摘要：本篇文章讲解图像灰度化处理的知识，结合OpenCV调用cv2.cvtColor()函数实现图像灰度操作，使用像素处理方法对图像进行灰度化处理。
本文分享自华为云社区《[Python图像处理] 十四.基于OpenCV和像素处理的图像灰度化处理》，作者： eastmount 。
本篇文章讲解图像灰度化处理的知识，结合OpenCV调用cv2.cvtColor()函数实现图像灰度操作，使用像素处理方法对图像进行灰度化处理。基础性知识希望对您有所帮助。
- 1.图像灰度化原理
- 2.基于OpenCV的图像灰度化处理
- 3.基于像素操作的图像灰度化处理
一.图像灰度化原理
像灰度化是将一幅彩色图像转换为灰度化图像的过程。彩色图像通常包括R、G、B三个分量，分别显示出红绿蓝等各种颜色，灰度化就是使彩色图像的R、G、B三个分量相等的过程。灰度图像中每个像素仅具有一种样本颜色，其灰度是位于黑色与白色之间的多级色彩深度，灰度值大的像素点比较亮，反之比较暗，像素值最大为255（表示白色），像素值最小为0（表示黑色）。
假设某点的颜色由RGB(R,G,B)组成，常见灰度处理算法如表7.1所示：
表7.1中Gray表示灰度处理之后的颜色，然后将原始RGB(R,G,B)颜色均匀地替换成新颜色RGB(Gray,Gray,Gray)，从而将彩色图片转化为灰度图像。
一种常见的方法是将RGB三个分量求和再取平均值，但更为准确的方法是设置不同的权重，将RGB分量按不同的比例进行灰度划分。比如人类的眼睛感官蓝色的敏感度最低，敏感最高的是绿色，因此将RGB按照0.299、0.587、0.144比例加权平均能得到较合理的灰度图像，如公式7.1所示。
二.基于OpenCV的图像灰度化处理
在日常生活中，我们看到的大多数彩色图像都是RGB类型，但是在图像处理过程中，常常需要用到灰度图像、二值图像、HSV、HSI等颜色，OpenCV提供了cvtColor()函数实现这些功能。其函数原型如下所示：
dst = cv2.cvtColor(src, code[, dst[, dstCn]])
- src表示输入图像，需要进行颜色空间变换的原图像
- dst表示输出图像，其大小和深度与src一致
- code表示转换的代码或标识
- dstCn表示目标图像通道数，其值为0时，则有src和code决定
该函数的作用是将一个图像从一个颜色空间转换到另一个颜色空间，其中，RGB是指Red、Green和Blue，一副图像由这三个通道（channel）构成；Gray表示只有灰度值一个通道；HSV包含Hue（色调）、Saturation（饱和度）和Value（亮度）三个通道。在OpenCV中，常见的颜色空间转换标识包括CV_BGR2BGRA、CV_RGB2GRAY、CV_GRAY2RGB、CV_BGR2HSV、CV_BGR2XYZ、CV_BGR2HLS等。
下面是调用cvtColor()函数将图像进行灰度化处理的代码。
#encoding:utf-8 import cv2 import numpy as np #读取原始图片 src = cv2.imread('miao.png') #图像灰度化处理 grayImage = cv2.cvtColor(src,cv2.COLOR_BGR2GRAY) #显示图像 cv2.imshow("src", src) cv2.imshow("result", grayImage) #等待显示 cv2.waitKey(0) cv2.destroyAllWindows()
输出结果如下图所示，左边是彩色的苗族服饰原图，右边是将彩色图像进行灰度化处理之后的灰度图。其中，灰度图将一个像素点的三个颜色变量设置为相当，R=G=B，此时该值称为灰度值。
同样，可以调用 grayImage = cv2.cvtColor(src, cv2.COLOR_BGR2HSV) 核心代码将彩色图像转换为HSV颜色空间，如下图所示。
下面Image_Processing_07_02.py代码对比了九种常见的颜色空间，包括BGR、RGB、GRAY、HSV、YCrCb、HLS、XYZ、LAB和YUV，并循环显示处理后的图像。
#encoding:utf-8 import cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #读取原始图像 img_BGR = cv2.imread('miao.png') #BGR转换为RGB img_RGB = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2RGB) #灰度化处理 img_GRAY = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2GRAY) #BGR转HSV img_HSV = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2HSV) #BGR转YCrCb img_YCrCb = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2YCrCb) #BGR转HLS img_HLS = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2HLS) #BGR转XYZ img_XYZ = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2XYZ) #BGR转LAB img_LAB = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2LAB) #BGR转YUV img_YUV = cv2.cvtColor(img_BGR, cv2.COLOR_BGR2YUV) #调用matplotlib显示处理结果 titles = ['BGR', 'RGB', 'GRAY', 'HSV', 'YCrCb', 'HLS', 'XYZ', 'LAB', 'YUV'] images = [img_BGR, img_RGB, img_GRAY, img_HSV, img_YCrCb, img_HLS, img_XYZ, img_LAB, img_YUV] for i in xrange(9): plt.subplot(3, 3, i+1), plt.imshow(images[i], 'gray') plt.title(titles[i]) plt.xticks([]),plt.yticks([]) plt.show()
