原文:NumPy Cookbook - Second Edition
协议:CC BY-NC-SA 4.0
译者:飞龙
在本章中,我们将介绍以下秘籍:
- 安装 SciPy
- 安装 PIL
- 调整图像大小
- 比较视图和副本
- 翻转 Lena
- 花式索引
- 位置列表索引
- 布尔值索引
- 数独的步幅技巧
- 广播数组
简介
NumPy 以其高效的数组而闻名。 之所以成名,部分原因是索引容易。 我们将演示使用图像的高级索引技巧。 在深入研究索引之前,我们将安装必要的软件 – SciPy 和 PIL。 如果您认为有此需要,请参阅第 1 章“使用 IPython”的“安装 matplotlib”秘籍。
在本章和其他章中,我们将使用以下导入:
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import scipy
我们还将尽可能为print()
Python 函数使用最新的语法。
注意
Python2 是仍然很流行的主要 Python 版本,但与 Python3 不兼容。Python2 直到 2020 年才正式失去支持。主要区别之一是print()
函数的语法。 本书使用的代码尽可能与 Python2 和 Python3 兼容。
本章中的一些示例涉及图像处理。 为此,我们将需要 Python 图像库(PIL),但不要担心; 必要时会在本章中提供帮助您安装 PIL 和其他必要 Python 软件的说明和指示。
安装 SciPy
SciPy 是科学的 Python 库,与 NumPy 密切相关。 实际上,SciPy 和 NumPy 在很多年前曾经是同一项目。 就像 NumPy 一样,SciPy 是一个开放源代码项目,已获得 BSD 许可。 在此秘籍中,我们将安装 SciPy。 SciPy 提供高级功能,包括统计,信号处理,线性代数,优化,FFT,ODE 求解器,插值,特殊功能和积分。 NumPy 有一些重叠,但是 NumPy 主要提供数组功能。
准备
在第 1 章,“使用 IPython”中,我们讨论了如何安装setuptools
和pip
。 如有必要,请重新阅读秘籍。
操作步骤
在此秘籍中,我们将完成安装 SciPy 的步骤:
-
从源安装:如果已安装 Git,则可以使用以下命令克隆 SciPy 存储库:
$ git clone https://github.com/scipy/scipy.git $ python setup.py build $ python setup.py install --user
这会将 SciPy 安装到您的主目录。 它需要 Python 2.6 或更高版本。
在构建之前,您还需要安装 SciPy 依赖的以下包:
-
BLAS
和LAPACK
库 - C 和 Fortran 编译器
您可能已经在 NumPy 安装过程中安装了此软件。
-
-
在 Linux 上安装 SciPy:大多数 Linux 发行版都包含 SciPy 包。 我们将遵循一些流行的 Linux 发行版中的必要步骤(您可能需要以 root 用户身份登录或具有
sudo
权限):-
为了在 RedHat,Fedora 和 CentOS 上安装 SciPy,请从命令行运行以下指令:
$ yum install python-scipy
-
为了在 Mandriva 上安装 SciPy,请运行以下命令行指令:
$ urpmi python-scipy
-
为了在 Gentoo 上安装 SciPy,请运行以下命令行指令:
$ sudo emerge scipy
-
在 Debian 或 Ubuntu 上,我们需要输入以下指令:
$ sudo apt-get install python-scipy
-
-
在 MacOSX 上安装 SciPy:需要 Apple Developer Tools(XCode),因为它包含
BLAS
和LAPACK
库。 可以在 App Store 或 Mac 随附的安装 DVD 中找到它。 或者您可以从 Apple Developer 的连接网站获取最新版本。 确保已安装所有内容,包括所有可选包。您可能已经为 NumPy 安装了 Fortran 编译器。
gfortran
的二进制文件可以在这个链接中找到。 -
使用
easy_install
或pip
安装 SciPy:您可以使用以下两个命令中的任何一个来安装 SciPy(sudo
的需要取决于权限):$ [sudo] pip install scipy $ [sudo] easy_install scipy ```**
-
在 Windows 上安装:如果已经安装 Python,则首选方法是下载并使用二进制发行版。 或者,您可以安装 Anaconda 或 Enthought Python 发行版,该发行版与其他科学 Python 包一起提供。
-
检查安装:使用以下代码检查 SciPy 安装:
import scipy print(scipy.__version__) print(scipy.__file__)
这应该打印正确的 SciPy 版本。
工作原理
大多数包管理器都会为您解决依赖项(如果有)。 但是,在某些情况下,您需要手动安装它们。 这超出了本书的范围。
另见
如果遇到问题,可以在以下位置寻求帮助:
