`Pillow` (PIL) 库：高级图像处理与生成 - 智猿学院-IT界的百科全书

Pillow (PIL) 库：高级图像处理与生成 (讲座模式)

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊 Python 图像处理的瑞士军刀——Pillow 库。别听到“图像处理”就觉得高大上，难到爆炸。其实有了 Pillow，就像拥有了一个图像界的 PS 大师，各种骚操作都能轻松实现。

Pillow，原名 PIL (Python Imaging Library)，后来因为种种原因分叉出来，改名为 Pillow。但它继承了 PIL 的强大基因，并在社区的持续维护下，变得更加稳定和易用。所以，可以简单粗暴地理解为：Pillow 就是升级版的 PIL！

为什么要用 Pillow？

原因很简单，它能帮你：

读写各种图像格式: JPEG, PNG, GIF, TIFF, BMP… 只要你能想到的，它基本都支持。
图像的基本操作: 裁剪、缩放、旋转、颜色转换、滤镜… 简直是图像界的整容医生。
高级图像处理: 直方图均衡化、傅里叶变换、图像增强… 让你成为图像处理专家。
图像生成: 从零开始画图，添加文字、形状… 让你成为图像界的艺术家。

总而言之，你想对图像做什么，Pillow 都能帮你搞定。

准备工作：安装 Pillow

在开始之前，我们需要先安装 Pillow。打开你的终端，输入以下命令：

pip install pillow

安装完成后，就可以开始我们的图像处理之旅了！

第一部分：图像的基本操作

首先，我们来学习一些图像的基本操作，就像学习武术的基本功一样。

1. 打开和显示图像

这是最基本的操作，就像打开冰箱门一样简单。

from PIL import Image

# 打开图像
img = Image.open("example.jpg") # 请替换成你自己的图片路径

# 显示图像
img.show()

这段代码会打开名为 example.jpg 的图像，并在你的电脑上显示出来。如果你想在 Jupyter Notebook 中显示图像，可以使用以下代码：

from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt

img = Image.open("example.jpg")

plt.imshow(img)
plt.axis('off') # 隐藏坐标轴
plt.show()

2. 图像的信息

了解图像的基本信息，就像了解一个人的身高体重一样重要。

from PIL import Image

img = Image.open("example.jpg")

print(f"图像格式: {img.format}")
print(f"图像大小: {img.size} (宽, 高)")
print(f"图像模式: {img.mode}")

img.format: 图像的格式，例如 "JPEG", "PNG"。
img.size: 图像的尺寸，返回一个元组 (width, height)。
img.mode: 图像的模式，例如 "RGB", "RGBA", "L" (灰度图像)。

3. 裁剪图像

裁剪图像就像给照片瘦脸一样，可以突出重点。

from PIL import Image

img = Image.open("example.jpg")

# 定义裁剪区域 (左, 上, 右, 下)
box = (100, 100, 400, 400)

# 裁剪图像
cropped_img = img.crop(box)

# 保存裁剪后的图像
cropped_img.save("cropped_example.jpg")

# 显示裁剪后的图像
cropped_img.show()

crop() 函数接受一个元组 (left, upper, right, lower) 作为参数，定义了裁剪区域的左上角和右下角的坐标。

4. 缩放图像

缩放图像就像调整照片的大小一样，可以适应不同的场合。

from PIL import Image

img = Image.open("example.jpg")

# 定义新的尺寸
new_size = (200, 200)

# 缩放图像
resized_img = img.resize(new_size)

# 保存缩放后的图像
resized_img.save("resized_example.jpg")

# 显示缩放后的图像
resized_img.show()

resize() 函数接受一个元组 (width, height) 作为参数，定义了新的尺寸。

5. 旋转图像

旋转图像就像把照片倒过来一样，可以改变视角。

from PIL import Image

img = Image.open("example.jpg")

# 旋转图像 45 度
rotated_img = img.rotate(45) # 逆时针旋转

# 保存旋转后的图像
rotated_img.save("rotated_example.jpg")

# 显示旋转后的图像
rotated_img.show()

rotate() 函数接受一个角度作为参数，表示旋转的角度。默认是逆时针旋转。

6. 图像模式转换

图像模式决定了图像的颜色信息如何存储。常见的模式有：

RGB: 红绿蓝三通道，用于彩色图像。
RGBA: 红绿蓝 + 透明度，用于带透明通道的彩色图像。
L: 灰度图像。
CMYK: 青品黄黑，用于印刷。

from PIL import Image

img = Image.open("example.jpg")

