Python 細聊可以媲美 PS 的 PIL 圖片處理庫

2022 年 3 月 11 日
筆記
image, PIL, Python

1 . 前言

PIL 是 Python Image Library 的簡稱。

PIL 庫中提供了諸多用來處理圖片的模組，可以對圖片做類似於 PS（Photoshop）的編輯。比如：改變影像大小、旋轉影像、影像格式轉換，轉換顏色通道，影像增強，直方圖處理，插值和濾波等等。

PIL 是第三方庫，使用之前需要先安裝。

pip install pillow

2. 顏色模式

繼續之前先解一個重要概念：顏色模式。

所謂顏色模式：指在電腦中如何模擬出現實世界中的各種顏色，或準確講是一種顏色生成演算法。

常用的顏色模式：

RGB： 基礎理論就是對圖片中的每一個像素點，按紅 (Red)、綠(Green)、藍(Blue)三色系的不同分量組合出現實世界中的顏色。也可以說，我們在電腦上中所看到的 RGB 圖片的顏色是由三色系分量組合而成。或稱其有 3 個顏色通道。

Tip： 我們在電腦中所看到的圖片大多數都是像素圖片，像素圖片的特點就是整張圖片由很多的像素點組成，每一個像素點有自己的顏色。

在 RGB 顏色模式中，電腦為紅色、綠色、藍色分別分配 8 bit 的空間，也意味著紅色、綠色、藍色各自的分量變化是在 0~255（8bit 二進位換算成十進位度的最大值）之間。

所以電腦使用 RGB 顏色模式最多可以模擬出 255X255X255 種顏色，這應該足夠多了，已經可以讓電腦顯示出多彩斑斕的現實世界。

Tip： RGBA 是 RGB 顏色模式的增加版。除了可以模擬顏色，還可以摸擬透明度。A 是 Alpha 的縮寫，這是可以理解為透過或透明度的意思。
CMYK： C：Cyan = 青色，又稱為『天藍色』或是『湛藍』；M：Magenta = 品紅色，又稱為『洋紅色』；Y：Yellow = 黃色；K：blacK=黑色。CMYK 往往用於模擬印刷製品顏色。多用於廣告設計。

可以使用 PIL 庫的 ImageColor 模組的 getColor( ) 方法獲取一個顏色的不同顏色分量值。

from PIL import ImageColor

red = ImageColor.getrgb("red")
print(red)
'''
輸出結果
(255, 0, 0)
'''

Tip： ImageColor 模組內部維護有一個字典。

getColor( ) 方法用使用者提供的顏色名字為鍵，在字典中查找到對應顏色，再轉換成元組後返回。
colormap = {
"aliceblue": "#f0f8ff",
"antiquewhite": "#faebd7",
"aqua": "#00ffff",
"aquamarine": "#7fffd4",
"azure": "#f0ffff",
"beige": "#f5f5dc",
"bisque": "#ffe4c4",
"black": "#000000",
"blanchedalmond": "#ffebcd",
……
}

3. 處理圖片

處理圖片，主要是使用 PIL 庫的 Image 模組（也是核心模組）。在處理圖片之前請提前準備 3 張圖片（2 張 jpg 格式的圖片，1 張 png 格式的圖片）。

Tip： 為了方便操作，把圖片存放到項目目錄中，載入圖片時使用相對路徑描述。

這是一張名為 back_,jpg 的圖片

這是一張名為 dog.jpg 的圖片

這是一張名為 guo_ke.png 的圖片

3.1 基本操作

打開圖片： 處理圖片之前，先要打開圖片，可以使用 Image 模組中的 open( ) 方法 打開。此方法返回一個 PIL.Image.Image 類型的對象。

Tip： 本文不刻意區分函數和方法的概念，統一稱為方法。

# 原型
def open(fp, mode="r", formats=None):
    ……

open( ) 方法特點： open( ) 方法不會立即載入圖片數據，只有在處理圖片或調用圖片的 load( ) 方法時才會載入。

from PIL import Image
# open( ) 方法具有懶（延遲）載入的特性
img = Image.open("back_.jpg")
#立即載入圖片數據
img.load()