-
freenode
的#scipy
IRC 频道 - SciPy 邮件列表
安装 PIL
PIL(Python 图像库)是本章中进行图像处理的先决条件。 如果愿意,可以安装 Pillow,它是 PIL 的分支。 有些人喜欢 Pillow API; 但是,我们不会在本书中介绍其安装。
操作步骤
让我们看看如何安装 PIL:
-
在 Windows 上安装 PIL:使用 Windows 中的 PIL 可执行文件安装 PIL。
-
在 Debian 或 Ubuntu 上安装:在 Debian 或 Ubuntu 上,使用以下命令安装 PIL:
$ sudo apt-get install python-imaging
-
使用
easy_install
或pip
安装:在编写本书时,似乎 RedHat,Fedora 和 CentOS 的包管理器没有对 PIL 的直接支持。 因此,如果您使用的是这些 Linux 发行版之一,请执行此步骤。使用以下任一命令安装 :
$ easy_install PIL $ sudo pip install PIL
另见
- 可在这里 找到有关 PILLOW(PIL 的分支)的说明。
调整图像大小
在此秘籍中,我们将把 Lena 的样例图像(在 SciPy 发行版中可用)加载到数组中。 顺便说一下,本章不是关于图像操作的。 我们将只使用图像数据作为输入。
注意
Lena Soderberg 出现在 1972 年的《花花公子》杂志中。 由于历史原因,这些图像之一经常用于图像处理领域。 不用担心,该图像完全可以安全工作。
我们将使用repeat()
函数调整图像大小。 此函数重复一个数组,这意味着在我们的用例中按一定的大小调整图像大小。
准备
此秘籍的前提条件是必须安装 SciPy,matplotlib 和 PIL。 看看本章和第 1 章,“使用 IPython”的相应秘籍。
操作步骤
通过以下步骤调整图像大小:
-
首先,导入
SciPy
。 SciPy 具有lena()
函数。 它用于将图像加载到 NumPy 数组中:lena = scipy.misc.lena()
从 0.10 版本开始发生了一些重构,因此,如果您使用的是旧版本,则正确的代码如下:
lena = scipy.lena()
-
使用
numpy.testing
包中的assert_equal()
函数检查 Lena 数组的形状-这是可选的完整性检查测试:np.testing.assert_equal((LENA_X, LENA_Y), lena.shape)
-
使用
repeat()
函数调整 Lena 数组的大小。 我们在x
和y
方向上给此函数一个调整大小的因子:resized = lena.repeat(yfactor, axis=0).repeat(xfactor, axis=1)
-
我们将在同一网格的两个子图中绘制 Lena 图像和调整大小后的图像。 使用以下代码在子图中绘制 Lena 数组:
plt.subplot(211) plt.title("Lena") plt.axis("off") plt.imshow(lena)
matplotlib
subplot()
函数创建一个子图。 此函数接受一个三位整数作为参数,其中第一位是行数,第二位是列数,最后一位是子图的索引,从 1 开始。imshow()
函数显示图像。 最后,show()
函数显示最终结果。将调整大小后的数组绘制在另一个子图中并显示它。 索引现在为 2:
plt.subplot(212) plt.title("Resized") plt.axis("off") plt.imshow(resized) plt.show()
以下屏幕截图显示了结果,以及原始图像(第一幅)和调整大小后的图像(第二幅):
以下是本书代码包中
resize_lena.py
文件中该秘籍的完整代码:import scipy.misc import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np # This script resizes the Lena image from Scipy. # Loads the Lena image into an array lena = scipy.misc.lena() #Lena's dimensions LENA_X = 512 LENA_Y = 512 #Check the shape of the Lena array np.testing.assert_equal((LENA_X, LENA_Y), lena.shape) # Set the resize factors yfactor = 2 xfactor = 3 # Resize the Lena array resized = lena.repeat(yfactor, axis=0).repeat(xfactor, axis=1) #Check the shape of the resized array np.testing.assert_equal((yfactor * LENA_Y, xfactor * LENA_Y), resized.shape) # Plot the Lena array plt.subplot(211) plt.title("Lena") plt.axis("off") plt.imshow(lena) #Plot the resized array plt.subplot(212) plt.title("Resized") plt.axis("off") plt.imshow(resized) plt.show()
