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Python图像库与Jupyter Notebook的使用指南
1. 其他流行的Python图像处理库
Python 3有许多第三方库可用于图像处理，其中不少使用NumPy进行图像数据处理。以下是一些常见的图像处理库：
| 库名 | 网址 | 特点 |
| — | — | — |
| skimage | https://scikit - image.org/ | 基于NumPy的图像处理库 |
| SimplelTK | http://www.simpleitk.org/ | 基于NumPy的图像处理库 |
| scipy.ndimage | https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/ndimage.html | 基于NumPy的图像处理库 |
| pillow | https://pillow.readthedocs.io/en/stable/ | 非NumPy的图像操作库，可在NumPy和PIL图像格式间转换 |
我们可以结合使用这些库的代码，创建具有所需功能的计算机视觉应用程序。
2. 探索用于Python 3编程的Jupyter Notebook
Jupyter Notebook是一个基于Web的交互式界面，类似于Python 3的交互式模式，支持40种编程语言，包括Python 3、R、Scala和Julia。它提供了一个包含可视化、富文本、代码等组件的交互式编程环境。
2.1 在Raspberry Pi上安装Jupyter
在Raspberry Pi上安装Jupyter，可按以下步骤操作：
1. 在命令提示符中依次运行以下命令：
sudo pip3 uninstall ipykernel
此命令用于卸载早期版本的ipykernel实用程序。
2. 运行以下命令安装所需的所有库：
sudo pip3 install ipykernel==4.8.0
sudo pip3 install jupyter
sudo pip3 install prompt - toolkit==2.0.5
这些命令将在Raspberry Pi上安装Jupyter和所需组件。
2.2 启动Jupyter Notebook
登录到Raspberry Pi的图形环境（直接登录或使用远程桌面），在lxterminal中运行以下命令：
jupyter notebook
这将启动Jupyter Notebook服务器进程，并在Web浏览器中打开Jupyter Notebook界面。
2.3 Jupyter Notebook界面介绍
- 浏览器窗口右上角 ：有注销和退出选项。下方有上传按钮、新建下拉菜单和刷新符号。
-
右侧标签页
：
- 第一个标签显示从命令提示符启动Jupyter的目录结构。
- 第二个标签显示当前正在运行的进程。
2.4 新建Python 3笔记本
在右侧的“New”下拉菜单中，选择“Python 3”，将在同一浏览器窗口的新标签中打开一个Python 3笔记本。初始名称为“Untitled”，可点击名称重命名。
2.5 在Jupyter Notebook中编写和运行代码
在笔记本的文本区域（In [ ]: 后面）编写代码，确保从菜单的下拉列表中选择“Code”。例如，添加以下代码：
print('Hello World')
点击菜单栏中的“Run”按钮运行代码，输出将显示在下方，同时会出现一个新的文本区域，光标会自动定位到那里。
2.6 菜单图标功能
从左到右，菜单图标功能如下：
- 软盘图标：保存。
- + 符号：在当前高亮显示的单元格后添加一个文本区域单元格。
- 剪切、复制和粘贴选项。
- 上下箭头：用于上下移动当前文本区域单元格。
- 运行、中断内核、重启内核、重启并运行整个笔记本按钮。
- 下拉框：决定单元格的类型，有以下四种选项：
- Code：运行代码。
- Markdown：用于富文本的标记语言。例如，选择一个空的文本区域单元格，将其类型更改为Markdown，输入
# Test
并执行，将创建一个一级标题。
2.7 在Jupyter Notebook中运行OS命令和显示可视化内容
-
运行OS命令
：在单元格中，在命令前加上
!符号并以“Code”类型运行。例如，运行!ls -la命令。 -
显示可视化内容
：使用
%matplotlib inline将matplotlib的后端设置为Jupyter Notebook的内联后端，从而在笔记本中显示可视化和图像。
2.8 清除输出
点击“Cell”菜单，有“Current Outputs”和“All Output”的“Clear”选项，分别用于清除当前单元格和整个笔记本的输出。
3. 附录：Raspberry Pi、Python 3和OpenCV的技巧和窍门
3.1 OpenCV的性能测量和管理
OpenCV有许多优化和未优化的代码，优化代码利用了现代微处理器的特性，如指令流水线和AVX。
-
检查优化是否启用
：使用
cv2.useOptimized()
函数。
-
切换优化状态
：使用
cv2.setUseOptimized()
函数。
-
测量代码执行时间
：使用
cv2.getTickCount()
函数获取从计算机启动以来的时钟周期数，在代码片段执行前后调用该函数，计算差值，再除以
cv2.getTickFrequency()
函数返回的时钟周期频率，得到代码执行所需的时间。示例代码如下：
import cv2
cv2.setUseOptimized(True)
print(cv2.useOptimized())
img = cv2.imread('/home/pi/book/dataset/4.1.01.tiff', 0)
e1 = cv2.getTickCount()
img1 = cv2.medianBlur(img, 23)
e2 = cv2.getTickCount()
t = (e2 - e1)/cv2.getTickFrequency()
print(t)
输出结果示例：
True
0.004361807
3.2 复用Raspbian OS microSD卡
将Raspbian OS写入microSD卡后，若要复用该卡，可按以下方法操作：
3.2.1 使用SD卡格式化工具格式化SD卡
