數位影像處理的影像操作

在電腦視覺和影像處理中，影像操作起著至關重要的作用。這些操作對於預處理、提升影像品質和啟用進階演算法等任務至關重要。在電腦視覺領域，調整大小、裁切、調整亮度/對比/伽瑪和幾何變換等操作是基礎操作。它們能夠進行高效計算、提取感興趣區域、規範化影像強度和幾何校準。在影像處理方面，這些操作對於降低取樣率、裁剪無關區域、提升可見性和品質以及執行幾何操作也至關重要

調整大小

在各種場景中，調整圖像大小是常見的，可以實現不同的目的，例如將圖像適應特定尺寸或減少檔案大小。影像插值和重採樣是影像處理和電腦視覺中用於調整影像大小或比例的技術。

影像插值

影像插值是指根據已知像素值，在影像中未知位置上估算像素值的過程。不同的插值方法使用不同的方式來估算未知像素的值

進行重寫如下： 最近鄰插值是一種將未知像素位置的值指派為最近已知像素值的方法。雖然這種方法簡單，但可能會導致出現區塊狀偽影和遺失細節的問題

#最近鄰插值

雙線性插值演算法會考慮到四個最近的已知像素值，並透過加權平均來估算未知像素的值。與最近鄰插值相比，雙線性插值能夠產生更加平滑的結果，但仍然可能引入一些模糊效果

雙三次插值通過考慮更多的相鄰像素並使用三次多項式來估算像素值，擴展了雙線性插值。這種方法可以提供更高品質的結果，具有更平滑的過渡和更好的保留影像細節。

import cv2import numpy as npdef resize_image(image, scale, interpolation):width = int(image.shape[1] * scale)height = int(image.shape[0] * scale)resized_image = cv2.resize(image, (width, height), interpolation=interpolation)return resized_imageSCALE = 4# Load the imageimage_path = "image.png"image = cv2.imread(image_path)# Resize the image using nearest neighbor interpolationnearest_neighbor_resized = resize_image(image, scale=SCALE, interpolation=cv2.INTER_NEAREST)# Resize the image using bilinear interpolationbilinear_resized = resize_image(image, scale=SCALE, interpolation=cv2.INTER_LINEAR)# Resize the image using bicubic interpolationbicubic_resized = resize_image(image, scale=SCALE, interpolation=cv2.INTER_CUBIC)

裁剪

裁剪影像的目的是去除不需要的內容或聚焦於特定的興趣區域。裁剪可讓您優化構圖，消除乾擾，並突出影像中的重要元素。去除不必要或無關的部分可以創造出視覺上吸引人且具有影響力的圖像，有效地傳達預期的訊息或主題。

可以使用不同的方法來確定裁切區域：

• 手動選擇：手動裁切涉及對影像進行視覺檢查並選擇要保留的所需區域。這種方法提供了靈活性，並允許基於攝影師或設計師的藝術判斷做主觀決定。
• 目標偵測：基於目標偵測演算法的自動裁切技術可以辨識並擷取影像中的特定物件或主題。這些演算法分析影像並根據預先定義的模式或經過訓練的模型定位物件。偵測到的物件可以作為裁剪區域，確保保留重要元素同時移除無關的背景或周圍區域。
• 分割：可以使用影像分割技術，如語意分割或實例分割，將影像分成有意義的區域。這些技術為不同的物件或區域分配標籤或遮罩，使得可以裁剪特定的部分或隔離感興趣的特定區域。

import cv2def crop_image(image, x, y, width, height):cropped_image = image[y:y+height, x:x+width]return cropped_image# Example usageimage = cv2.imread("cath.jpeg")cropped_image = crop_image(image, x=400, y=500, width=300, height=200)cv2.imshow("Cropped Image", cropped_image)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

調整

#亮度和對比度：

調整亮度和對比度對於增強影像的可見度和提高視覺吸引力至關重要。調整亮度可以使影像看起來更明亮或更暗，突顯曝光不足或曝光過度的區域的細節。對比度調整增強了光亮和陰暗區域之間的區別，使影像看起來更清晰和更動態。

透過調整亮度和對比度，您可以提升影像的整體品質和可讀性，確保重要的特徵能夠清晰可見

import cv2import numpy as npimage_path = "cath.jpeg"def adjust_brightness(image, value):# Convert the image to the HSV color spacehsv = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)# Split the channelsh, s, v = cv2.split(hsv)# Apply the brightness adjustmentv = cv2.add(v, value)# Clamp the values to the valid range of 0-255v = np.clip(v, 0, 255)# Merge the channels back togetherhsv = cv2.merge((h, s, v))# Convert the image back to the BGR color spaceadjusted_image = cv2.cvtColor(hsv, cv2.COLOR_HSV2BGR)return adjusted_imagedef adjust_contrast(image, value):# Convert the image to the LAB color spacelab = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2LAB)# Split the channelsl, a, b = cv2.split(lab)# Apply the contrast adjustmentl = cv2.multiply(l, value)# Clamp the values to the valid range of 0-255l = np.clip(l, 0, 255)# Merge the channels back togetherlab = cv2.merge((l, a, b))# Convert the image back to the BGR color spaceadjusted_image = cv2.cvtColor(lab, cv2.COLOR_LAB2BGR)return adjusted_image# Load the imageimage = cv2.imread(image_path)# Adjust the brightnessbrightness_adjusted = adjust_brightness(image, value=50)# Adjust the contrastcontrast_adjusted = adjust_contrast(image, value=2)# Display the original and adjusted imagescv2.imshow("Original", image)cv2.imshow("Brightness Adjusted", brightness_adjusted)cv2.imshow("Contrast Adjusted", contrast_adjusted)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