open( ) 方法參數說明：

fp： 設置要打開的圖片文件。可以是字元串描述的文件名稱、也可以是一個文件對象。

from PIL import Image
# mode 必須是 "rb"
file = open("dog.png", mode="rb")
#文件對象作為參數
img = Image.open(file)

mode： 對圖片文件操作的模式，默認是「r」。如果設置，也只能是 “r”。
formats： 列表或元組類型，指定文件的打開格式，默認由方法自己判斷。

圖片的常規屬性： 圖片對象有幾個常用的屬性。

mode： 圖片的顏色模式（RGB，CMYK，RGBA，L……）。不同顏色模式的圖片其通道數量會有差異。
format： 圖片的格式（PNG，JPEG，GIF……）。JPEG格式的圖片沒有 A 通道，所以 JPEG 圖片是沒有透明度資訊的。PNG 圖片有 A 通道，具有透明性。GIF 圖片格式有幀的概念，一張 GIF 圖片其實是由多張圖片組成的，每一張圖片為一幀。
size： 圖片大小。在處理圖片時，圖片大小用 2 元組表示。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg", mode="r")
print("圖片顏色模式：", img.mode)
print("圖片的格式:", img.format)
print("圖片的大小:", img.size)
'''
輸出結果
圖片顏色模式： RGB
圖片的格式: JPEG
圖片的大小: (852, 639)
'''

修改圖片的屬性

PIL.Image.Image 對象提供有方法用來修改圖片的的屬性，如改變大小、改變模式、改變格式。

修改圖片的大小： 可使用圖片對象的 resize( ) 方法修改圖片的大小。此方法的參數必須是 2元組類型。*，返回一個圖片副本。

Tip： 不是直接修改原圖片的大小（原圖片是以 r 模式打開的）。類似於按給定的大小在原圖片做插值運算後重新生成一張圖片。

# 返回一個新的 PIL.Image.Image 對象
img=img.resize((300,300))

修改的圖片的顏色模式： 可以使用圖片對象的 conver( ) 方法修改圖片模式。可以取值範圍： 1、L、P、RGB、RGBA、CMYK、YCbCr、I、F。返回的也是一個圖片副本。

1 模式： 黑白圖片模式，每一個像素只有黑或白兩個顏色。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg", mode="r")
img1 = img.convert('1')
img.show()

L 模式： 生成灰度圖片，每一個像素的顏色會重新按 L = R * 299/1000 + G * 587/1000 + B * 114/1000 進行換算。

Tip： 當像素點的 RGB 顏色分量相同時，組合出來的就是灰色。灰色系有 256 階梯，從 0~255。0 表示黑色，255 表示白色，從0到255 顏色由黑逐漸轉向白。
(#000) 黑色，(#111、 # 222、 #333) ……逐漸到 (#FFF) 白色。灰度圖片要比黑白圖片的顏色層次豐富。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg", mode="r")
img = img.convert('L')
img.show()

當把 RGBA 模式轉換成 RGB 模式時，只會獲取其中的 RGB 顏色通道（捨棄透明資訊）。當由 RGB 模式轉換成 RGBA 模式時。會自動添加 A 通道，補值為 255。

from PIL import Image

img = Image.open("dog.jpg", mode="r")
print(img.mode)
print(img.getpixel((1, 1)))
img = img.convert("RGBA")
# 使用 getpixel( ) 方法獲取任意一點的顏色模式
print(img.getpixel((1, 1)))
print(img.mode)
'''
輸出結果
RGB
(207, 209, 222)
(207, 209, 222, 255)
RGBA
'''

保存圖片。圖片修改後可以使用 save( ) 方法對其保存。

def save(self, fp, format=None, **params):

save( ) 方法的參數說明：

fp： 字元串描述的文件名或一個文件對象。
format： 保存時指定圖片的格式（JPG、PNG……）。如果省略此參數，則由文件的擴展名確定。如果 fp 是一個文件對象，此參數不能省略。
params： 擴展參數。

保存圖片的副本：除了文件名不一樣，其它數據資訊都是相同。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg")
img.save("dog_01.jpg")

保存時修改圖片格式：

from PIL import Image

# 原圖片格式為 jpg
img = Image.open("dog.jpg")
print("dog.jpg圖片的顏色模式:", img.mode)
# 保存後圖片的格式為 png
img.save("dog_02.png")
img = Image.open("dog_02.png")
print("dog_02.png的顏色模式：", img.mode)
'''
輸出結果
dog.jpg圖片的顏色模式: RGB
dog_02.png的顏色模式： RGB
'''

