OpenCV в Python. Часть 3

Привет, Хабр! Это продолжение туториала по библиотеке opencv в python. Для тех кто не читал первую и вторую части, сюда: Часть 1 и Часть 2, а всем остальным — приятного чтения!

Введение

В данной части мы рассмотрим арифметику изображений, разделение и слияние каналов, различные методы размытия.

Арифметика изображений

Надеюсь, что все знают такие арифметические операции как сложение и вычитание, но при работе с изображениями мы не должны забывать о типе данных.
К примеру, у нас есть RGB изображение, пиксели которого попадают в диапазон [0,255]. Итак, что же произойдёт, если мы попытаемся к пикселю с интенсивностью 250 прибавить 30 или от 70 отнять 100? Если бы мы пользовались стандартными арифметическими правилами, то получили бы 280 и -30 соответственно. Однако, если мы работаем с RGB изображениями, где значения пикселей представлены в виде 8-битного целого беззнакового числа, то 280 и -30 не является допустимыми значениями. Для того, чтобы разобраться, что же произойдёт, давайте посмотрим на строчки кода ниже:

print("opencv addition: {}".format(cv2.add(np.uint8([250]), 
                                                   np.uint8([30]))))
print("opencv subtract: {}".format(cv2.subtract(np.uint8([70]), 
                                                    np.uint8([100]))))
print("numpy addition: {}".format(np.uint8([250]) + np.uint8([30])))
print("numpy subtract: {}".format(np.uint8([70]) - np.uint8([71])))

Как мы видим, сложение и вычитание можно осуществить с помощью функций opencv add и subtract соответственно, а также с помощью numpy. И результаты будут отличаться:

opencv addition: 255
opencv subtract: 0
numpy addition: 24
numpy subtract: 255

OpenCV выполняет обрезку и гарантирует, что значения пикселей никогда не выйдут за пределы диапазона [0,255]. В numpy же всё происходит немного иначе. Представьте себе обычные настенные часы, где вместо 60 находится 255. Получается, что после достижение 255 следующим числом будет идти 0, а когда мы отнимаем от меньшего числа большее, то после 0 ( против часовой стрелки) будет идти 255.

Разбиение и слияние каналов

Как мы знаем, RGB изображение состоит из красной, зелёной и синих компонент. И что, если мы захотим разделить изображение на соответствующие компоненты? Для этого в opencv есть специальная функция — split():

image = cv2.imread('rectangles.png')
b, g, r = cv2.split(image)
cv2.imshow('blue', b)
cv2.imshow('green', g)
cv2.imshow('red', r)

Сначала мы загружаем изображение. Для наглядности работы данной функции я взял следующее изображение:

Затем разделяем изображение на три канала и показываем каждый канал по отдельности. В результате выполнения данной функции отобразится три изображения в оттенках серого:

Как мы видим, для каждого изображения каждого канала только прямоугольник с тем же цветом отображается белым. Вот как будет выглядеть каждая компонента для девушки из предыдущих частей:

Как можно увидеть, красный канал очень светлый. Это происходит потому, что оттенки красного очень сильно представлены в нашем изображении. Синий и зелёный каналы, наоборот, очень тёмные. Это случается потому, что на данном изображении очень мало данных цветов.
Для того, чтобы объединить каналы воедино, достаточно воспользоваться функцией merge(), которая принимает значения каналов:

merge_image = cv2.merge([g,b,r])
cv2.imshow('merge_image', merge_image)
cv2.imshow('original', image)
cv2.waitKey(0)

Таким образом, мы получаем такое же изображение как оригинальное, за исключением того, что я поменял местами синий с зелёным каналом.

Размытие

Размытие — это когда более резкие области на изображении теряют свою детализацию, в результате чего изображение становится менее чётким. В opencv имеются следующие основные методы размытия: averaging(усреднённое), gaussian(гауссово) и median(медианное).

Averaging

Данный фильтр делает операцию свёртки на изображении с неким ядром, где свёртка — это вычисление нового значения пикселя, при котором учитываются значения соседних пикселей. Ядро свёртки — это квадратная матрица, где пиксель в центре этой матрицы затем устанавливается как среднее значение всех других пикселей, окружающих его. Для того, чтобы воспользоваться данным размытием достаточно вызвать метод blur(), который принимает изображение и кортеж, с указанием размера ядра:

def averaging_blurring():
    image = cv2.imread('girl.jpg')
    img_blur_3 = cv2.blur(image, (3, 3))
    img_blur_7 = cv2.blur(image, (7, 7))
    img_blur_11 = cv2.blur(image, (11, 11))

Чем больше размер ядра, тем более размытым будет становиться изображение:

Gaussian

Гауссово размытие похоже на предыдущее размытие, за исключением того, что вместо простого среднего мы теперь используем взвешенное среднее, где соседние пиксели, которые ближе к центральному пикселю, вносят больший «вклад» в среднее. Конечным результатом является то, что наше изображение размыто более естественно:

Это размытие реализуется в opencv с помощью функции GaussianBlur(), которая принимает первые два аргумента такие же как и предыдущая функция, а третьим аргументом указываем стандартное отклонение ядра Гаусса. Установив это значение в 0, мы тем самым говорим opencv автоматически вычислять его, в зависимости от размера нашего ядра:

def gaussian_blurring():
    image = cv2.imread('girl.jpg')
    img_blur_3 = cv2.GaussianBlur(image, (3, 3), 0)
    img_blur_7 = cv2.GaussianBlur(image, (7, 7), 0)
    img_blur_11 = cv2.GaussianBlur(image, (11, 11), 0)

Median

В медианном размытии центральный пиксель изображения заменяется медианой всех пикселей в области ядра, в результате чего это размытие наиболее эффективно при удалении шума в стиле «соли». Для того, чтобы применить данный вид размытия, необходимо вызвать функцию medianBlur() и передать туда два параметра: изображение и размер ядра:

def median_blurring():
    image = cv2.imread('girl.jpg')
    img_blur_3 = cv2.medianBlur(image, 3)
    img_blur_7 = cv2.medianBlur(image, 7)
    img_blur_11 = cv2.medianBlur(image, 11)

В результате у нас получится следующее:

На этом данная часть подошла к концу. Код, как всегда, доступен на github. До скорой встречи:)