TECHNOLOGY IN ACTION™ Raspberry Pi Image Processing Programming Develop Real-Life Examples with Python, Pillow, and SciPy — Ashwin Pajankar Raspberry Pi Image Processing Programming Develop Real-Life Examples with Python, Pillow, and SciPy Ashwin Pajankar Raspberry Pi Image Processing Programming: Develop Real-Life Examples with Python, Pillow, and SciPy Ashwin Pajankar Nashik, Maharashtra, India ISBN-13 (pbk): 978-1-4842-2730-5 ISBN-13 (electronic): 978-1-4842-2731-2 DOI 10.1007/978-1-4842-2731-2 Library of Congress Control Number: 2017936370 Copyright © 2017 by Ashwin Pajankar This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. Trademarked names, logos, and images may appear in this book. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, logo, or image we use the names, logos, and images only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark. The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein. Managing Director: Welmoed Spahr Lead Editor: Celestin Suresh John Technical Reviewer: Lentin Joseph Editorial Board: Steve Anglin, Pramila Balan, Laura Berendson, Aaron Black, Louise Corrigan, Jonathan Gennick, Robert Hutchinson, Celestin Suresh John, Nikhil Karkal, James Markham, Susan McDermott, Matthew Moodie, Natalie Pao, Gwenan Spearing Coordinating Editor: Sanchita Mandal Copy Editor: Kezia Endsley Compositor: SPi Global Indexer: SPi Global Artist: SPi Global Distributed to the book trade worldwide by Springer Science+Business Media New York, 233 Spring Street, 6th Floor, New York, NY 10013. Phone 1-800-SPRINGER, fax (201) 348-4505, e-mail [email protected], or visit www.springeronline.com. Apress Media, LLC is a California LLC and the sole member (owner) is Springer Science + Business Media Finance Inc (SSBM Finance Inc). SSBM Finance Inc is a Delaware corporation. For information on translations, please e-mail [email protected], or visit www.apress.com. Apress and friends of ED books may be purchased in bulk for academic, corporate, or promotional use. eBook versions and licenses are also available for most titles. For more information, reference our Special Bulk Sales–eBook Licensing web page at www.apress.com/bulk-sales. Any source code or other supplementary materials referenced by the author in this text are available to readers at www.apress.com. For detailed information about how to locate your book’s source code, go to www.apress.com/source-code/. Readers can also access source code at SpringerLink in the Supplementary Material section for each chapter. Printed on acid-free paper Contents at a Glance About the Author ������������������������������������������������������������������������������xi About the Technical Reviewer ��������������������������������������������������������xiii Acknowledgments ���������������������������������������������������������������������������xv Introduction �����������������������������������������������������������������������������������xvii ■ Chapter 1: Introduction to Single Board Computers and Raspberry Pi �����������������������������������������������������������������������������������1 ■ Chapter 2: Introduction to Python and Digital Image Processing ������������������������������������������������������������������������������������25 ■ Chapter 3: Getting Started ������������������������������������������������������������41 ■ Chapter 4: Basic Operations on Images ���������������������������������������51 ■ Chapter 5: Advanced Operations on Images ��������������������������������65 ■ Chapter 6: Introduction to Scientific Python ��������������������������������81 ■ Chapter 7: Transformations and Measurements ��������������������������93 ■ Chapter 8: Filters and Their Application ���������������������������������������99 ■ Chapter 9: Morphology, Thresholding, and Segmentation ����������111 Index ����������������������������������������������������������������������������������������������123 iii Contents About the Author ������������������������������������������������������������������������������xi About the Technical Reviewer ��������������������������������������������������������xiii Acknowledgments ���������������������������������������������������������������������������xv Introduction �����������������������������������������������������������������������������������xvii ■ Chapter 1: Introduction to Single Board Computers and Raspberry Pi �����������������������������������������������������������������������������������1 Single Board Computers (SBCs) ��������������������������������������������������������������1 Differences Between SBCs and Regular Computers ������������������������������������������������2 System on Chips (SoCs) ��������������������������������������������������������������������������������������������2 History of SBCs ���������������������������������������������������������������������������������������������������������3 SBC Families �������������������������������������������������������������������������������������������������������������3 The Raspberry Pi �������������������������������������������������������������������������������������4 Raspberry Pi Setup ����������������������������������������������������������������������������������5 Required Hardware ���������������������������������������������������������������������������������������������������6 Preparation of the microSD Card for Raspberry Pi ���������������������������������������������������9 Download the Required Free Software �������������������������������������������������������������������10 Writing the Raspbian OS Image to the microSD Card ���������������������������������������������10 Altering the Contents of the config�txt File for a VGA Monitor ��������������������������������12 Booting Up the Pi ����������������������������������������������������������������������������������������������������13 Configuring the Pi ���������������������������������������������������������������������������������������������������15 The Raspbian OS �����������������������������������������������������������������������������������18 The config�txt File ����������������������������������������������������������������������������������18 v ■ Contents Connecting the Raspberry Pi to a Network and to the Internet �������������19 WiFi �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������19 Ethernet ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������21 Updating the Pi ��������������������������������������������������������������������������������������22 Updating the Firmware �������������������������������������������������������������������������������������������22 Updating and Upgrading Raspbian �������������������������������������������������������������������������22 Updating raspi-config ���������������������������������������������������������������������������������������������23 Shutting Down and Restarting Pi ����������������������������������������������������������24 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������24 ■ Chapter 2: Introduction to Python and Digital Image Processing ������������������������������������������������������������������������������������25 A History of Python ��������������������������������������������������������������������������������25 Features of Python ��������������������������������������������������������������������������������26 Simple���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������26 Easy to Learn ����������������������������������������������������������������������������������������������������������27 Easy to Read �����������������������������������������������������������������������������������������������������������27 Easy to Maintain �����������������������������������������������������������������������������������������������������27 Open Source �����������������������������������������������������������������������������������������������������������27 High-Level Language ����������������������������������������������������������������������������������������������27 Portable ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������27 Interpreted ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������28 Object-Oriented ������������������������������������������������������������������������������������������������������28 Extensible ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������28 Extensive Libraries �������������������������������������������������������������������������������������������������28 Robust ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������28 Rapid Prototyping ���������������������������������������������������������������������������������������������������29 Memory Management ��������������������������������������������������������������������������������������������29 Powerful �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������29 Community Support ������������������������������������������������������������������������������������������������29 vi ■ Contents Python 3 ������������������������������������������������������������������������������������������������29 The Differences Between Python 2 and Python 3���������������������������������������������������30 Why Use Python 3 ���������������������������������������������������������������������������������������������������31 Python 2 and Python 3 on Raspbian ������������������������������������������������������31 Running a Python Program and Python Modes �������������������������������������31 Interactive Mode �����������������������������������������������������������������������������������������������������32 Normal Mode ����������������������������������������������������������������������������������������������������������32 IDEs for Python ��������������������������������������������������������������������������������������33 IDLE ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������33 Geany ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������34 Introduction to Digital Image Processing ����������������������������������������������36 Signal Processing ���������������������������������������������������������������������������������������������������36 Image Processing ���������������������������������������������������������������������������������������������������37 Using Raspberry Pi and Python for Digital Image Processing (DIP) ������������������������38 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������39 ■ Chapter 3: Getting Started ������������������������������������������������������������41 Image Sources ��������������������������������������������������������������������������������������41 Using the Webcam ��������������������������������������������������������������������������������������������������42 The Pi Camera Module ��������������������������������������������������������������������������������������������44 Using Python 3 for Digital Image Processing ����������������������������������������46 Working with Images ����������������������������������������������������������������������������������������������47 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������50 ■ Chapter 4: Basic Operations on Images ���������������������������������������51 Image Module ����������������������������������������������������������������������������������������51 Splitting and Merging Image Channels �������������������������������������������������������������������51 Image Mode Conversion �����������������������������������������������������������������������������������������53 Image Blending �������������������������������������������������������������������������������������������������������53 Resizing an Image ��������������������������������������������������������������������������������������������������55 vii ■ Contents Rotating an Image ��������������������������������������������������������������������������������������������������56 Crop and Paste Operations �������������������������������������������������������������������������������������57 Copying and Saving Images to a File ����������������������������������������������������������������������58 Knowing the Value of a Particular Pixel ������������������������������������������������������������������58 ImageChops Module ������������������������������������������������������������������������������59 ImageOps Module ���������������������������������������������������������������������������������61 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������63 ■ Chapter 5: Advanced Operations on Images ��������������������������������65 The ImageFilter Module�������������������������������������������������������������������������65 The ImageEnhance Module �������������������������������������������������������������������74 Color Quantization ���������������������������������������������������������������������������������76 Histograms and Equalization �����������������������������������������������������������������77 Histogram Equalization �������������������������������������������������������������������������������������������78 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������79 ■ Chapter 6: Introduction to Scientific Python ��������������������������������81 The Scientific Python Stack�������������������������������������������������������������������81 Installing the SciPy Stack ���������������������������������������������������������������������������������������82 A Simple Program ���������������������������������������������������������������������������������������������������82 Simple Image Processing ���������������������������������������������������������������������������������������83 Introduction to NumPy ��������������������������������������������������������������������������������������������84 Matplotlib ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������86 Image Channels �������������������������������������������������������������������������������������89 Conversion Between PIL Image Objects and NumPy ndarrays �����������������������������������������������������������������������������91 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������92 viii ■ Contents ■ Chapter 7: Transformations and Measurements ��������������������������93 Transformations ������������������������������������������������������������������������������������93 Measurements ��������������������������������������������������������������������������������������95 Conclusion ���������������������������������������������������������������������������������������������98 ■ Chapter 8: Filters and Their Application ���������������������������������������99 Filters ����������������������������������������������������������������������������������������������������99 Low-Pass Filters ���������������������������������������������������������������������������������������������������100 High-Pass Filters ��������������������������������������������������������������������������������������������������105 Fourier Filters �������������������������������������������������������������������������������������������������������108 Conclusion �������������������������������������������������������������������������������������������110 ■ Chapter 9: Morphology, Thresholding, and Segmentation ����������111 Distance Transforms ����������������������������������������������������������������������������111 Morphology and Morphological Operations �����������������������������������������113 Structuring Element ����������������������������������������������������������������������������������������������113 Various Morphological Operations ������������������������������������������������������������������������113 Grayscale Morphological Operations ��������������������������������������������������������������������115 Thresholding and Segmentation ���������������������������������������������������������117 Conclusion �������������������������������������������������������������������������������������������121 Book Summary ������������������������������������������������������������������������������������121 What’s Next �����������������������������������������������������������������������������������������121 Index ����������������������������������������������������������������������������������������������123 ix About the Author Ashwin Pajankar is a polymath. He is a Science popularizer, a programmer, a maker, an author, and a YouTuber. He graduated from IIIT Hyderabad with MTech in Computer Science and Engineering. He has a keen interest in the promotion of science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education. He has written three books with Packt Publication, six books with Leanpub, and one book with Apress Media, and he has also reviewed four books for Packt Publications. He’s currently working on several more books with Apress Media as well. His personal web site is found at www.AshwinPajankar.com. His LinkedIn profile is found at https://in.linkedin.com/in/ashwinpajankar. xi