直方圖是一種用來展示資料分佈情況的圖表。它將資料分成若干個區間，並統計每個區間內的資料數量，然後透過繪製垂直條形來表示各個區間的資料數量。直方圖可以幫助我們直觀地了解資料的分佈特徵，例如資料的集中程度、偏態以及異常值的存在等。透過觀察直方圖，我們可以更好地理解和分析數據，從而做出更準確的決策和預測。在統計學、市場研究、金融分析等領域，直方圖被廣泛應用於資料分析與視覺化均衡化

直方图是一种用于展示数据分布情况的图表。它将数据分成若干个区间，并统计每个区间内的数据数量，然后通过绘制垂直条形来表示各个区间的数据数量。直方图可以帮助我们直观地了解数据的分布特征，例如数据的集中程度、偏态以及异常值的存在等。通过观察直方图，我们可以更好地理解和分析数据，从而做出更准确的决策和预测。在统计学、市场研究、金融分析等领域，直方图被广泛应用于数据分析和可视化均衡化是一项用于增强对比度的技术。它通过重新分配像素强度值来覆盖更广范围的值，以实现此目的。其主要目标是通过图像获得更均匀分布的像素强度

通过重新分配像素强度，直方图是一种用于展示数据分布情况的图表。它将数据分成若干个区间，并统计每个区间内的数据数量，然后通过绘制垂直条形来表示各个区间的数据数量。直方图可以帮助我们直观地了解数据的分布特征，例如数据的集中程度、偏态以及异常值的存在等。通过观察直方图，我们可以更好地理解和分析数据，从而做出更准确的决策和预测。在统计学、市场研究、金融分析等领域，直方图被广泛应用于数据分析和可视化均衡化增强了图像的对比度。

import cv2import matplotlib.pyplot as pltimage_path = "cath.jpeg"image = cv2.imread(image_path, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)# Apply histogram equalizationequalized_image = cv2.equalizeHist(image)# Calculate histogramshist_original = cv2.calcHist([image], [0], None, [256], [0, 256])hist_equalized = cv2.calcHist([equalized_image], [0], None, [256], [0, 256])# Plot the histogramsplt.figure(figsize=(10, 5))plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot(hist_original, color='b')plt.title("Original Image Histogram")plt.xlabel("Pixel Intensity")plt.ylabel("Frequency")plt.subplot(1, 2, 2)plt.plot(hist_equalized, color='r')plt.title("Equalized Image Histogram")plt.xlabel("Pixel Intensity")plt.ylabel("Frequency")plt.tight_layout()plt.show()

直方图是一种用于展示数据分布情况的图表。它将数据分成若干个区间，并统计每个区间内的数据数量，然后通过绘制垂直条形来表示各个区间的数据数量。直方图可以帮助我们直观地了解数据的分布特征，例如数据的集中程度、偏态以及异常值的存在等。通过观察直方图，我们可以更好地理解和分析数据，从而做出更准确的决策和预测。在统计学、市场研究、金融分析等领域，直方图被广泛应用于数据分析和可视化

# Display the original and equalized imagesfig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))axes[0].imshow(image, cmap='gray')axes[0].set_title("Original")axes[0].axis("off")axes[1].imshow(equalized_image, cmap='gray')axes[1].set_title("Equalized")axes[1].axis("off")plt.tight_layout()plt.show()

均衡化图像

缩放比例相等的比例尺称为线性缩放

缩放比例相等的比例尺称为线性缩放，也被称为对比度拉伸，用于调整图像的亮度和对比度，通过线性映射原始像素值到一个新的范围。该过程涉及重新缩放像素值，以利用图像中的最小值和最大值的完整动态范围

缩放比例相等的比例尺称为线性缩放的好处在于可以精确地控制亮度和对比度的调整。您可以根据具体需求定义所需的强度范围

import cv2import numpy as npimport matplotlib.pyplot as plt# Load the imageimage_path = "cath.jpeg"image = cv2.imread(image_path, cv2.IMREAD_GRAYSCALE)# Calculate the minimum and maximum pixel values in the imagemin_value = np.min(image)max_value = np.max(image)# Define the desired minimum and maximum intensity values for the output imagenew_min = 5new_max = 10# Perform linear scalingscaled_image = cv2.convertScaleAbs(image, alpha=(new_max - new_min) / (max_value - min_value), beta=new_min - min_value * (new_max - new_min) / (max_value - min_value))# Display the original and scaled imagesfig, axes = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))axes[0].imshow(cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_GRAY2RGB))axes[0].set_title("Original")axes[0].axis("off")axes[1].imshow(scaled_image, cmap='gray')axes[1].set_title("Scaled")axes[1].axis("off")plt.tight_layout()plt.show()