Tip： dog.jpg 圖片是 RGB 模式，雖然在保存時指定 PNG 擴展名，但系統不會添加 A 通道， dog_02.png 圖片的顏色模式還是 RGB 模式。

如下程式碼會拋異常：因為無法將 RGBA 模式的圖片以 JPEG 格式保存

from PIL import Image
# png 格式的圖片有透明通道,其顏色模式是 RGBA.
img = Image.open("guo_ke.png")
print(img.mode)
# jpg 格式的圖片沒有透明通道
img.save("guo_ke.jpg")
'''
輸出結果
OSError: cannot write mode RGBA as JPEG
'''

3.2 變形操作

變形操作包括對圖片的旋轉、裁剪、複製和粘貼一系列操作。

rotate( )方法： 此方法使用一個角度值旋轉圖片，返回圖片副本。

角度為正值時以逆時針方向旋轉，負值向順時針方向旋轉．可以通過調整角度，讓圖片水平或垂直方向翻轉。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg")
img=img.rotate(30)
img.show()

默認情況下，圖片旋轉後的空白處填充黑色。可以使用 rotate( )方法的 fillcolor 參數為圖片旋轉後留下的空白處指定填充顏色。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg")
img=img.rotate(-45,fillcolor="blue")
img.show()

可以使用 rotate( )方法的 center 參數調整圖片的中心點的位置。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg")
img = img.rotate(45, fillcolor="blue", center=(20, 20))
img.show()

crop( ) 方法: 裁剪圖片，裁剪時需要在原圖片中確定一個需要保留的矩形區域。此方法返回一個圖片副本。

from PIL import Image
img = Image.open("dog.jpg")
# 4 元組,前 2 個數字 表示矩形的左上角,後 2 個數字 表示矩形的右下角
img = img.crop((0, 0, 400, 400))
img.show()

圖片的坐標系，圖片的最左上角為原點，水平向右為 X 正軸，垂直向下為正軸．

裁剪後的圖片

copy( )方法： 複製圖片，返回和原圖片完全一樣的圖片副本。圖片副本和原圖片之間是完全獨立的，修改其中的一張圖片不會影響另一張圖片。

paste( )方法： 粘貼圖片，可以把一張圖片粘貼到另一張圖片上。如把小狗的圖片粘貼到背景圖片上。

def paste(self, im, box=None, mask=None):

參數說明：

im： 需要被粘貼的圖片（這裡是小狗圖片）。
box： 圖片被粘貼的位置。box 可以是一個 2 元組，這 2 個表示小狗圖片的左上角在背景圖片上的位置。如果是 4 元組，則被粘貼的圖片（小狗圖片）必須和 4 元組所描述的矩形區域的大小一樣。
mask：遮罩圖片，遮罩圖片最好有透明性，如 PNG 圖片。

from PIL import Image
# 打開背景圖片
back_img = Image.open("back_.jpg")
# 打開小狗圖片
dog_img = Image.open("dog.jpg")
# 修改小狗的大小
dog_img = dog_img.resize((180, 120))
# 複製圖片
back_copy_img = back_img.copy()
# (300,200) 或（300,200,480,320）
back_copy_img.paste(dog_img, (300, 200))
back_copy_img.show()

遮罩圖片的使用，遮罩圖片只能是 “1”, “L” or “RGBA” 模式的圖片，且遮罩圖片和被粘貼的圖片大小必須一樣。

from PIL import Image
# 打開背景圖片
back_img = Image.open("back_.jpg")
# 打開小狗圖片
dog_img = Image.open("dog.jpg")
# 修改小狗的大小
dog_img = dog_img.resize((180, 120))
# 複製圖片
back_copy_img = back_img.copy()
# 遮罩圖片 需要有透明度資訊
mask_img = Image.open("js.png")
# 修改 遮罩圖片 和 小狗圖片一樣大小
mask_img = mask_img.resize((180, 120))
# 粘貼
back_copy_img.paste(dog_img, box=(300, 200, 480, 320), mask=mask_img)
back_copy_img.show()