工作原理
repeat()
函数重复数组,在这种情况下,这会导致原始图像的大小改变。 subplot()
matplotlib 函数创建一个子图。 imshow()
函数显示图像。 最后,show()
函数显示最终结果。
另见
- 第 1 章“使用 IPython”中的“安装 matplotlib”
- 本章中的“安装 SciPy”
- 本章中的“安装 PIL”
-
这个页面中介绍了
repeat()
函数。
创建视图和副本
了解何时处理共享数组视图以及何时具有数组数据的副本,这一点很重要。 例如,切片将创建一个视图。 这意味着,如果您将切片分配给变量,然后更改基础数组,则此变量的值将更改。 我们将根据著名的 Lena 图像创建一个数组,复制该数组,创建一个视图,最后修改视图。
准备
前提条件与先前的秘籍相同。
操作步骤
让我们创建 Lena 数组的副本和视图:
-
创建 Lena 数组的副本:
acopy = lena.copy()
-
创建数组的视图:
aview = lena.view()
-
使用
flat
迭代器将视图的所有值设置为0
:aview.flat = 0
最终结果是只有一个图像(与副本相关的图像)显示了花花公子模型。 其他图像完全消失:
以下是本教程的代码,显示了本书代码包中
copy_view.py
文件中数组视图和副本的行为:import scipy.misc import matplotlib.pyplot as plt lena = scipy.misc.lena() acopy = lena.copy() aview = lena.view() # Plot the Lena array plt.subplot(221) plt.imshow(lena) #Plot the copy plt.subplot(222) plt.imshow(acopy) #Plot the view plt.subplot(223) plt.imshow(aview) # Plot the view after changes aview.flat = 0 plt.subplot(224) plt.imshow(aview) plt.show()
工作原理
如您所见,通过在程序结尾处更改视图,我们更改了原始 Lena 数组。 这样就产生了三张蓝色(如果您正在查看黑白图像,则为空白)图像-复制的数组不受影响。 重要的是要记住,视图不是只读的。
另见
- NumPy
view()
函数的文档位于这里
翻转 Lena
我们将翻转 SciPy Lena 图像-当然,所有这些都是以科学的名义,或者至少是作为演示。 除了翻转图像,我们还将对其进行切片并对其应用遮罩。
操作步骤
步骤如下:
-
使用以下代码围绕垂直轴翻转 Lena 数组:
plt.imshow(lena[:,::-1])
-
从图像中切出一部分并将其绘制出来。 在这一步中,我们将看一下 Lena 数组的形状。 该形状是表示数组大小的元组。 以下代码有效地选择了花花公子图片的左上象限:
plt.imshow(lena[:lena.shape[0]/2,:lena.shape[1]/2])
-
通过在 Lena 数组中找到所有偶数的值,对图像应用遮罩(这对于演示目的来说是任意的)。 复制数组并将偶数值更改为 0。 这样会在图像上放置很多蓝点(如果您正在查看黑白图像,则会出现暗点):
mask = lena % 2 == 0 masked_lena = lena.copy() masked_lena[mask] = 0
所有这些工作都会产生
2 x 2
的图像网格,如以下屏幕截图所示:这是本书代码包中
flip_lena.py
文件中此秘籍的完整代码:import scipy.misc import matplotlib.pyplot as plt # Load the Lena array lena = scipy.misc.lena() # Plot the Lena array plt.subplot(221) plt.title('Original') plt.axis('off') plt.imshow(lena) #Plot the flipped array plt.subplot(222) plt.title('Flipped') plt.axis('off') plt.imshow(lena[:,::-1]) #Plot a slice array plt.subplot(223) plt.title('Sliced') plt.axis('off') plt.imshow(lena[:lena.shape[0]/2,:lena.shape[1]/2]) # Apply a mask mask = lena % 2 == 0 masked_lena = lena.copy() masked_lena[mask] = 0 plt.subplot(224) plt.title('Masked') plt.axis('off') plt.imshow(masked_lena) plt.show()
