python之?dāng)?shù)字圖像處理方式
基本概念
- 數(shù)字圖像定義
對(duì)于一幅圖像,我們可以將其放入坐標(biāo)系中,這里取圖像左上定點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),x 軸向右,和笛卡爾坐標(biāo)系x軸相同;y 軸向下,和笛卡爾坐標(biāo)系y軸相反。
這樣我們可將一幅圖像定義為一個(gè)二維函數(shù) f(x,y),圖像中的每個(gè)像素就可以用 (x,y) 坐標(biāo)表示,而在任何一對(duì)空間坐標(biāo) (x,y) 處的幅值 f 稱(chēng)為圖像在該點(diǎn)的強(qiáng)度或灰度,當(dāng) x,y 和灰度值 f 是有限離散數(shù)值時(shí),便稱(chēng)該圖像為 數(shù)字圖像
注:f的取值為區(qū)間[Lmin,Lmax],也將其稱(chēng)為圖像的灰度級(jí),實(shí)際情況下常常令該區(qū)間為[0,L-1],其中f=0時(shí)為黑色,f=1時(shí)在灰度級(jí)中為白色,所有中間值是從黑色到白色之間變化的灰度色調(diào),而圖像最高和最低灰度級(jí)之間的灰度差便為對(duì)比度
注:圖像亮度、對(duì)比度、飽和度和銳化之間并不是彼此獨(dú)立的,改變其中一個(gè)特征可能會(huì)同時(shí)引起圖像其他特征的變化,至于變化的程度取決于圖像本身的特性。
- 亮度
圖像亮度通俗理解便是圖像的明暗程度,如果灰度值在[0,255]之間,則 f 值越接近0亮度越低,f 值越接近255亮度越高。
- 對(duì)比度
指的是圖像暗和亮的落差值,即圖像最大灰度級(jí)和最小灰度級(jí)之間的差值
- 飽和度
飽和度指的是圖像顏色種類(lèi)的多少, 上面提到圖像的灰度級(jí)是[Lmin,Lmax],則在Lmin、Lmax 的中間值越多,便代表圖像的顏色種類(lèi)多,飽和度也就更高,外觀上看起來(lái)圖像會(huì)更鮮艷,調(diào)整飽和度可以修正過(guò)度曝光或者未充分曝光的圖片。使圖像看上去更加自然
- 銳化
圖像銳化是補(bǔ)償圖像的輪廓,增強(qiáng)圖像的邊緣及灰度跳變的部分,使圖像變得清晰。圖像銳化在實(shí)際圖像處理中經(jīng)常用到,因?yàn)樵谧鰣D像平滑,圖像濾波處理的時(shí)候經(jīng)過(guò)會(huì)把丟失圖像的邊緣信息,通過(guò)圖像銳化便能夠增強(qiáng)突出圖像的邊緣、輪廓
- 分辨率
就是每英寸圖像內(nèi)有多少個(gè)像素點(diǎn)
圖像增強(qiáng)
概述:主要分為空間域增強(qiáng)和頻率域增強(qiáng),本文主要介紹空間域增強(qiáng)方法:也就是直接對(duì)圖片像素進(jìn)行處理。