- 从https://www.sdcard.org/downloads/formatter/ 下载免费的SD卡格式化工具。
- 安装并打开该工具，选择任意驱动器（会格式化整个卡），点击“Format”按钮。
- 在确认框中点击“Yes”，格式化完成后，卡将只有一个驱动器字母，可像新卡一样使用。
3.2.2 使用Windows的磁盘管理工具格式化microSD卡
- 在搜索栏中输入“Disk”，找到“Create and format Disk Partitions”选项，也可从Windows控制面板中找到该工具。
- 将Raspbian OS microSD卡插入SD卡读卡器并连接到Windows计算机，打开磁盘管理工具。
- 右键单击分配的分区，选择“Delete Volume…”选项，对两个分配的分区都执行此操作。
- 右键单击对应microSD卡的磁盘，点击“New Simple Volume”，按照向导的默认选项完成操作，即可得到一个可复用的新磁盘。
3.3 raspi - config命令行实用程序介绍
可通过以下三种方法配置Raspberry Pi：
- 使用Raspbian OS菜单中的Raspberry Pi配置工具。
- 修改/boot/config.txt的内容。
- 使用raspi - config命令行实用程序。
在Raspberry Pi命令提示符中运行以下命令打开配置工具：
sudo raspi - config
该工具的主菜单选项包括：
- 更改pi用户的密码。
- 网络选项：更改Raspberry Pi板的网络连接方式。
- 启动选项：详细的启动设置。
- 本地化选项：设置区域、时区、键盘布局和Wi - Fi国家。
- 接口选项：如启用P1 Camera、P2 SSH和P3 VNC等。
- 超频选项：适用于Raspberry Pi 1和Raspberry Pi 2，其他型号需手动超频。
- 高级选项：如扩展文件系统、分配图形内存等。
- 更新raspi - config工具。
3.4 在Windows、Debian和Ubuntu上安装和环境设置
-
Ubuntu和Debian及其衍生版本
：现代Linux发行版都自带Python 3，使用
apt和pip3工具进行安装。 -
Windows PC
：
- 访问www.python.org，下载最新Python 3版本的安装文件。
- 运行下载的安装程序，打开安装向导，确保勾选“Add Python 3.8 to PATH”复选框。
- 点击“Customize installation”，可选择可选功能进行安装。
3.4 在Windows、Debian和Ubuntu上安装和环境设置（续）
以下是在不同系统上安装和设置环境的详细步骤流程图：
graph LR
classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px
A([开始]):::startend --> B{操作系统类型}:::decision
B -->|Ubuntu/Debian| C(使用apt和pip3工具安装):::process
B -->|Windows| D(访问www.python.org下载安装文件):::process
D --> E(运行安装程序，勾选Add Python 3.8 to PATH):::process
E --> F(点击Customize installation选择可选功能):::process
C --> G([完成]):::startend
F --> G
3.4.1 Ubuntu和Debian及其衍生版本
在Ubuntu和Debian及其衍生版本中，由于现代Linux发行版都自带Python 3，所以可以直接使用
apt
和
pip3
工具进行安装。例如，如果要安装某个Python库，只需要在终端中运行以下命令：
sudo apt update
sudo apt install python3-pip
pip3 install <package_name>
其中
<package_name>
是你要安装的Python库的名称。
3.4.2 Windows PC
在Windows PC上安装Python 3的步骤如下：
1.
下载安装文件
：访问www.python.org，下载最新Python 3版本的安装文件。
2.
运行安装程序
：运行下载的安装程序，在安装向导中，确保勾选“Add Python 3.8 to PATH”复选框，这样可以将Python添加到系统的环境变量中，方便在命令行中直接使用。
3.
自定义安装
：点击“Customize installation”，可以选择一些可选功能进行安装，如安装pip、IDLE等。
总结
本文涵盖了Python图像处理库、Jupyter Notebook的使用以及Raspberry Pi相关的一些技巧和窍门，具体内容总结如下：
| 主题 | 内容概述 |
| — | — |
| 其他流行的Python图像处理库 | 介绍了skimage、SimplelTK、scipy.ndimage等基于NumPy的图像处理库，以及非NumPy的pillow库，并说明可结合使用这些库创建计算机视觉应用。 |
| Jupyter Notebook | 详细介绍了在Raspberry Pi上安装、启动Jupyter Notebook的步骤，以及其界面、功能和使用方法，包括编写和运行代码、运行OS命令、显示可视化内容和清除输出等。 |
| OpenCV的性能测量和管理 | 说明了如何检查OpenCV优化是否启用、切换优化状态以及测量代码执行时间，并给出了示例代码。 |
| 复用Raspbian OS microSD卡 | 提供了使用SD卡格式化工具和Windows磁盘管理工具格式化microSD卡的具体步骤。 |
| raspi - config命令行实用程序 | 介绍了通过raspi - config命令行实用程序配置Raspberry Pi的方法及其主菜单选项。 |
| 在不同系统上安装和环境设置 | 分别说明了在Ubuntu/Debian及其衍生版本和Windows PC上安装Python 3的步骤。 |
通过掌握这些知识和技能，你可以更好地进行Python编程、图像处理以及Raspberry Pi的配置和使用。希望这些内容对你有所帮助，你可以根据自己的需求进一步探索和实践。
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