Python中的图像处理
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 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。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\
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虚线
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