整體代碼
import math
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['FangSong'] # 設(shè)置字體以便正確顯示漢字
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 正確顯示連字符
MEDTH_ID=8
# 計(jì)算圖片清晰度
def getImageVar(img):
img2gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) # 轉(zhuǎn)化成灰度圖
# 對(duì)圖片用 3x3 拉普拉斯算子做卷積得到邊緣 計(jì)算出方差,并最后返回。
# 函數(shù)求完導(dǎo)數(shù)后會(huì)有負(fù)值,還有會(huì)大于255的值。而原圖像是uint8,即8位無(wú)符號(hào)數(shù),所以建立的圖像位數(shù)不夠,會(huì)有截?cái)?。因此要使?4位有符號(hào)的數(shù)據(jù)類(lèi)型,即 cv2.CV_64F。
# 再用var函數(shù)求方差
imageVar = cv2.Laplacian(img2gray, cv2.CV_64F).var()
return imageVar
# 轉(zhuǎn)接器
def handle(idx, img):
if idx == 1: return handle_specific(img, linear) # 線(xiàn)性變化
if idx == 2: return handle_specific(img, linear_up) # 分段線(xiàn)性變化
if idx == 3: return handle_specific(img, Logarithmic) # 對(duì)數(shù)變換
if idx == 4: return handle_specific(img, power) # 冪指變換
if idx == 5: return handle_specific(img, cv2.equalizeHist) # 直方圖均衡化
if idx == 6: return handle_specific(img, auto_equalizeHist) # 自適應(yīng)直方圖均衡化
if idx == 7: return handle_specific(img, laplacian) # laplacian算子圖像銳化
if idx == 8: return handle_specific(img, non_sharpening) # 非銳化掩蔽
# 處理函數(shù)
def handle_specific(img, func):
img_list = [func(i) for i in cv2.split(img)]
result = cv2.merge((img_list[0], img_list[1], img_list[2]))
return result
# 線(xiàn)性變化
def linear(img):
a, b = 1.5, 0
for i in range(img.shape[0]):
for j in range(img.shape[1]):
if img[i][j] * a + b > 255:
img[i][j] = 255
else:
img[i][j] = img[i][j] * a + b
return img
# 分段線(xiàn)性變換-線(xiàn)性對(duì)比度拉伸,增強(qiáng)感興趣區(qū)域
def linear_up(img):
# 灰度值的最大最小值
r_min, r_max = 255, 0
for i in range(img.shape[0]):
for j in range(img.shape[1]):
if img[i, j] > r_max:
r_max = img[i, j]
if img[i, j] < r_min:
r_min = img[i, j]
r1, s1 = r_min, 0
r2, s2 = r_max, 255
k = (s2 - s1) / (r2 - r1)
for i in range(img.shape[0]):
for j in range(img.shape[1]):
if r1 <= img[i, j] <= r2:
img[i, j] = k * (img[i, j] - r1)
return img
# 對(duì)數(shù)變換
def Logarithmic(img):
for i in range(img.shape[0]):
for j in range(img.shape[1]):
img[i][j] = math.log(1+img[i][j])
cv2.normalize(img, img, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX)
img = cv2.convertScaleAbs(img)
return img
# 對(duì)數(shù)變換
def power(img):
for i in range(img.shape[0]):
for j in range(img.shape[1]):
img[i][j] = math.pow(img[i][j],1.2)
cv2.normalize(img, img, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX)
img = cv2.convertScaleAbs(img)
return img
# 自適應(yīng)的直方圖均衡化-非線(xiàn)性的對(duì)比度拉伸,增強(qiáng)感興趣區(qū)域
def auto_equalizeHist(img):
clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=2.0, tileGridSize=(8, 8))
img = clahe.apply(img)
return img
def laplacian(img):
kernel = np.array([[0, 1, 0], [1, -4, 1], [0, 1, 0]]) # laplacian卷積核的一個(gè)模板
lapkernel_img = cv2.filter2D(img, -1, kernel) # 做卷積
img = img - lapkernel_img
return img
def non_sharpening(img):
blur_img = cv2.blur(img, (5, 5))
mask_img = img - blur_img
img = img + mask_img
return img
img = cv2.imread(filename='img/CB.61.20211203152034_crop_0.jpg', flags=1)
result = handle(MEDTH_ID, img)
print('原圖的清晰度:', getImageVar(img))
print('處理之后的清晰度', getImageVar(result))
fig, axes = plt.subplots(nrows=1, ncols=2, figsize=(10, 8), dpi=100)
axes[0].imshow(img)
axes[0].set_title("原圖")
axes[1].imshow(result)
axes[1].set_title("處理之后的圖片")
plt.show()線(xiàn)性變換
- 用處
線(xiàn)性變換主要可以對(duì)圖像的對(duì)比度和亮度進(jìn)行調(diào)整(但是比較暴力),線(xiàn)性變換公式如下: f ( x , y ) = f ( x , y ) ∗ a + b f(x,y)=f(x,y)*a+b f(x,y)=f(x,y)∗a+b,參數(shù) a 影響圖像的對(duì)比度,參數(shù) b 影響圖像的亮度,具體分為可分為以下幾種情況:
- a>1:增強(qiáng)圖像的對(duì)比度,圖像看起來(lái)更加清晰
- a<1: 減小了圖像的對(duì)比度, 圖像看起來(lái)變暗,
- b>0:增加圖像的亮度,圖像變亮,
- b<0:減少圖像的亮度,圖像變暗
- a=-1 and b=255:圖像翻轉(zhuǎn)
a=1.5,b=0的結(jié)果:

分段線(xiàn)性變換
- 對(duì)比度拉伸
將原圖的灰度范圍限制為自定義范圍,增強(qiáng)感興趣區(qū)域。如將原來(lái)的 [ l m i n , l m a x ] [l_{min},l_{max}] [lmin?,lmax?]拉到 [ 0 , 255 ] [0,255] [0,255]
- 閾值處理
得到二值圖,按照門(mén)限將灰度值變?yōu)?或者255
- 灰度級(jí)分層
為了在數(shù)字圖像中突出我們感興趣的灰度級(jí)區(qū)域 [A,B],在實(shí)際情況下可以有兩種處理方式。
突出灰度范圍在 [A,B] 的區(qū)域,將其他區(qū)域灰度級(jí)降低到一個(gè)更低的級(jí)別突出灰度范圍在 [A,B] 的區(qū)域,其他區(qū)域保持原灰度級(jí)不變
對(duì)比度拉伸結(jié)果:

對(duì)數(shù)變換
- 用處
對(duì)數(shù)變換將圖像的低灰度值部分?jǐn)U展,將其高灰度值部分壓縮,以達(dá)到強(qiáng)調(diào)圖像低灰度部分的目的;同時(shí)可以很好的壓縮像素值變化較大的圖像的動(dòng)態(tài)范圍,目的是突出我們需要的細(xì)節(jié)。
反對(duì)數(shù)變換則與對(duì)數(shù)函數(shù)不同的是,強(qiáng)調(diào)的是圖像的高灰度部分。
結(jié)果:

冪律變換
- 用處
冪律變換主要用于圖像的校正,對(duì)漂白的圖片或者是過(guò)黑的圖片進(jìn)行修正,根據(jù) φ 的大小,主要可分為一下兩種情況:
- φ > 1: 處理漂白的圖片,進(jìn)行灰度級(jí)壓縮
- φ < 1: 處理過(guò)黑的圖片,對(duì)比度增強(qiáng),使得細(xì)節(jié)看的更加清楚

直方圖
- 用處
對(duì)比度較低的圖像適合使用直方圖均衡化方法來(lái)增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)
直方圖均衡化結(jié)果:

自適應(yīng)直方圖均衡化結(jié)果:

圖像濾波
平滑圖像
通過(guò)模糊圖像達(dá)到圖像降噪的目的,但同時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題就是會(huì)使得圖像的邊緣被淡化。
銳化圖像
主要目的是突出灰度的過(guò)渡部分,即突出圖像的邊緣(銳化空間濾波)
圖像銳化濾波中圖像平滑是一個(gè)積分的過(guò)程,圖像銳化便是通過(guò)圖像微分增強(qiáng)邊緣和其他突變,削弱灰度變換緩慢的區(qū)域。
- laplacian算子
其強(qiáng)調(diào)的是圖像中灰度的變換,忽視圖像灰度變換緩慢的區(qū)域。
因此我們通過(guò)laplacian算子得出的是圖像更多的是邊緣線(xiàn),因此,我們可以將原圖和拉普拉斯圖像疊加在一起,可以復(fù)原背景特性并且保持拉普拉斯銳化處理的效果。
- 用處
可以增強(qiáng)局部的圖像對(duì)比度
結(jié)果:

- 非銳化掩蔽
非銳化掩蔽的思路便是應(yīng)原圖像減去平滑的圖像,這樣便得到強(qiáng)調(diào)邊緣的圖像,然后再和原圖像相加,便達(dá)到強(qiáng)調(diào)圖像邊緣的效果,具體步驟如下:
- 模糊原圖像
- 從原圖像減去模糊圖像(產(chǎn)生的差值圖像稱(chēng)為模板)
- 將模板和原圖像相加
結(jié)果:

總結(jié)
以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn),希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。
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