本教程將介紹如何導(dǎo)入圖像并觀察其屬性、拆分圖層以及查看灰度。在正式開始之前，我們先來了解一些關(guān)于像素的基礎(chǔ)知識(shí)。

計(jì)算機(jī)將圖片以像素形式存儲(chǔ)，這就像馬賽克一樣。如果像素太大，很難制作光滑的邊緣和曲線。相反，我們使用的像素越多越小，看起來就會(huì)越平滑，或者說像素化程度越小，圖像就會(huì)越好看，有時(shí)，這也被稱為圖像分辨率。 

矢量圖形是一種有點(diǎn)不同的存儲(chǔ)圖像方法，旨在避免與像素相關(guān)的問題。但是，即使是矢量圖像，最終也會(huì)顯示為像素一樣的馬賽克。顏色像素表示圖像元素，描述每個(gè)像素的簡(jiǎn)單方法是使用三種顏色的組合，即紅色，綠色，藍(lán)色，這就是我們所說的RGB圖像。

在RGB圖像中，每個(gè)像素分別與紅色，綠色，藍(lán)色的值相關(guān)聯(lián)的三個(gè)8比特?cái)?shù)字表示。最后，如果使用放大鏡觀察縮放的圖片，我們會(huì)看到圖片由微小的光點(diǎn)或更具體的像素組成，更有趣的是這些小光點(diǎn)實(shí)際上具有多個(gè)不同顏色。

每張照片都以數(shù)字形式由像素組成，它們是構(gòu)成圖片的最小信息單位，通常是圓形或方形，它們通常布置在二維網(wǎng)格中。 

如果三個(gè)顏色都處于最大值，則意味著它們是255，那就會(huì)顯示為白色，如果三種顏色都處于最小值，或者值為0，則顏色顯示為黑色。反過來，這三者的組合將為我們提供特定的像素顏色。由于每個(gè)顏色數(shù)字都是8個(gè)比特，因此值范圍為0-255。 

由于每個(gè)值可以具有256個(gè)不同的強(qiáng)度或亮度值，因此三種顏色總共有1680萬個(gè)shade。 

以下是Numpyand非常基本的圖像數(shù)據(jù)分析步驟，其中一些涉及Python pacakges，如imageio，matplotlib等。

• 導(dǎo)入圖像并觀察其屬性
• 拆分圖層
• Greyscale
• 對(duì)像素值使用邏輯運(yùn)算符
• 使用邏輯運(yùn)算符進(jìn)行運(yùn)算
• 衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)分析
• 導(dǎo)入圖像

現(xiàn)在讓我們加載圖像并觀察各種屬性：

if __name__ == '__main__':  
import imageio  
import matplotlib.pyplot as plt  
%matplotlib inline  
pic = imageio.imread('F:/demo_2.jpg')  
plt.figure(figsize = (15,15))  
plt.imshow(pic)觀察圖像的基本屬性  
print('Type of the image : ' , type(pic))  
print('Shape of the image : {}'.format(pic.shape))  
print('Image Hight {}'.format(pic.shape[0]))  
print('Image Width {}'.format(pic.shape[1]))  
print('Dimension of Image {}'.format(pic.ndim))  
Type of the image :  
Shape of the image : (562, 960, 3)  
Image Hight 562  
Image Width 960  
Dimension of Image 3 

 

ndarray的形狀表明它是一個(gè)三層矩陣，這里的前兩個(gè)數(shù)字是長(zhǎng)度和寬度，第三個(gè)數(shù)字(即3)是三層：Red, Green, Blue。 因此，如果我們計(jì)算RGB圖像的大小，則總大小將計(jì)為height x width x 3

print('Image size {}'.format(pic.size))  
print('Maximum RGB value in this image {}'.format(pic.max()))  
print('Minimum RGB value in this image {}'.format(pic.min()))  
Image size 1618560  
Maximum RGB value in this image 255  
Minimum RGB value in this image 0 

這些值對(duì)于驗(yàn)證很重要，因?yàn)?比特顏色強(qiáng)度不能超出0到255范圍。

現(xiàn)在，使用圖片分配變量，我們還可以訪問圖片的任何特定像素值，并進(jìn)一步訪問每個(gè)RGB通道。

'''  
Let's pick a specific pixel located at 100 th Rows and 50 th Column.  
And view the RGB value gradually.  
'''  
pic[ 100, 50 ]  
Image([109, 143, 46], dtype=uint8) 

