Python, NumPyで画像処理（読み込み、演算、保存）
Pillow(PIL)で読み込んだ画像をNumPyの配列ndarrayとして格納すると、NumPyの機能を使って様々な画像処理を行うことができる。
画素値の取得や書き換え、スライスでのトリミング、結合などndarrayの操作がそのまま使えるので、NumPyに慣れている人は、OpenCVなどのライブラリを使わなくても結構いろいろなことができる。
OpenCVを使う場合も、PythonのOpenCVでは画像データをndarrayとして扱うので、NumPy（ndarray）での処理を覚えておくと何かと便利。
ほかにも、scikit-imageなど、画像をndarrayとして扱うライブラリは多い。
ここでは、基本的な画像ファイルの読み書きの方法として、
- 画像ファイルをNumPy配列
ndarrayとして読み込む方法 - NumPy配列
ndarrayを画像ファイルとして保存する方法
と、NumPy（ndarray）での画像処理の例、
- 単色化と画像の結合（連結）
- ネガポジ反転（画素値の逆転）
- 減色処理
- 二値化処理
- ガンマ補正
- スライスでトリミング
- スライスで貼り付け
- アルファブレンドとマスク処理
- 回転と上下左右反転
について説明する。
ここではPillowを使って画像ファイルをndarrayとして読み込み、保存する方法について述べる。OpenCVでの画像ファイルの読み込みと保存については以下の記事参照。
Pillowについては以下の記事も参照。画像の読み込みや保存、リサイズや回転などの簡単な処理はPillowのみで実行可能。
Pillow, NumPy, OpenCVの使い分けについては以下の記事を参照。
Web上の画像ファイルを保存したい場合は以下の記事を参照。
画像ファイルをNumPy配列ndarrayとして読み込む方法
np.array()にPIL.Image.open()で読み込んだ画像データを渡すとndarrayが得られる。
RGB画像は行（高さ） x 列（幅） x 色の三次元のndarray、白黒画像は行（高さ） x 列（幅）の二次元のndarrayになる。
以下は512px x 512pxのカラー画像を読み込んだ例。次元数ndimが3、行（高さ） x 列（幅） x 色を表す形状shapeが(512, 512, 3)となっている。
from PIL import Image
import numpy as np
im = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png'))
print(im.dtype) # データ型
# uint8
print(im.ndim) # 次元数
# 3
print(im.shape) # サイズ（高さ x 幅 x 色数）
# (512, 512, 3)
なお、PillowのPIL.Imageからndarrayに変換した場合、色の並びはRGB（赤、緑、青）となる。OpenCVで読み込んだ場合（BGR）と異なるので注意。並びを変換したい場合は以下の記事を参照。
画像サイズ取得についての詳細は以下の記事を参照。
画像データに対して乗算・除算など小数点を伴う計算をしたい場合は、floatで読み込んでおく。
im_f = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png'), np.float)
print(im_f.dtype) # データ型
# float64
ndarrayなのでデータアクセスも簡単。もちろんmin()やmax()などのメソッドもそのまま使える。
以下の例では(x, y) = (256, 256)の位置の画素値[R, G, B]、および、Rの最小値を取得している。
print(im[256, 256]) # 指定した座標の画素値（R, G, B） / 原点は左上
# [180 65 72]
print(im[:, :, 0].min()) # Redの最小値
# 54
具体的な処理の例は後述。
NumPy配列ndarrayを画像ファイルとして保存する方法
Image.fromarray()にndarrayを渡すとPIL.Imageが得られる。
Pillowのメソッドで画像処理を行ったり、save()で画像として保存するなどの操作が可能になる。
pil_img = Image.fromarray(im)
pil_img.save('data/temp/lena_square_save.png')
保存するだけなら一行で書いてもいい。
Image.fromarray(im).save('data/temp/lena_square_save.png')
保存されるファイルのフォーマットはsave()の引数に指定したパスの拡張子から自動的に判定される。
さらにsave()ではフォーマットに応じたパラメータを引数で指定できる。詳細はImage file formatを参照。例えばjpgの場合は引数qualityで品質を指定できる。1（最低）から95（最高）まででデフォルトは75。
ndarrayのデータ型dtypeがfloatなどの場合は、JPGやPNGで保存するためにuint8（符号なし8ビット整数）に変換する。
pil_img_f = Image.fromarray(im_f.astype(np.uint8))
pil_img_f.save('data/temp/lena_square_save.png')
画素値が0.0〜1.0で表されている場合は255で乗算してからuint8に変換して保存する必要があるので注意。
単色化と画像の結合（連結）
他の色の値を0にして単色画像を生成する。さらに横に並べて結合する。
結合についての詳細は以下の記事参照。
from PIL import Image
import numpy as np
im = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png'))
im_R = im.copy()
im_R[:, :, (1, 2)] = 0
im_G = im.copy()
im_G[:, :, (0, 2)] = 0
im_B = im.copy()
im_B[:, :, (0, 1)] = 0
