • 参考文献