3.3 合併顏色通道

RGB顏色模式的圖片有 3 個顏色通道，RGBA 顏色模式的圖片有 3 個顏色通道另加 1 個透明度通道。可以使用 split( ) 方法 分離出圖片的顏色通道，然後根據自己的需要再重新排列顏色通道得到不同效果的圖片。

分離小狗圖片的顏色通道，並重組顏色通道。merge( ) 方法能通過指定的顏色通道創建一張新圖片。

from PIL import Image
dog_img = Image.open("dog.jpg")
# 分離顏色通道
r, g, b = dog_img.split()
# 打亂顏色通道得到新圖片 藍色通道和紅色通道互換
dog_img = Image.merge(dog_img.mode, (b, g, r))
dog_img.show()

可以對分離出來的顏色通道進行單獨修改修改，修改後再重組出新的圖片。

from PIL import Image

dog_img = Image.open("dog.jpg")
# 分離顏色通道
r, g, b = dog_img.split()
# 修改每一個顏色通道中的像素點的值
r = r.point(lambda i: i + 10)
g = r.point(lambda i: i * 0.6)
b = b.point(lambda i: i + 100)
dog_img = Image.merge(dog_img.mode, (r, g, b))
dog_img.show()

下面的程式碼使用 getpixel( ) 方法通過給定的坐標值找到每一點的顏色模式。然後對每一個像素點的顏色模式進行重構。

from PIL import Image
dog_img = Image.open("dog.jpg")
w, h = dog_img.size
for i in range(w):
    for j in range(h):
        # 獲取每一個像素點的顏色模式
        c = dog_img.getpixel((i, j))
        # 修改每一個像素點的顏色模式 紅色加重，綠色減少。
        dog_img.putpixel((i, j), (c[0] + 100, c[1] - 20, c[2] + 30))
dog_img.show()

重組不同圖片中的顏色通道，要求所有圖片的大小都一樣。

from PIL import Image
dog_img = Image.open("dog.jpg")
# 分離顏色通道
r, g, b = dog_img.split()
img1 = Image.open("guo_ke.png")
#兩張圖片的大小一樣
img1=img1.resize(dog_img.size)
# js.png 顏色模式是 rgba
r1,g1,b1,a=img1.split()
# 混合 兩張圖片的不同通道
img=Image.merge("RGBA",(r1,g,b1,a))
img.show()

3.4 濾鏡和增加

可以像 PS 一樣給圖片添加濾鏡，並且可以調整圖片的對比度，色調……等資訊。

ImageFilter 模組提供有各種濾鏡對象，圖片使用濾鏡後會返回一個圖片副本。

BLUR：模糊效果
CONTOUR：輪廓效果
DETAIL：細節效果
EDGR_ENHANCE：邊界增強效果
EDGE_ENHANCE_MODE：閾值邊界增強效果
EMBOSS：浮雕效果
FIND_EDGES：邊界效果
SMOOTH：平滑效果
SMOOTH_MODE：閾值平滑效果
SHARPEN：銳化效果

給小狗圖片添加濾鏡效果：

from PIL import ImageFilter
from PIL import Image
dog_img = Image.open("dog.jpg")
# 浮雕效果
dog_img = dog_img.filter(ImageFilter.EMBOSS)
dog_img.show()

其它的效果大家可以自己試一試。

ImageEnhance 類提供有修改圖片對比度，色調等資訊的對象。這些對象都有一個 enhance(factor) 方法用來設置增強的強度。

Color(im)：調整顏色平衡
Contrast(im)：調整對比度
Brightness(im)：調整亮度
Sharpness(im)：調整銳度

增強圖片的高度：

from PIL import ImageFilter
from PIL import Image
from PIL import ImageEnhance

dog_img = Image.open("dog.jpg")
dog_img = dog_img.filter(ImageFilter.SHARPEN)
# 構建 Brightness 對象
dog_img=ImageEnhance.Brightness(dog_img)
# 調用 Brightness 對象的enhance()設置增加的數值
dog_img.enhance(2).show()

4 . 總結

本文介紹了 PIL 庫的 ImageColor、Image、ImageFilter、ImageEnchance 模組。除此之外，PIL 中還有很多與圖片處理相關的模組。使用這些模組，幾乎可以完成 PS 中能完成的任務。

對於圖片處理還有些高級應用，有時間再另開闢新文。

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