# 横に並べて結合（どれでもよい）
im_RGB = np.concatenate((im_R, im_G, im_B), axis=1)
# im_RGB = np.hstack((im_R, im_G, im_B))
# im_RGB = np.c_['1', im_R, im_G, im_B]
pil_img = Image.fromarray(im_RGB)
pil_img.save('data/dst/lena_numpy_split_color.jpg')
ネガポジ反転（画素値を逆転）
画素値を計算して処理するのも簡単。
Max値（uint8の場合は255）から画素値を引くとネガポジ反転した画像が取得できる。
import numpy as np
from PIL import Image
im = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png').resize((256, 256)))
im_i = 255 - im
Image.fromarray(im_i).save('data/dst/lena_numpy_inverse.jpg')
減色処理
//で割り算の余りを切り捨てて再度掛け算すると画素値が飛び飛びの値になり、色数を減らせる。
import numpy as np
from PIL import Image
im = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png').resize((256, 256)))
im_32 = im // 32 * 32
im_128 = im // 128 * 128
im_dec = np.concatenate((im, im_32, im_128), axis=1)
Image.fromarray(im_dec).save('data/dst/lena_numpy_dec_color.png')
二値化処理
しきい値に応じて白黒に振り分けることも可能。
詳細は以下の記事を参照。
ガンマ補正
掛け算、割り算、累乗、なんでもできる。
from PIL import Image
import numpy as np
im = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png'), 'f') # floatで読み込み
im_1_22 = 255.0 * (im / 255.0)**(1 / 2.2)
im_22 = 255.0 * (im / 255.0)**2.2
im_gamma = np.concatenate((im_1_22, im, im_22), axis=1)
pil_img = Image.fromarray(np.uint8(im_gamma)) # floatをuintに変換
pil_img.save('data/dst/lena_numpy_gamma.jpg')
スライスでトリミング
スライスで領域を指定すると、矩形にトリミングすることもできる。
from PIL import Image
import numpy as np
im = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png'))
print(im.shape)
# (512, 512, 3)
im_trim1 = im[128:384, 128:384]
print(im_trim1.shape)
# (256, 256, 3)
Image.fromarray(im_trim1).save('data/dst/lena_numpy_trim.jpg')
スライスについての詳細は以下の記事を参照。
左上の座標とトリミングする領域の幅・高さで指定する関数を用意しておくと便利かもしれない。
def trim(array, x, y, width, height):
return array[y:y + height, x:x+width]
im_trim2 = trim(im, 128, 192, 256, 128)
print(im_trim2.shape)
# (128, 256, 3)
Image.fromarray(im_trim2).save('data/dst/lena_numpy_trim2.jpg')
画像のサイズ外を指定すると無視される。
im_trim3 = trim(im, 128, 192, 512, 128)
print(im_trim3.shape)
# (128, 384, 3)
Image.fromarray(im_trim3).save('data/dst/lena_numpy_trim3.jpg')
スライスで貼り付け
スライスを使うと配列の矩形領域を別の配列の矩形領域で置き換えることができる。
これを利用すると画像の一部または全体を別の画像に貼り付けられる。
import numpy as np
from PIL import Image
src = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png').resize((128, 128)))
dst = np.array(Image.open('data/src/lena_square.png').resize((256, 256))) // 4
dst_copy = dst.copy()
dst_copy[64:128, 128:192] = src[32:96, 32:96]
Image.fromarray(dst_copy).save('data/dst/lena_numpy_paste.jpg')
dst_copy = dst.copy()
dst_copy[64:192, 64:192] = src
Image.fromarray(dst_copy).save('data/dst/lena_numpy_paste_all.jpg')
左辺と右辺のスライスで同じサイズの領域を指定しないとエラーになるので注意。
アルファブレンドとマスク処理
配列の要素ごとの演算も簡単にできるので、2つの画像をアルファブレンドしたり、別途用意したマスク画像をもとに合成したりできる。詳細は以下の記事を参照。
回転と上下左右反転
配列を回転したり上下左右に反転したりする関数もある。
元画像。
90度回転。
上下反転。
