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一、实验介绍

  图像处理是计算机视觉和深度学习领域中不可或缺的一部分，本文将介绍Python Imaging Library（PIL）和PyTorch中的图像处理与增强方法，以及如何随机对图像进行增强操作。

本实验将将通过PIL库完成图片生成、合成、添加文字等操作，并分别PIL使用PyTorch中的transforms模块实现图像增强功能。

二、实验环境

  本系列实验使用了PyTorch深度学习框架，相关操作如下：

1. 配置虚拟环境

conda create -n DL python=3.7 

conda activate DL

pip install torch==1.8.1+cu102 torchvision==0.9.1+cu102 torchaudio==0.8.1 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html

conda install matplotlib

 conda install scikit-learn

2. 库版本介绍

软件包	本实验版本	目前最新版
matplotlib	3.5.3	3.8.0
numpy	1.21.6	1.26.0
python	3.7.16
scikit-learn	0.22.1	1.3.0
torch	1.8.1+cu102	2.0.1
torchaudio	0.8.1	2.0.2
torchvision	0.9.1+cu102	0.15.2

三、实验内容

【深度学习实验】图像处理（一）：Python Imaging Library（PIL）库：图像读取、写入、复制、粘贴、几何变换、图像增强、图像滤波

0. 导入需要的工具包

1. PIL图像处理

from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont, ImageEnhance, ImageFilter
import random
from torchvision import transforms
import matplotlib.pyplot as plt

a. 生成绿色和蓝色图像

  使用PIL生成一张绿色图像和一张蓝色图像，它们的尺寸均为512×512像素。

from PIL import Image

# 生成绿色和蓝色图像
size = 512
image_green = Image.new('RGB', (size, size), 'green')
image_blue = Image.new('RGB', (size, size), 'blue')

b. 缩放和合成图像

  将绿色图像缩放并放置在蓝色图像中心，使其占据大约70%的区域。

# 缩放绿色图像并合成
green_scaled = image_green.resize((int(size * 0.7), int(size * 0.7)))
position = ((image_blue.width - green_scaled.width) // 2, (image_blue.height - green_scaled.height) // 2)
image_blue.paste(green_scaled, position)
image_result = image_blue.copy()

c 在合成图像上添加文字

# 在合成图像上添加文字
image_ID = image_result.copy()
draw = ImageDraw.Draw(image_ID)
ID = '深度学习——图像处理'
chinese_ttf = "C:\Windows//Fonts//STKAITI.TTF"
size_foot = 40
chinese_font = ImageFont.truetype(chinese_ttf , size=size_foot)
# print(chinese_font.getsize(ID))
print(chinese_font.getlength(ID))
position_ID = ((size - int(chinese_font.getlength(ID))) // 2, size-60)
# 绘制文本
draw.text(position_ID, ID, font=chinese_font)

d. 展示并保存图像

display(image_ID)
# image_ID.show()
image_ID.save('result.png')

2. PIL随机图像增强

a. 定义随机图像增强函数

  函数接受自然图像作为输入，并以50%的概率随机应用以下增强方法：旋转、翻转、亮度调整、颜色调整、对比度调整、锐度调整和CONTOUR滤波器。

# 随机应用图像增强
def image_enhancement():
    img = Image.open('c.jpg')
    if random.random() < 0.5:
        # rotate旋转
        angle = random.randint(-45, 45)
        img = img.rotate(angle)

    if random.random() < 0.5:
        # flip翻转（左右或上下）
        img = img.transpose(Image.FLIP_LEFT_RIGHT)

    if random.random() < 0.5:
        img = img.transpose(Image.FLIP_TOP_BOTTOM)

    if random.random() < 0.5:
        # brightness altering亮度调整
        enhancer = ImageEnhance.Brightness(img)
        img = enhancer.enhance(random.uniform(0, 1))

    if random.random() < 0.5:
        # color altering色彩调整
        enhancer = ImageEnhance.Color(img)
        img = enhancer.enhance(factor=1.5)

    if random.random() < 0.5:
        # contrastive altering对比度调整
        enhancer = ImageEnhance.Contrast(img)
        img = enhancer.enhance(factor=1.5)

    if random.random() < 0.5:
        # sharpness altering锐度调整
        enhancer = ImageEnhance.Sharpness(img)
        img = enhancer.enhance(random.uniform(0, 2))

    if random.random() < 0.5:
        # CONTOUR滤波器
        img = img.filter(ImageFilter.CONTOUR)
    return img

b. 实验结果展示

【深度学习】 Python 和 NumPy 系列教程（廿六）：Matplotlib详解：3、多子图和布局：subplots()函数

x = 5
y = 5
fig, axs = plt.subplots(x, y, figsize=(32, 32))
for i in range(x):
    for j in range(y):
        img = image_enhancement()
        axs[i, j].imshow(img, aspect='auto')
        axs[i, j].axis('off')  # 关闭坐标轴
plt.show()

3. PyTorch：使用transforms实现随机图像增强

a. 定义PyTorch随机图像增强函数

  在PyTorch中，使用transforms模块可以轻松实现相同的随机图像增强功能。

transform = transforms.Compose([
        transforms.RandomRotation(45, resample=False, expand=False, center=None),
        transforms.RandomHorizontalFlip(p=0.5),
        transforms.RandomVerticalFlip(p=0.5),
        transforms.ColorJitter(brightness=0.5,      # 亮度
                               contrast=0.5,        # 对比度
                               saturation=0.5,      # 抖动饱和度
                               hue=0.5),            # 色调抖动的程度
        # https://pytorch.org/vision/stable/generated/torchvision.transforms.v2.ColorJitter.html#torchvision.transforms.v2.ColorJitter
        # transforms.RandomResizedCrop(size=(img.width, img.height), scale=(0.8, 1.0), ratio=(0.75, 1.333)),
        # 高斯模糊
        transforms.RandomApply([transforms.GaussianBlur(kernel_size=3)], p=0.5),
    ])

b. 实验结果展示

x = 5
y = 5
fig, axs = plt.subplots(x, y, figsize=(32, 32))
for i in range(x):
    for j in range(y):
        img = Image.open('c.jpg')
        img = transform(img)
        axs[i, j].imshow(img, aspect='auto')
        axs[i, j].axis('off')  # 关闭坐标轴
plt.show()