读取和写入图像文件

在了解了数字图像如何通过像素、色彩空间和坐标系统构建之后，我们现在转向一项主要实践任务：将图像数据从文件导入到程序中，并将修改后的图像保存回文件。大多数计算机视觉任务都以加载图像开始，并以保存处理后的图像或从中提取信息结束。

我们将使用Python中流行的OpenCV库来执行这些操作。请确保您的开发环境中已安装OpenCV。通常，您会在Python脚本中这样导入它：

import cv2
import numpy as np # OpenCV图像是NumPy数组，因此我们经常需要NumPy

从文件读取图像

OpenCV中用于加载图像的主要函数是cv2.imread()。它的基本用法很简单：您提供图像文件的路径即可。

# 示例：加载同目录下的'photo.jpg'图像
image_path = 'photo.jpg'
img = cv2.imread(image_path)

# 检查图像是否成功加载是一个好习惯
if img is None:
    print(f"错误：无法读取位于{image_path}的图像文件")
else:
    print("图像加载成功！")
    # 您现在可以处理'img'变量了
    # 例如，打印其尺寸（高、宽、通道数）
    print(f"图像尺寸: {img.shape}")

理解cv2.imread()：

1. filename (字符串): 第一个参数 (parameter)是图像文件的路径（例如，'images/cat.png'，'/home/user/data/input.bmp'）。此路径可以是相对路径或绝对路径。

2. flags (整数, 可选): 第二个参数指定图像应如何读取。它控制加载图像的色彩格式。一些常用的标志是：

   • cv2.IMREAD_COLOR (或 1): 以BGR（蓝、绿、红）色彩格式加载图像。如果您不指定标志，这是默认标志。任何透明度信息（alpha通道）都将被忽略。
   • cv2.IMREAD_GRAYSCALE (或 0): 以灰度加载图像。每个像素将具有一个单一的强度值。
   • cv2.IMREAD_UNCHANGED (或 -1): 按原样加载图像，如果存在，则包含任何alpha通道（用于透明度）。这对于支持透明度的PNG等格式非常有用。

   # 加载灰度图像
   img_gray = cv2.imread('photo.jpg', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
   if img_gray is not None:
       print(f"灰度图像尺寸: {img_gray.shape}") # 通常会显示(高, 宽)
   
   # 加载可能带alpha通道的图像
   img_rgba = cv2.imread('logo.png', cv2.IMREAD_UNCHANGED)
   if img_rgba is not None:
       print(f"图像尺寸（带alpha通道?）: {img_rgba.shape}") # 可能会显示(高, 宽, 4)
   

3. 返回值： 如果图像成功加载，cv2.imread()会返回一个包含像素数据的NumPy数组。此数组的结构取决于所使用的标志：

   • 对于cv2.IMREAD_COLOR，它通常是一个形状为(高, 宽, 3)的3D数组，代表BGR通道。
   • 对于cv2.IMREAD_GRAYSCALE，它是一个形状为(高, 宽)的2D数组。
   • 对于cv2.IMREAD_UNCHANGED，它可以是2D或3D数组，如果图像具有透明度，则可能包含4个通道（例如，BGRA）。

   重要提示： 如果OpenCV无法读取文件（例如，文件不存在、已损坏或权限不正确），cv2.imread()将返回None。请务必检查返回值，以避免后续代码中出现错误。

将图像写入文件

在处理图像后（我们将在后续章节中介绍），您通常需要保存结果。OpenCV中用于此目的的函数是cv2.imwrite()。

# 假设'processed_img'是一个包含图像数据的NumPy数组
output_path = 'processed_photo.png'
success = cv2.imwrite(output_path, processed_img)

if success:
    print(f"图像已成功保存到{output_path}")
else:
    print(f"错误：无法将图像保存到{output_path}")

# 您也可以保存我们之前加载的灰度图像
if img_gray is not None:
    cv2.imwrite('photo_grayscale.jpg', img_gray)

理解cv2.imwrite()：

1. filename (字符串): 第一个参数 (parameter)是输出图像所需的路径和文件名。文件格式由您提供的扩展名（例如，.jpg、.png、.bmp、.tif）决定。OpenCV会根据此扩展名对图像进行适当编码。
2. img (NumPy数组): 第二个参数是您要保存的图像数据（NumPy数组）。
3. params (可选): 您可以提供可选参数来控制保存过程，例如JPEG文件的压缩质量。这更进阶，对于基本任务通常不需要。
4. 返回值： 如果图像成功保存，该函数返回True，否则返回False（例如，路径无效、权限不正确、文件扩展名不受支持）。

文件格式和注意事项：

• JPEG (.jpg, .jpeg): 一种有损压缩格式。适用于照片，文件大小较小，但会丢失一些图像细节。保存时通常可以指定质量参数（0-100）。
• PNG (.png): 一种无损压缩格式。保留所有图像细节并支持透明度（alpha通道）。通常比JPEG文件更大，特别是对于摄影图像。
• BMP (.bmp): 未压缩格式。文件大，但确保无数据丢失。
• TIFF (.tif, .tiff): 灵活的格式，可以是有损或无损，支持多层。常用于科学成像。

格式的选择取决于您的需要：对于关注文件大小的普通照片，使用JPEG；当需要完美细节或透明度时，使用PNG；对于特定的归档或科学目的，使用BMP或TIFF。

通过掌握cv2.imread()和cv2.imwrite()，您将能够与图像文件交互，将表示为NumPy数组的像素数据加载到程序中进行分析和处理，并保存结果以供后续使用或显示。这构成了几乎所有计算机视觉工作流程的输入/输出根本部分。下一节将提供实践机会，以了解这些函数和加载图像的属性。