在這種情況下：R = 109; G = 143; B = 46，我們可以意識(shí)到這個(gè)特殊像素中有很多綠色。現(xiàn)在，我們可以通過給出三個(gè)通道的索引值來特別選擇其中一個(gè)數(shù)字：

• 0紅色通道的索引值
• 1綠色通道的索引值
• 2藍(lán)色通道的索引值

但是，在OpenCV中，圖像不是RGB而是BGR，imageio.imread將圖像加載為RGB(或RGBA)，但OpenCV假定圖像為BGR或BGRA(BGR是默認(rèn)的OpenCV顏色格式)。

# A specific pixel located at Row : 100 ; Column : 50  
# Each channel's value of it, gradually R , G , B  
print('Value of only R channel {}'.format(pic[ 100, 50, 0]))  
print('Value of only G channel {}'.format(pic[ 100, 50, 1]))  
print('Value of only B channel {}'.format(pic[ 100, 50, 2]))  
Value of only R channel 109  
Value of only G channel 143  
Value of only B channel 46 

好的，現(xiàn)在讓我們快速查看整個(gè)圖像中的每個(gè)頻道。

plt.title('R channel')  
plt.ylabel('Height {}'.format(pic.shape[0]))  
plt.xlabel('Width {}'.format(pic.shape[1]))  
plt.imshow(pic[ : , : , 0])  
plt.show() 

 

plt.title('G channel')  
plt.ylabel('Height {}'.format(pic.shape[0]))  
plt.xlabel('Width {}'.format(pic.shape[1]))  
plt.imshow(pic[ : , : , 1])  
plt.show() 

 

plt.title('B channel')  
plt.ylabel('Height {}'.format(pic.shape[0]))  
plt.xlabel('Width {}'.format(pic.shape[1]))  
plt.imshow(pic[ : , : , 2])  
plt.show() 

 

現(xiàn)在，我們可以更改RGB值的數(shù)量。例如，讓我們對(duì)紅色、綠色、藍(lán)色圖層設(shè)置跟隨行值的強(qiáng)度。

• R頻道：行 - 100到110
• G頻道：行 - 200到210
• B頻道：行 - 300到310

我們將加載一次圖像，以便可以同時(shí)顯示每個(gè)層的變化。

pic = imageio.imread('F:/demo_2.jpg')  
pic[50:150 , : , 0] = 255 # full intensity to those pixel's R channel  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

pic[200:300 , : , 1] = 255 # full intensity to those pixel's G channel  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

pic[350:450 , : , 2] = 255 # full intensity to those pixel's B channel  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

為了更清楚，讓我們也改變列部分，這次我們將同時(shí)更改RGB通道。

# set value 200 of all channels to those pixels which turns them to white  
pic[ 50:450 , 400:600 , [0,1,2] ] = 200  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

拆分圖層

現(xiàn)在，我們知道圖像的每個(gè)像素都由三個(gè)整數(shù)表示，將圖像分割成單獨(dú)的顏色分片只需拉出圖像陣列的正確切片。

import numpy as np  
pic = imageio.imread('F:/demo_2.jpg')  
fig, ax = plt.subplots(nrows = 1, ncols=3, figsize=(15,5))  
for c, ax in zip(range(3), ax):  
# create zero matrix  
split_img = np.zeros(pic.shape, dtype="uint8") # 'dtype' by default: 'numpy.float64'  
# assing each channel  
split_img[ :, :, c] = pic[ :, :, c]  
# display each channel  
ax.imshow(split_img) 

灰度

黑白圖像存儲(chǔ)在二維陣列中，有兩種類型的黑白圖像：

• Greyscale：灰色陰影范圍：0~255
• Binary：像素為黑色或白色：0或255

現(xiàn)在，Greyscaling是一個(gè)將圖像從全色轉(zhuǎn)換為灰色陰影的過程。在圖像處理工具中，例如：在OpenCV中，許多功能在處理之前使用灰度圖像，這樣做是因?yàn)樗?jiǎn)化了圖像，幾乎可以降噪并增加處理時(shí)間，因?yàn)閳D像中的信息較少。

在python中有兩種方法可以將圖像轉(zhuǎn)換為灰度，但使用matplotlib的簡(jiǎn)單方法是使用此公式獲取原始圖像的RGB值的加權(quán)平均值。

