使用Numpy和Opencv完成基本图像的数据分析（Part I）

Posted 2021-04-25 阿里云云栖号

云栖君导读： 随着科技的进步，使用Python包访问数字图像的内部变得更容易理解其属性和性质，掌握对数字图像处理的能力显得十分有必要。

对于深度学习而言，很多任务都是与数字图形处理打交道。这类任务的数据集一般是由很多张图像构成，有时候，当原始图像不能直接送入模型中时，需要对其进行一定的预处理操作，这时候就不得不向大家介绍一个十分有用的软件包OpenCV，用它处理图像起来非常方便，OpenCV是一个基于BSD许可发行的跨平台计算机视觉库，它轻量且高效，是由一系列C函数和少量C++类构成，支持Python、MATLAB等语言接口，内部包含了很多图像处理的相关算法。下面将向大家介绍如何使用NumPy和OpenCV对数字图像进行简单的处理方法：

关于像素的一些知识

在程序世界里，图像输入到计算机中时，与人眼所见的图像的形式不太一样。计算机将图像存储为类似于马赛克的小方块，就像古老的方块马赛克艺术的形式。如果方形块太大，那么就很难制作出光滑的边缘和曲线。使用的方块越小，则越平滑，或者说图像的像素就越少，方块的大小有时候也被称为图像的分辨率。

矢量图像是存储图像的一些不同方法，目的是为了避免与像素相关的问题。但是，即使是矢量图像，最终也会显示为像素级的马赛克。像素一词表示图像元素，描述每个像素的简单方法是使用三种颜色的组合，即红色（Red），绿色（Green），蓝色（Blue），即我们平时所说的RGB图像。

在RGB图像中，每个像素由分别与红色，绿色，蓝色的值相关联的三个8比特数表示。假设使用放大镜观察，如果我们放大图片，就会看到图片是由微小的光点或更加具体的像素组成，更有趣的是，看到的那些小光点实际上是多个微小不同颜色的小光点，且颜色只有红色、绿色和蓝色。

假设现在从远处观察，创建一张图像，可以看到一张图像实际上由像素点值的开关决定（像素值为1表示开，像素值为0表示关），这些开关组合创建了图像，基本上，我们每天在屏幕上看到的图像都是这种。

每张图像都以数字形式的像素组成，像素是构成图片的最小信息单位，通常是圆形或方形，且位于二维网格中。

现在，如果RGB三个值都处于全强度，这意味着其组合值为255，该值表示为白色，如果所有三种颜色都被减弱，或者值设置为0，其值表示为黑色。反过来，三者的不同组合将为我们提供不同特定的像素颜色。由于每个数字都是8比特，因此像素值的取值范围为0-255，从下图可以看到，但R的强度为37.3%，G的强度为45.9%，B的强度为18.8%时，组合成的颜色为深绿（dark green）。

三种颜色的不同组合将产生不同的颜色，由于每个值可以具有256个不同的强度或亮度值，因此总共有1680万（256 x 256 x 256）种不同组合。

图像的基本知识介绍完毕后进入正题，以下内容将包含Numpy非常基本的图像数据分析、还有一些Python数据包，比如imageio，matplotlib等。本系列博客内容结构如下，先介绍前三个部分：

• 导入图像并观察其属性

• 拆分图层

• 灰度化

• 对像素值使用逻辑运算符

• 使用逻辑运算符进行掩码

• 卫星图像数据分析

导入图像

下面加载图像并观察其各种属性。注意，在输入下面代码请确保好已经安装好对应的python数据包。

观察图像的基本属性

其输出

ndarray的形状表明它是一个三维矩阵，输出结果的前两个数字分别表示高度（height）和宽度（width），第三个数字（即3）表示是该图像是三通道彩色图：红色、绿色和蓝色。因此，如果我们计算RGB图像的大小，则总像素大小将是weiheigh x width x 3。

这些值对于验证而言是很重要的，因为8位颜色强度不能超出0到255范围。

使用图片可以分配变量，此外还可以访问图像的任何特定像素值，并且还可以分别访问每个RGB通道。

在这种情况下：R = 109、G = 143、 B = 46，从这个配置可以看出该像素中有很多绿色，也可以通过三个通道的索引值来从中选择出一个。根据一般规定：

• 索引0表示红色通道

• 索引1表示绿色通道

• 索引2表示蓝色通道

但在OpenCV中，Images并不是按照RGB的顺序规定，而是BGR。 imageio.imread将图像加载为RGB（或RGBA），但OpenCV假定图像为BGR或BGRA（BGR是OpenCVcolour的默认的式）。

现在快速查看整个图像中每个通道表示的图像。

下面，也可以更改RGB的数值。例如，将下面行的红色、绿色、，蓝色图层的值全部设置为全强度，即取值为255。

• R通道：第100行到110行

• G通道：第200行到210行

• B通道：行300行到310行

本次测试只在一张图像上进行综合处理，方便我们同时查看每个通道的值对图像的影响。

为了更加清楚地对比分析，我们也改变部分列的像素值，这次测试同时更改RGB通道的值。

拆分图层

通过以上测试，可以知道，图像的每个像素点都是由三个整数表示。只需要拉出图像阵列的正确切片，就可以将图像分割成单独的颜色分量。

灰度化

黑白图像存储在二维矩阵中，目前存在两种类型的黑白图像：

• 灰度：灰色阴影的范围：0~255

• 二进制：像素为黑色或白色：0或255

灰度处理过程，就是将图像从全彩色转换为灰度图。在图像处理工具中，例如：在OpenCV中，在使用很多含住之前，需要将图像进行灰度处理，这样做是因为灰度处理简化了图像，几乎像降噪一样，这是因为灰度图像中的信息比较少。

在python中有两种方法可以将图像转换为灰度。但是，更直接的方法是使用matplotlib包，该包执行的操作是获取原始图像的RGB值后进行加权平均。

而通过GIMP将颜色转换为灰度图像有三种算法来完成任务：

• 亮度（Lightness）灰度等级计算为
  Lightness = ½×(max(R,G,B)+ min(R,G,B))

• 照明度(Luminosity)灰度级将计算为
  Luminosity= 0.21×R + 0.7×G + 0.07×B

• 平均亮度灰度级将计算为
  Average Brightness=(R + G + B)÷3

下面让我们尝试实现一下这三个算法中的一种吧，本文选择Luminosity。

从图中可以看到，图像变为了灰度图，且图像矩阵变为了二维矩阵。

作者信息

Mohammed Innat，机器学习和数据科学研究者

本文由阿里云云栖社区组织翻译。

文章原标题《Basic Image Data Analysis Using Numpy and OpenCV – Part 1》，译者：海棠，审校：Uncle_LLD。

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