# 转换为灰度图像
gray_img = img.convert("L")

# 保存灰度图像
gray_img.save("gray_example.jpg")

# 显示灰度图像
gray_img.show()

convert() 函数可以将图像转换为不同的模式。

第二部分：图像增强

图像增强就像给照片加滤镜一样，可以提升视觉效果。

1. 调整亮度、对比度、饱和度

ImageEnhance 模块提供了一系列类，可以调整图像的亮度、对比度、饱和度等。

from PIL import Image, ImageEnhance

img = Image.open("example.jpg")

# 调整亮度
enhancer = ImageEnhance.Brightness(img)
bright_img = enhancer.enhance(1.5) # 增强亮度 1.5 倍

# 调整对比度
enhancer = ImageEnhance.Contrast(img)
contrast_img = enhancer.enhance(1.2) # 增强对比度 1.2 倍

# 调整饱和度
enhancer = ImageEnhance.Color(img)
color_img = enhancer.enhance(0.8) # 降低饱和度 0.8 倍

# 调整锐度
enhancer = ImageEnhance.Sharpness(img)
sharp_img = enhancer.enhance(2.0)  # 增强锐度 2.0 倍

# 保存增强后的图像
bright_img.save("bright_example.jpg")
contrast_img.save("contrast_example.jpg")
color_img.save("color_example.jpg")
sharp_img.save("sharp_example.jpg")

# 显示增强后的图像
bright_img.show()
contrast_img.show()
color_img.show()
sharp_img.show()

enhance() 函数接受一个浮点数作为参数，表示增强或降低的倍数。

2. 应用滤镜

ImageFilter 模块提供了一系列预定义的滤镜，可以给图像添加各种效果。

from PIL import Image, ImageFilter

img = Image.open("example.jpg")

# 应用模糊滤镜
blurred_img = img.filter(ImageFilter.BLUR)

# 应用边缘增强滤镜
edge_img = img.filter(ImageFilter.EDGE_ENHANCE)

# 应用浮雕滤镜
emboss_img = img.filter(ImageFilter.EMBOSS)

# 应用轮廓滤镜
contour_img = img.filter(ImageFilter.CONTOUR)

# 保存应用滤镜后的图像
blurred_img.save("blurred_example.jpg")
edge_img.save("edge_example.jpg")
emboss_img.save("emboss_example.jpg")
contour_img.save("contour_example.jpg")

# 显示应用滤镜后的图像
blurred_img.show()
edge_img.show()
emboss_img.show()
contour_img.show()

filter() 函数接受一个 ImageFilter 对象作为参数，表示要应用的滤镜。

常用的滤镜包括：

滤镜	描述
`BLUR`	模糊图像
`EDGE_ENHANCE`	增强边缘
`EMBOSS`	浮雕效果
`CONTOUR`	轮廓提取
`DETAIL`	增强细节
`SMOOTH`	平滑图像
`SHARPEN`	锐化图像
`FIND_EDGES`	查找边缘
`GaussianBlur(radius=2)`	高斯模糊，radius参数控制模糊程度
`UnsharpMask(radius=2, percent=150, threshold=3)`	USM锐化，radius参数控制模糊半径，percent参数控制锐化程度，threshold参数控制锐化阈值

3. 直方图均衡化

直方图均衡化是一种常用的图像增强技术，可以改善图像的对比度。

from PIL import Image, ImageOps

img = Image.open("example.jpg").convert('L') # 转换为灰度图像

# 直方图均衡化
equalized_img = ImageOps.equalize(img)

# 保存均衡化后的图像
equalized_img.save("equalized_example.jpg")

# 显示均衡化后的图像
equalized_img.show()

ImageOps.equalize() 函数可以对图像进行直方图均衡化。

第三部分：图像生成

除了处理已有的图像，Pillow 还可以用来生成图像。

1. 创建新的图像

from PIL import Image

# 创建一个新的 RGB 图像
img = Image.new("RGB", (500, 500), color=(255, 255, 255)) # 白色背景

# 保存图像
img.save("new_image.png")

# 显示图像
img.show()

Image.new() 函数可以创建一个新的图像。第一个参数是图像的模式，第二个参数是图像的尺寸，第三个参数是图像的颜色。

2. 绘制图形

ImageDraw 模块提供了一系列函数，可以在图像上绘制各种图形。

from PIL import Image, ImageDraw

# 创建一个新的 RGB 图像
img = Image.new("RGB", (500, 500), color=(255, 255, 255))

# 创建一个 Draw 对象
draw = ImageDraw.Draw(img)

# 绘制一个矩形
draw.rectangle((100, 100, 400, 400), fill=(255, 0, 0), outline=(0, 0, 0)) # 红色填充，黑色边框

# 绘制一个椭圆
draw.ellipse((150, 150, 350, 350), fill=(0, 255, 0), outline=(0, 0, 0)) # 绿色填充，黑色边框

# 绘制一条直线
draw.line((50, 50, 450, 450), fill=(0, 0, 255), width=5) # 蓝色，粗细为 5

# 保存图像
img.save("drawing_example.png")

# 显示图像
img.show()

常用的绘制函数包括：

函数	描述
`rectangle()`	绘制矩形
`ellipse()`	绘制椭圆
`line()`	绘制直线
`polygon()`	绘制多边形
`arc()`	绘制弧线
`chord()`	绘制弦
`pieslice()`	绘制扇形
`point()`	绘制点
`text()`	绘制文本