Y' = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B  
pic = imageio.imread('F:/demo_2.jpg')  
gray = lambda rgb : np.dot(rgb[... , :3] , [0.299 , 0.587, 0.114])  
gray = gray(pic)  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(gray, cmap = plt.get_cmap(name = 'gray'))  
plt.show() 

然而，GIMP將顏色轉(zhuǎn)換為灰度圖像軟件有三種算法來完成任務(wù)。

灰度的Lightness 等級(jí)計(jì)算為

Lightness = ½ × (max(R,G,B) + min(R,G,B)) 

灰度的Luminosity 等級(jí)計(jì)算為

Luminosity = 0.21 × R + 0.72 × G + 0.07 × B 

灰度的Average 計(jì)算為

Average Brightness = (R + G + B) ÷ 3 

讓我們嘗試一下算法，Luminosity效果如何?

pic = imageio.imread('F:/demo_2.jpg')  
gray = lambda rgb : np.dot(rgb[... , :3] , [0.21 , 0.72, 0.07])  
gray = gray(pic)  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(gray, cmap = plt.get_cmap(name = 'gray'))  
plt.show()  
'''  
Let's take a quick overview some the changed properties now the color image.  
Like we observe some properties of color image, same statements are applying  
now for gray scaled image.  
'''  
print('Type of the image : ' , type(gray))  
print()  
print('Shape of the image : {}'.format(gray.shape))  
print('Image Hight {}'.format(gray.shape[0]))  
print('Image Width {}'.format(gray.shape[1]))  
print('Dimension of Image {}'.format(gray.ndim))  
print()  
print('Image size {}'.format(gray.size))  
print('Maximum RGB value in this image {}'.format(gray.max()))  
print('Minimum RGB value in this image {}'.format(gray.min()))  
print('Random indexes [X,Y] : {}'.format(gray[100, 50]))  
Type of the image :  
Shape of the image : (562,960)  
Image Height 562  
Image Widht 960  
Dimension of Image 2  
Image size 539520  
Maximum RGB value in this image 254.9999999997  
Minimum RGB value in this image 0.0  
Random indexes [X,Y] : 129.07 

使用邏輯運(yùn)算符處理像素值

我們可以使用邏輯運(yùn)算符創(chuàng)建相同大小的bullion ndarray。但是，這不會(huì)創(chuàng)建任何新數(shù)組，它只是將值返回到其主變量。例如，如果考慮在RGB圖像中濾除一些低值像素或高值或(任何條件)，可以先將RGB轉(zhuǎn)換為灰度。

首先加載圖像并在屏幕上顯示：

pic = imageio.imread('F:/demo_1.jpg')  
plt.figure(figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

接下來，我們考慮轉(zhuǎn)儲(chǔ)該圖像，比如我們想要過濾所有低于20 的像素值。為此，我們將使用邏輯運(yùn)算符執(zhí)行此任務(wù)，返回所有索引的True值。

low_pixel = pic < 20  
# to ensure of it let's check if all values in low_pixel are True or not  
if low_pixel.any() == True:  
print(low_pixel.shape)  
(1079, 1293, 3) 

正如上文所說，傳統(tǒng)上不使用宿主變量，但我之所以提到是因?yàn)樗槐Ａ鬞rue值。 所以，如果我們看到low_pixel和pic的 shape，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們都具有相同的 shape。

print(pic.shape)  
print(low_pixel.shape)  
(1079, 1293, 3)  
(1079, 1293, 3) 

我們使用全局比較運(yùn)算符為所有小于200的值生成低值濾波器。但是，我們可以使用此low_pixel數(shù)組作為索引將這些低值設(shè)置為某些特定值，這些值可能高于或低于先前的像素值。

# randomly choose a value  
import random  
# load the orginal image  
pic = imageio.imread('F:/demo_1.jpg')  
# set value randomly range from 25 to 225 - these value also randomly choosen  
pic[low_pixel] = random.randint(25,225)  
# display the image  
plt.figure( figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