另见
- 第 1 章“使用 IPython”中的“安装 matplotlib”
- 本章中的“安装 SciPy”
- 本章中的“安装 PIL”
花式索引
在本教程中,我们将应用花式索引将 Lena 图像的对角线值设置为 0。这将沿着对角线绘制黑线并交叉,这不是因为图像有问题,而仅仅作为练习。 花式索引是不涉及整数或切片的索引; 这是正常的索引编制。
操作步骤
我们将从第一个对角线开始:
-
将第一个对角线的值设置为
0
。要将对角线值设置为
0
,我们需要为x
和y
值定义两个不同的范围:lena[range(xmax), range(ymax)] = 0
-
将另一个对角线的值设置为
0
。要设置另一个对角线的值,我们需要一组不同的范围,但是原理保持不变:
lena[range(xmax-1,-1,-1), range(ymax)] = 0
最后,我们得到带有对角线标记的图像,如以下屏幕截图所示:
以下是本书代码集中
fancy.py
文件中该秘籍的完整代码:import scipy.misc import matplotlib.pyplot as plt # This script demonstrates fancy indexing by setting values # on the diagonals to 0. # Load the Lena array lena = scipy.misc.lena() xmax = lena.shape[0] ymax = lena.shape[1] # Fancy indexing # Set values on diagonal to 0 # x 0-xmax # y 0-ymax lena[range(xmax), range(ymax)] = 0 # Set values on other diagonal to 0 # x xmax-0 # y 0-ymax lena[range(xmax-1,-1,-1), range(ymax)] = 0 # Plot Lena with diagonal lines set to 0 plt.imshow(lena) plt.show()
工作原理
我们为x
值和y
值定义了单独的范围。 这些范围用于索引 Lena 数组。 花式索引是基于内部 NumPy 迭代器对象执行的。 执行以下步骤:
- 创建迭代器对象。
- 迭代器对象绑定到数组。
- 数组元素通过迭代器访问。
另见
- 花式索引的实现文档
位置列表索引
让我们使用ix_()
函数来随机播放 Lena 图像。 此函数根据多个序列创建网格。
操作步骤
我们将从随机改组数组索引开始:
-
使用
numpy.random
模块的shuffle()
函数创建随机索引数组:def shuffle_indices(size): arr = np.arange(size) np.random.shuffle(arr) return arr
-
绘制乱序的索引:
plt.imshow(lena[np.ix_(xindices, yindices)])
我们得到的是一张完全打乱的 Lena 图像,如以下屏幕截图所示:
这是本书代码包中
ix.py
文件中秘籍的完整代码:import scipy.misc import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np # Load the Lena array lena = scipy.misc.lena() xmax = lena.shape[0] ymax = lena.shape[1] def shuffle_indices(size): ''' Shuffles an array with values 0 - size ''' arr = np.arange(size) np.random.shuffle(arr) return arr xindices = shuffle_indices(xmax) np.testing.assert_equal(len(xindices), xmax) yindices = shuffle_indices(ymax) np.testing.assert_equal(len(yindices), ymax) # Plot Lena plt.imshow(lena[np.ix_(xindices, yindices)]) plt.show()
另见
ix_()
函数的文档页面
布尔值索引
布尔索引是基于布尔数组的索引 ,属于奇特索引的类别。
操作步骤
我们将这种索引技术应用于图像:
-
在对角线上带有点的图像。
这在某种程度上类似于本章中的“花式索引”秘籍。 这次,我们在图像的对角线上选择模
4
:def get_indices(size): arr = np.arange(size) return arr % 4 == 0
然后,我们只需应用此选择并绘制点:
lena1 = lena.copy() xindices = get_indices(lena.shape[0]) yindices = get_indices(lena.shape[1]) lena1[xindices, yindices] = 0 plt.subplot(211) plt.imshow(lena1)
-
在最大值的四分之一到四分之三之间选择数组值,并将它们设置为
0
:lena2[(lena > lena.max()/4) & (lena < 3 * lena.max()/4)] = 0
带有两个新图像的图看起来类似于以下屏幕截图所示:
这是本书代码包中
boolean_indexing.py
文件中该秘籍的完整代码:import scipy.misc import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np # Load the Lena array lena = scipy.misc.lena() def get_indices(size): arr = np.arange(size) return arr % 4 == 0 # Plot Lena lena1 = lena.copy() xindices = get_indices(lena.shape[0]) yindices = get_indices(lena.shape[1]) lena1[xindices, yindices] = 0 plt.subplot(211) plt.imshow(lena1) lena2 = lena.copy() # Between quarter and 3 quarters of the max value lena2[(lena > lena.max()/4) & (lena < 3 * lena.max()/4)] = 0 plt.subplot(212) plt.imshow(lena2) plt.show()
工作原理
由于布尔值索引是一种花式索引,因此它的工作方式基本相同。 这意味着索引是在特殊的迭代器对象的帮助下发生的。
另见
- “花式索引”
数独的步幅技巧
ndarray
类具有strides
字段,它是一个元组,指示通过数组时要在每个维中步进的字节数。 让我们对将数独谜题拆分为3 x 3
正方形的问题应用一些大步技巧。
注意
对数独的规则进行解释超出了本书的范围。 简而言之,数独谜题由3 x 3
的正方形组成。 这些正方形均包含九个数字。 有关更多信息,请参见这里。
操作步骤
应用如下的跨步技巧:
-
让我们定义
sudoku
数组。 此数组充满了一个实际的已解决的数独难题的内容:sudoku = np.array([ [2, 8, 7, 1, 6, 5, 9, 4, 3], [9, 5, 4, 7, 3, 2, 1, 6, 8], [6, 1, 3, 8, 4, 9, 7, 5, 2], [8, 7, 9, 6, 5, 1, 2, 3, 4], [4, 2, 1, 3, 9, 8, 6, 7, 5], [3, 6, 5, 4, 2, 7, 8, 9, 1], [1, 9, 8, 5, 7, 3, 4, 2, 6], [5, 4, 2, 9, 1, 6, 3, 8, 7], [7, 3, 6, 2, 8, 4, 5, 1, 9] ])
-
ndarray
的itemsize
字段为我们提供了数组中的字节数。 给定itemsize
,请计算步幅:strides = sudoku.itemsize * np.array([27, 3, 9, 1])
-
现在我们可以使用
np.lib.stride_tricks
模块的as_strided()
函数将拼图分解成正方形:squares = np.lib.stride_tricks.as_strided(sudoku, shape=shape, strides=strides) print(squares)
该代码打印单独的数独正方形,如下所示:
[[[[2 8 7] [9 5 4] [6 1 3]] [[1 6 5] [7 3 2] [8 4 9]] [[9 4 3] [1 6 8] [7 5 2]]] [[[8 7 9] [4 2 1] [3 6 5]] [[6 5 1] [3 9 8] [4 2 7]] [[2 3 4] [6 7 5] [8 9 1]]] [[[1 9 8] [5 4 2] [7 3 6]] [[5 7 3] [9 1 6] [2 8 4]] [[4 2 6] [3 8 7] [5 1 9]]]]
以下是本书代码包中
strides.py
文件中此秘籍的完整源代码:import numpy as np sudoku = np.array([ [2, 8, 7, 1, 6, 5, 9, 4, 3], [9, 5, 4, 7, 3, 2, 1, 6, 8], [6, 1, 3, 8, 4, 9, 7, 5, 2], [8, 7, 9, 6, 5, 1, 2, 3, 4], [4, 2, 1, 3, 9, 8, 6, 7, 5], [3, 6, 5, 4, 2, 7, 8, 9, 1], [1, 9, 8, 5, 7, 3, 4, 2, 6], [5, 4, 2, 9, 1, 6, 3, 8, 7], [7, 3, 6, 2, 8, 4, 5, 1, 9] ]) shape = (3, 3, 3, 3) strides = sudoku.itemsize * np.array([27, 3, 9, 1]) squares = np.lib.stride_tricks.as_strided(sudoku, shape=shape, strides=strides) print(squares)