3. 添加文字

from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont

# 创建一个新的 RGB 图像
img = Image.new("RGB", (500, 500), color=(255, 255, 255))

# 创建一个 Draw 对象
draw = ImageDraw.Draw(img)

# 加载字体
font = ImageFont.truetype("arial.ttf", size=36) # 请替换成你自己的字体文件路径, 如果没有arial.ttf，可以尝试其他字体，如simhei.ttf

# 添加文字
draw.text((100, 100), "Hello, Pillow!", fill=(0, 0, 0), font=font) # 黑色文字

# 保存图像
img.save("text_example.png")

# 显示图像
img.show()

ImageFont.truetype() 函数用于加载字体文件。你需要提供字体文件的路径，以及字体的大小。如果你没有特定的字体文件，可以使用系统自带的字体，或者从网上下载。注意：如果字体文件不存在或者路径错误，程序会报错。建议在同级目录下放置字体文件，或者使用绝对路径。

第四部分：高级应用

学会了基本操作，我们可以尝试一些高级应用。

1. 图像拼接

from PIL import Image

# 打开两张图像
img1 = Image.open("example1.jpg") # 请替换成你自己的图片路径
img2 = Image.open("example2.jpg") # 请替换成你自己的图片路径

# 调整图像大小，使其宽度相同
width = 500
img1 = img1.resize((width, int(img1.height * width / img1.width)))
img2 = img2.resize((width, int(img2.height * width / img2.width)))

# 创建一个新的图像，高度为两张图像的高度之和
new_img = Image.new("RGB", (width, img1.height + img2.height))

# 将两张图像粘贴到新的图像上
new_img.paste(img1, (0, 0))
new_img.paste(img2, (0, img1.height))

# 保存图像
new_img.save("拼接图像.jpg")

# 显示图像
new_img.show()

2. 图像水印

from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont

# 打开图像
img = Image.open("example.jpg") # 请替换成你自己的图片路径

# 创建一个 Draw 对象
draw = ImageDraw.Draw(img)

# 加载字体
font = ImageFont.truetype("arial.ttf", size=36) # 请替换成你自己的字体文件路径

# 添加水印文字
text = "My Watermark"
textwidth, textheight = draw.textsize(text, font)

# 水印位置（右下角）
x = img.width - textwidth - 10
y = img.height - textheight - 10

draw.text((x, y), text, fill=(255, 255, 255), font=font) # 白色水印

# 保存图像
img.save("watermark_example.jpg")

# 显示图像
img.show()

3. GIF 动画处理

Pillow 也可以用来处理 GIF 动画。

from PIL import Image

# 打开 GIF 图像
img = Image.open("example.gif") # 请替换成你自己的GIF图片路径

# 获取 GIF 的帧数
nframes = img.n_frames

# 遍历每一帧
for i in range(nframes):
    img.seek(i) # 选择第 i 帧
    frame = img.convert("RGBA") # 转换为RGBA模式，方便修改
    # 在每一帧上添加一些处理，例如水印
    draw = ImageDraw.Draw(frame)
    draw.text((10,10), f"Frame {i+1}", fill=(255,0,0)) #红色文字
    # 保存每一帧
    frame.save(f"frame_{i}.png") #保存为PNG图片
    # 这里可以进行其他的图像处理操作

# 创建一个新的 GIF 动画
images = []
for i in range(nframes):
    image = Image.open(f"frame_{i}.png")
    images.append(image)

# 保存为 GIF 动画
images[0].save("new_animation.gif", save_all=True, append_images=images[1:], loop=0, duration=100) # duration是每帧的持续时间，单位是毫秒

总结

Pillow 库是一个非常强大的图像处理库，可以帮助你完成各种图像相关的任务。今天我们只是简单地介绍了 Pillow 的一些基本用法，希望能够帮助你入门。如果你想深入学习 Pillow，可以参考官方文档：https://pillow.readthedocs.io/en/stable/

最后，记住：图像处理是一门艺术，需要不断地实践和探索，才能掌握其中的奥秘。祝大家在图像处理的道路上越走越远！

Pillow (PIL) 库：高级图像处理与生成 (讲座模式)

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