圖層蒙版

圖像蒙版是一種圖像處理技術(shù)，用于去除具有模糊邊緣，透明或頭發(fā)部分的照片背景。

現(xiàn)在，我們將創(chuàng)建一個(gè)圓盤形狀的蒙版。首先，我們將測(cè)量從圖像中心到每個(gè)邊界像素值的距離。我們?cè)O(shè)置一個(gè)比較方便的半徑值，然后使用邏輯運(yùn)算符創(chuàng)建一個(gè)圓盤，以下為代碼：

if __name__ == '__main__':  
# load the image  
pic = imageio.imread('F:/demo_1.jpg')  
# seperate the row and column values  
total_row , total_col , layers = pic.shape  
'''  
Create vector.  
Ogrid is a compact method of creating a multidimensional-  
ndarray operations in single lines.  
for ex:  
>>> ogrid[0:5,0:5]  
output: [array([[0],  
[1],  
[2],  
[3],  
[4]]), 
 
array([[0, 1, 2, 3, 4]])]  
'''  
x , y = np.ogrid[:total_row , :total_col]  
# get the center values of the image  
cen_x , cen_y = total_row/2 , total_col/2  
'''  
Measure distance value from center to each border pixel.  
To make it easy, we can think it's like, we draw a line from center-  
to each edge pixel value --> s**2 = (Y-y)**2 + (X-x)**2 
 '''  
distance_from_the_center = np.sqrt((x-cen_x)**2 + (y-cen_y)**2)  
# Select convenient radius value  
radius = (total_row/2)  
# Using logical operator '>'  
'''  
logical operator to do this task which will return as a value  
of True for all the index according to the given condition  
'''  
circular_pic = distance_from_the_center > radius  
'''  
let assign value zero for all pixel value that outside the cirular disc.  
All the pixel value outside the circular disc, will be black now.  
'''  
pic[circular_pic] = 0  
plt.figure(figsize = (10,10))  
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

衛(wèi)星圖像處理

衛(wèi)星圖像及其處理系統(tǒng)非常有用，我們可以用于做一些分析任務(wù)。

# load the image  
pic = imageio.imread('F:\satimg.jpg')  
plt.figure(figsize = (10,10)) 
plt.imshow(pic)  
plt.show() 

我們來看一些基本信息：

print(f'Shape of the image {pic.shape}')  
print(f'hieght {pic.shape[0]} pixels')  
print(f'width {pic.shape[1]} pixels')  
Shape of the image (3725, 4797, 3)  
hieght 3725 pixels  
width 4797 pixels 

這張圖片上有一些有趣的東西，像許多其他的圖像可視化一樣，每個(gè)RGB層中的顏色都有自己的意思。例如，紅色的強(qiáng)度將表示像素中的地理數(shù)據(jù)點(diǎn)的高度，藍(lán)色的強(qiáng)度表示方位的度量，綠色表示斜率。這些顏色將有助于以更快，更有效的方式傳達(dá)此信息，而不是顯示數(shù)字。

• 紅色像素表示：Altitude·
• 藍(lán)色像素表示：Aspect
• 綠色像素表示： Slope

通過觀察彩色圖像，我們可以分辨出海拔是多少，斜率是多少，以及Slope是什么，這就是為顏色加載更多含義以表示更科學(xué)的分析的想法。

檢測(cè)每個(gè)通道的像素

# Only Red Pixel value , higher than 180  
pic = imageio.imread('F:\satimg.jpg')  
red_mask = pic[:, :, 0] < 180  
pic[red_mask] = 0  
plt.figure(figsize=(15,15))  
plt.imshow(pic)  
# Only Green Pixel value , higher than 180  
pic = imageio.imread('F:\satimg.jpg')  
green_mask = pic[:, :, 1] < 180  
pic[green_mask] = 0  
plt.figure(figsize=(15,15))  
plt.imshow(pic)  
# Only Blue Pixel value , higher than 180  
pic = imageio.imread('F:\satimg.jpg')  
blue_mask = pic[:, :, 2] < 180  
pic[blue_mask] = 0  
plt.figure(figsize=(15,15))  
plt.imshow(pic)  
# Composite mask using logical_and  
pic = imageio.imread('F:\satimg.jpg')  
final_mask = np.logical_and(red_mask, green_mask, blue_mask)  
pic[final_mask] = 40  
plt.figure(figsize=(15,15))  
plt.imshow(pic) 

未完待續(xù)......這只是該教程的第一章節(jié)，其他內(nèi)容將會(huì)在后續(xù)章節(jié)中呈現(xiàn)。