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A crash course on NumPy for images

scikit-image的图像是NumPy数组。因此很大一部分图像操作与NumPy相关：

代码语言：javascript
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>>> from skimage import data
>>> camera = data.camera()
>>> type(camera)
<type 'numpy.ndarray'>

检索图像的几何图形和像素数量：

代码语言：javascript
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>>> camera.shape
(512, 512)
>>> camera.size
262144

检索有关灰度值的统计信息：

代码语言：javascript
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>>> camera.min(), camera.max()
(0, 255)
>>> camera.mean()
118.31400299072266

表示图像的NumPy数组可以是不同的浮点数字类型的整数。有关这些类型的更多信息以及scikit-image如何处理它们，请参阅图像数据类型及其含义。

NumPy索引

NumPy索引既可用于查看像素值，也可用于修改像素值：

代码语言：javascript
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>>> # Get the value of the pixel on the 10th row and 20th column
>>> camera[10, 20]
153
>>> # Set to black the pixel on the 3rd row and 10th column
>>> camera[3, 10] = 0

注意：在NumPy索引中，第一个维（camera.shape[0]）对应于行，而第二个（camera.shape[1]）对应于列，而camera[0, 0]左上角的origin（）。这匹配矩阵/线性代数符号，但与笛卡尔（x，y）坐标相反。有关更多详细信息，请参阅下面的坐标约定。

除了单个像素之外，还可以使用NumPy的不同索引可能性来访问/修改整组像素的值。

切片：

代码语言：javascript
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>>> # Set to black the ten first lines
>>> camera[:10] = 0

掩蔽（用布尔值掩码索引）：

代码语言：javascript
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>>> mask = camera < 87
>>> # Set to "white" (255) pixels where mask is True
>>> camera[mask] = 255

花式索引（索引与索引）

代码语言：javascript
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>>> inds_r = np.arange(len(camera))
>>> inds_c = 4 * inds_r % len(camera)
>>> camera[inds_r, inds_c] = 0

尤其是，使用蒙版选择一组要执行进一步操作的像素非常有用。掩码可以是任何与图像形状相同的布尔阵列（或可以广播到图像形状的形状）。这对定义一个感兴趣的区域很有用，例如磁盘：

代码语言：javascript
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>>> nrows, ncols = camera.shape
>>> row, col = np.ogrid[:nrows, :ncols]
>>> cnt_row, cnt_col = nrows / 2, ncols / 2
>>> outer_disk_mask = ((row - cnt_row)**2 + (col - cnt_col)**2 >
...                    (nrows / 2)**2)
>>> camera[outer_disk_mask] = 0

布尔运算可用于定义更复杂的掩码：

代码语言：javascript
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>>> lower_half = row > cnt_row
>>> lower_half_disk = np.logical_and(lower_half, outer_disk_mask)
>>> camera = data.camera()
>>> camera[lower_half_disk] = 0

彩色图像

以上所有内容对于彩色图像也是如此：彩色图像是一个NumPy数组，并且为通道添加了一个附加的拖尾维度：

代码语言：javascript
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>>> cat = data.chelsea()
>>> type(cat)
<type 'numpy.ndarray'>
>>> cat.shape
(300, 451, 3)

这显示了cat具有三个通道（红色，绿色和蓝色）的300x451像素图像。和以前一样，我们可以获取并设置像素值：

代码语言：javascript
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>>> cat[10, 20]
array([151, 129, 115], dtype=uint8)
>>> # set the pixel at row 50, column 60 to black
>>> cat[50, 60] = 0
>>> # set the pixel at row 50, column 61 to green
>>> cat[50, 61] = [0, 255, 0] # [red, green, blue]

我们也可以使用二维布尔模板来渲染二维彩色图像，就像我们上面的灰度图一样：

在2D彩色图像上使用2D蒙版

代码语言：javascript
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>>> from skimage import data
>>> cat = data.chelsea()
>>> reddish = cat[:, :, 0] > 160
>>> cat[reddish] = [0, 255, 0]
>>> plt.imshow(cat)