缩放比例相等的比例尺称为线性缩放

重写内容：Gamma 校正

重写内容：Gamma 校正是一种技术，用于调整图像输入像素值和显示输出强度之间的非线性关系。它考虑到人类视觉系统对光的非线性响应，并旨在实现更准确和与感知一致的图像显示

相机捕捉或存储在图像文件中的像素值与人类感知亮度之间的关系是非线性的。换句话说，像素值的线性增加并不导致感知亮度的线性增加。这种非线性关系是由于成像传感器和人类视觉系统的响应特性导致的。

重写内容：Gamma 校正基于一个称为伽马（γ）的参数。伽马值表示输入像素值和显示输出强度之间的关系。它是两者之间非线性映射的度量。

重写内容：Gamma 校正对像素值应用幂律变换，调整强度值以校正非线性响应。重写内容：Gamma 校正的公式如下：

校正值 = 输入值 ^ (1 / 伽马)

这里，输入值代表原始像素值，校正值代表调整后的像素值。

重写内容：Gamma 校正的主要作用是补偿非线性强度关系，确保图像中的颜色和细节得到准确的表示。重写内容：Gamma 校正发挥重要作用的方式如下：

• 亮度补偿：重写内容：Gamma 校正有助于弥补捕捉和显示设备之间亮度响应的差异。它确保显示图像中的感知亮度水平与原始场景一致。
• 对比度增强：重写内容：Gamma 校正可以通过重新分配色调值来增强图像的对比度。根据伽马值的不同，它可以有效地强调图像的暗区域或亮区域中的细节。
• 色彩准确性：重写内容：Gamma 校正有助于实现准确的颜色表示。通过调整伽马值，可以改善颜色再现，确保颜色看起来更自然且忠实于原始场景。
• 色调映射：在高动态范围（HDR）成像中，重写内容：Gamma 校正常常作为色调映射技术的一部分，将场景的广泛动态范围映射到显示设备的有限动态范围。重写内容：Gamma 校正有助于保持阴影和高光区域的细节，防止信息丢失。
• 感知一致性：重写内容：Gamma 校正旨在实现感知上一致的图像，其中显示的强度与人类视觉感知一致。通过校正非线性响应，重写内容：Gamma 校正确保图像对观众呈现出视觉上愉悦和逼真的效果。

import cv2import numpy as npimage_path = "cath.jpeg"def adjust_gamma(image, gamma):# Build a lookup table mapping the input pixel values to the corrected gamma valueslookup_table = np.array([((i / 255.0) ** gamma) * 255 for i in np.arange(0, 256)]).astype(np.uint8)# Apply gamma correction using the lookup tablegamma_corrected = cv2.LUT(image, lookup_table)return gamma_corrected# Load the imageimage = cv2.imread(image_path)# Adjust the gamma valuegamma_value = 1.5gamma_corrected = adjust_gamma(image, gamma_value)# Display the original and gamma-corrected imagescv2.imshow("Original", image)cv2.imshow("Gamma Corrected", gamma_corrected)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

重写内容：Gamma 校正

几何变换

几何变换使图像的透视、方向和空间关系发生变化。这些变换为图像对齐、目标检测、图像注册等任务提供了基本工具。

(1) 平移

移动是几何变换的基本形式之一，它涉及将图像在水平或垂直方向上移动指定的距离

import cv2import numpy as npimage_path = "cath.jpeg"image = cv2.imread(image_path)# Define the translation matrixtx = 100# pixels to shift in the x-axisty = 50# pixels to shift in the y-axistranslation_matrix = np.float32([[1, 0, tx], [0, 1, ty]])# Apply translationtranslated_image = cv2.warpAffine(image, translation_matrix, (image.shape[1], image.shape[0]))# Display the original and translated imagescv2.imshow("Original", image)cv2.imshow("Translated", translated_image)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

平移

(2) 缩放

缩放是指调整图像的大小，可以通过对所有维度应用统一的缩放因子，或者使用不同的缩放因子来调整不同的维度。已缩放。

# Define the scaling factorsscale_x = 1.5# scaling factor for the x-axisscale_y = 0.8# scaling factor for the y-axis# Apply scalingscaled_image = cv2.resize(image, None, fx=scale_x, fy=scale_y, interpolation=cv2.INTER_LINEAR)# Display the original and scaled imagescv2.imshow("Original", image)cv2.imshow("Scaled", scaled_image)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

缩放

(3) 进行重写的内容是：旋转

进行重写的内容是：旋转是一种几何变换，涉及围绕中心点按指定角度更改图像的方向。

# Define the rotation angleangle = 30# Perform rotationrows, cols = image.shape[:2]rotation_matrix = cv2.getRotationMatrix2D((cols / 2, rows / 2), angle, 1)rotated_image = cv2.warpAffine(image, rotation_matrix, (cols, rows))# Display the original and rotated imagescv2.imshow("Original", image)cv2.imshow("Rotated", rotated_image)cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()

进行重写的内容是：旋转

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