工作原理
我们应用了跨步技巧,将数独谜题拆分为3 x 3
的正方形。 步幅告诉我们通过数独数组时每一步需要跳过的字节数。
另见
-
strides
属性的文档在这里
广播数组
在不知道的情况下,您可能已经广播了数组。 简而言之,即使操作数的形状不同,NumPy 也会尝试执行操作。 在此秘籍中,我们将一个数组和一个标量相乘。 标量被扩展为数组操作数的形状,然后执行乘法。 我们将下载一个音频文件并制作一个更安静的新版本。
操作步骤
让我们从读取 WAV 文件开始:
-
我们将使用标准的 Python 代码下载 Austin Powers 的音频文件。 SciPy 具有 WAV 文件模块,可让您加载声音数据或生成 WAV 文件。 如果已安装 SciPy,则我们应该已经有此模块。
read()
函数返回data
数组和采样率。 在此示例中,我们仅关心数据:sample_rate, data = scipy.io.wavfile.read(WAV_FILE)
-
使用 matplotlib 绘制原始 WAV 数据。 将子图命名为
Original
:plt.subplot(2, 1, 1) plt.title("Original") plt.plot(data)
-
现在,我们将使用 NumPy 制作更安静的音频样本。 这只是通过与常量相乘来创建具有较小值的新数组的问题。 这就是广播魔术发生的地方。 最后,由于 WAV 格式,我们需要确保与原始数组具有相同的数据类型:
newdata = data * 0.2 newdata = newdata.astype(np.uint8)
-
可以将新数组写入新的 WAV 文件,如下所示:
scipy.io.wavfile.write("quiet.wav", sample_rate, newdata)
-
使用 matplotlib 绘制新数据数组:
plt.subplot(2, 1, 2) plt.title("Quiet") plt.plot(newdata) plt.show()
结果是原始 WAV 文件数据和具有较小值的新数组的图,如以下屏幕快照所示:
这是本书代码包中
broadcasting.py
文件中该秘籍的完整代码:文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-413116.htmlimport scipy.io.wavfile import matplotlib.pyplot as plt import urllib2 import numpy as np # Download audio file response = urllib2.urlopen('http://www.thesoundarchive.com/austinpowers/smashingbaby.wav') print(response.info()) WAV_FILE = 'smashingbaby.wav' filehandle = open(WAV_FILE, 'w') filehandle.write(response.read()) filehandle.close() sample_rate, data = scipy.io.wavfile.read(WAV_FILE) print("Data type", data.dtype, "Shape", data.shape) # Plot values original audio plt.subplot(2, 1, 1) plt.title("Original") plt.plot(data) # Create quieter audio newdata = data * 0.2 newdata = newdata.astype(np.uint8) print("Data type", newdata.dtype, "Shape", newdata.shape) # Save quieter audio file scipy.io.wavfile.write("quiet.wav", sample_rate, newdata) # Plot values quieter file plt.subplot(2, 1, 2) plt.title("Quiet") plt.plot(newdata) plt.show()
另见
以下链接提供了更多背景信息:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-413116.html
scipy.io.read()
函数scipy.io.write()
函数- 在这个链接中解释了广播概念。
到了这里,关于NumPy 秘籍中文第二版:二、高级索引和数组概念的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!