如何在R中从灰度图像获取像素矩阵？

Question

当灰度图像用矩阵表示时，矩阵的每个元素决定了相应像素的强度。为方便起见，大多数当前数字文件使用0到255之间的整数来表示不同级别的灰度（0表示黑色，最小强度颜色；255表示白色，最大强度），共256 = 2^8种不同的灰度级别。

在R中有一种方法可以获取灰度图像的像素矩阵，其像素值范围从0到255。

同时，在R中是否可以将图像调整为所需的尺寸（例如$28 \times 28$），然后将其转换为像素矩阵，其元素范围为0到255？

如果原始图像是RGB格式，但我想要灰度矩阵会发生什么？

- Blain Waan

Answer 1

R包png提供了readPNG()函数，可以将PNG格式的光栅图形（由“像素矩阵”组成）读入R。它返回一个灰度值在[0,1]之间的单个矩阵或三个RGB值在[0,1]之间的矩阵。

要在[0,1]和{0，...，255}之间进行转换，只需乘以或除以255并四舍五入即可。

要在RGB和灰度之间进行转换，您可以使用colorspace软件包中的desaturate()函数等。

例如，让我们下载您建议的图像：

download.file("http://www.greenmountaindiapers.com/skin/common_files/modules/Socialize/images/twitter.png",
  destfile = "twitter.png")

然后我们加载上述提到的软件包：

library("png")
library("colorspace")

首先，我们将PNG图像读入到一个数组x中，该数组的维度为28 x 28 x 4。因此，该图像具有28 x 28个像素和四个通道：红色、绿色、蓝色和alpha（用于半透明）。

x <- readPNG("twitter.png")
dim(x)
## [1] 28 28  4

现在我们可以将其转换为其他各种格式： y 是一个十六进制字符字符串的向量，用于指定 R 中的颜色。 yg 是相应的去饱和颜色（再次作为十六进制字符）仅包含 灰度。 yn 是 数字 灰度值。这三个对象最终被排列成 28 x 28 矩阵。

y <- rgb(x[,,1], x[,,2], x[,,3], alpha = x[,,4])
yg <- desaturate(y)
yn <- col2rgb(yg)[1, ]/255
dim(y) <- dim(yg) <- dim(yn) <- dim(x)[1:2]

我希望这些版本中至少有一个符合您的要求。为了查看像素矩阵，我编写了一个小型便利函数进行可视化：

pixmatplot <- function (x, ...) {
  d <- dim(x)
  xcoord <- t(expand.grid(1:d[1], 1:d[2]))
  xcoord <- t(xcoord/d)
  par(mar = rep(1, 4))
  plot(0, 0, type = "n", xlab = "", ylab = "", axes = FALSE, 
    xlim = c(0, 1), ylim = c(0, 1), ...)
  rect(xcoord[, 2L] - 1/d[2L], 1 - (xcoord[, 1L] - 1/d[1L]), 
    xcoord[, 2L], 1 - xcoord[, 1L], col = x, border = "transparent")
}

举个例子，让我们看一下：

pixmatplot(y)
pixmatplot(yg)

如果你有一张较大的图片想要调整到28 x 28的大小，可以对应行/列中的灰度值取平均并将结果插入到所需维度的矩阵中。

最后注意：虽然在R中完全可以完成上述步骤，但使用图像处理软件可能更为方便。例如，根据你的需求，使用ImageMagick的mogrify可能会更容易：

mogrify -resize 28 -type grayscale twitter.png

- Achim Zeileis

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谢谢你的回答。请问如果我有一个名为“image.png”的图像，如何使用desaturate（）命令获得灰度图像？还有关于如何在R中将图像调整为首选尺寸（例如，28x28像素）的问题？ - Blain Waan

如果我读取这张图片（http://www.greenmountaindiapers.com/skin/common_files/modules/Socialize/images/twitter.png），为什么它会给我一个28x28x4的矩阵？你能解释一下吗？再次感谢。 - Blain Waan

我在回复中添加了一个带有解释的示例。 - Achim Zeileis

我真的很喜欢这个答案。它还解决了在R中解决图像相关问题时可能出现的其他疑问。 - Manish Sharma

Answer 2

这是一个将灰度png图像转换并绘制的示例。请先确保安装相关软件包。

library(png)
library(RCurl)
myurl = "https://postgis.net/docs/manual-dev/images/apple_st_grayscale.png"
my_image =  readPNG(getURLContent(myurl))
img_mat=my_image[,,1] # will hold the grayscale values divided by 255
img_mat=t(apply(img_mat, 2, rev)) # otherwise the image will be rotated
image(img_mat, col  = gray((0:255)/255)) # plot in grayscale

- Roee Anuar