其运行结果如图所示：
三.基于像素操作的图像灰度化处理
前面讲述了调用OpenCV中cvtColor()函数实现图像灰度化的处理，接下来讲解基于像素操作的图像灰度化处理方法，主要是最大值灰度处理、平均灰度处理和加权平均灰度处理方法。
1.最大值灰度处理方法
该方法的灰度值等于彩色图像R、G、B三个分量中的最大值，公式如下：
其方法灰度化处理后的灰度图亮度很高，实现代码如下。
#encoding:utf-8 import cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #读取原始图像 img = cv2.imread('miao.png') #获取图像高度和宽度 height = img.shape[0] width = img.shape[1] #创建一幅图像 grayimg = np.zeros((height, width, 3), np.uint8) #图像最大值灰度处理 for i in range(height): for j in range(width): #获取图像R G B最大值 gray = max(img[i,j][0], img[i,j][1], img[i,j][2]) #灰度图像素赋值 gray=max(R,G,B) grayimg[i,j] = np.uint8(gray) #显示图像 cv2.imshow("src", img) cv2.imshow("gray", grayimg) #等待显示 cv2.waitKey(0) cv2.destroyAllWindows()
其输出结果如下图所示，其处理效果的灰度偏亮。
2.平均灰度处理方法
该方法的灰度值等于彩色图像R、G、B三个分量灰度值的求和平均值，其计算公式如下所示：
平均灰度处理方法实现代码如下所示：
#encoding:utf-8 import cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #读取原始图像 img = cv2.imread('miao.png') #获取图像高度和宽度 height = img.shape[0] width = img.shape[1] #创建一幅图像 grayimg = np.zeros((height, width, 3), np.uint8) print grayimg #图像平均灰度处理方法 for i in range(height): for j in range(width): #灰度值为RGB三个分量的平均值 gray = (int(img[i,j][0]) + int(img[i,j][1]) + int(img[i,j][2])) / 3 grayimg[i,j] = np.uint8(gray) #显示图像 cv2.imshow("src", img) cv2.imshow("gray", grayimg) #等待显示 cv2.waitKey(0) cv2.destroyAllWindows()
其输出结果如下图所示：
3.加权平均灰度处理方法
该方法根据色彩重要性，将三个分量以不同的权值进行加权平均。由于人眼对绿色的敏感最高，对蓝色敏感最低，因此，按下式对RGB三分量进行加权平均能得到较合理的灰度图像。
加权平均灰度处理方法实现代码如下所示：
#encoding:utf-8 import cv2 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt #读取原始图像 img = cv2.imread('miao.png') #获取图像高度和宽度 height = img.shape[0] width = img.shape[1] #创建一幅图像 grayimg = np.zeros((height, width, 3), np.uint8) print grayimg #图像平均灰度处理方法 for i in range(height): for j in range(width): #灰度加权平均法 gray = 0.30 * img[i,j][0] + 0.59 * img[i,j][1] + 0.11 * img[i,j][2] grayimg[i,j] = np.uint8(gray) #显示图像 cv2.imshow("src", img) cv2.imshow("gray", grayimg) #等待显示 cv2.waitKey(0) cv2.destroyAllWindows()
其输出结果如下图所示：
参考文献：
- 杨秀璋等. 基于苗族服饰的图像锐化和边缘提取技术研究[J]. 现代计算机，2018(10).
- 《数字图像处理》（第3版），冈萨雷斯著，阮秋琦译，电子工业出版社，2013年.
- 《数字图像处理学》（第3版），阮秋琦，电子工业出版社，2008年，北京.
- 《OpenCV3编程入门》，毛星云，冷雪飞，电子工业出版社，2015.
- Opencv学习（十六）之颜色空间转换cvtColor()
- python+opencv+图像特效（图像灰度处理、颜色翻转、图片融合，边缘检测，浮雕效果，颜色映射）
该系列在github所有源代码：