（源代码，png，pdf）

协调惯例

因为我们用numpy数组表示图像，所以我们的坐标必须相应匹配。二维（2D）灰度图像（例如camera上图）按行和列（缩写为(row, col)或(r, c)）进行索引，(0, 0)最左边的元素位于左上角。在图书馆的各个部分，您还将看到rr并cc参考行列坐标列表。我们将它与(x, y)通常表示笛卡尔坐标的标准区分开来，其中x水平坐标，y垂直坐标和原点在左下角。（例如，Matplotlib使用这个约定。）

在彩色（或多通道）图像的情况下，最后一个维度包含颜色信息并用channel或表示ch。

最后，对于诸如视频，磁共振成像（MRI）扫描或共聚焦显微镜之类的3D图像，我们称主要维度为plane，缩写为pln或p。

这些约定总结如下：

图像类型

坐标

2D灰度

（行，列）

2D多通道（例如RGB）

（row，col，ch）

3D灰度

（pln，row，col）

3D多声道

（pln，row，col，ch）

scikit-image中的许多功能都直接在3D图像上运行：

代码语言：javascript
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>>> im3d = np.random.rand(100, 1000, 1000)
>>> from skimage import morphology
>>> from scipy import ndimage as ndi
>>> seeds = ndi.label(im3d < 0.1)[0]
>>> ws = morphology.watershed(im3d, seeds)

在许多情况下，第三个成像维度的分辨率低于其他两个。一些scikit-image函数提供了一个spacing关键字参数来处理这些图像：

代码语言：javascript
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>>> from skimage import segmentation
>>> slics = segmentation.slic(im3d, spacing=[5, 1, 1], multichannel=False)

其他时候，处理必须按平面进行。当飞机是主要维度时，我们可以使用以下语法：

代码语言：javascript
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>>> from skimage import filters
>>> edges = np.zeros_like(im3d)
>>> for pln, image in enumerate(im3d):
...     # iterate over the leading dimension (planes)
...     edges[pln] = filters.sobel(image)

有关阵列顺序的说明

尽管轴的标记看起来是任意的，但它对操作速度可能有显着影响。这是因为现代处理器从不从内存中检索一个项目，而是从整个相邻项目中取出一个项目。（这称为预取）。因此，即使操作次数相同，在内存中彼此相邻的处理元素也会比以不同顺序处理元素更快。

代码语言：javascript
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>>> def in_order_multiply(arr, scalar):
...     for plane in list(range(arr.shape[0])):
...         arr[plane, :, :] *= scalar
...
>>> def out_of_order_multiply(arr, scalar):
...     for plane in list(range(arr.shape[2])):
...         arr[:, :, plane] *= scalar
...
>>> import time
>>> im3d = np.random.rand(100, 1024, 1024)
>>> t0 = time.time(); x = in_order_multiply(im3d, 5); t1 = time.time()
>>> print("%.2f seconds" % (t1 - t0))  
0.14 seconds
>>> im3d_t = np.transpose(im3d).copy() # place "planes" dimension at end
>>> im3d_t.shape
(1024, 1024, 100)
>>> s0 = time.time(); x = out_of_order_multiply(im3d, 5); s1 = time.time()
>>> print("%.2f seconds" % (s1 - s0))  
1.18 seconds
>>> print("Speedup: %.1fx" % ((s1 - s0) / (t1 - t0)))  
Speedup: 8.6x

当您迭代的维度更大时，加速更加戏剧性。编写算法时值得考虑这个数据局部性。特别是，除非另有说明，否则scikit-image会使用C连续数组，因此应该沿着计算最内层循环中的最后/最右边的维度进行迭代。

关于时间的说明

虽然scikit-image目前不提供函数来专门处理随时间变化的3D数据，但我们与numpy数组的兼容性使我们能够非常自然地使用形状的5D阵列（t，pln，row，col，ch ）：

代码语言：javascript
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>>> for timepoint in image5d:  
...     # each timepoint is a 3D multichannel image
...     do_something_with(timepoint)

然后我们可以补充上述表格如下：

图像类型

坐标

2D彩色视频

（t，row，col，ch）

3D多声道视频

（t，pln，row，col，ch）

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