Python Protobuf图像数据处理与旋转教程

心靈之曲

发布时间：2025-09-26 19:16:16

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python protobuf图像数据处理与旋转教程

本教程旨在帮助开发者理解如何在Python中使用protobuf处理图像数据，特别是如何将protobuf中以bytes形式存储的图像数据转换为可操作的矩阵，并进行旋转操作。文章将详细介绍如何解析protobuf定义的图像结构，将bytes数据转换为图像矩阵，实现图像旋转，并将旋转后的数据重新封装为protobuf格式，同时提供示例代码和注意事项，助你轻松掌握protobuf图像处理的关键技术。

Protobuf图像数据结构解析

在protobuf中，图像数据通常以bytes类型存储，同时包含图像的宽度、高度以及是否为彩色图像等信息。理解这些信息对于正确处理图像数据至关重要。以下是protobuf定义的Image消息的结构：

message Image {
    bool color = 1;
    bytes data = 2;
    int32 width = 3;
    int32 height = 4;
}

其中：

color: 布尔类型，表示图像是否为彩色图像。true表示彩色图像，false表示灰度图像。
data: 字节类型，存储图像的原始数据。
width: 整数类型，表示图像的宽度。
height: 整数类型，表示图像的高度。

将Bytes数据转换为图像矩阵

关键在于如何将bytes类型的数据转换为可操作的图像矩阵。根据图像是否为彩色图像，转换方式有所不同。

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灰度图像

对于灰度图像，每个像素由一个字节表示。因此，可以将bytes数据直接转换为一个二维数组，其中每个元素代表一个像素的灰度值。

def bytes_to_grayscale_matrix(image):
    width = image.width
    height = image.height
    data = image.data
    matrix = []
    for i in range(height):
        row = []
        for j in range(width):
            row.append(data[i * width + j])
        matrix.append(row)
    return matrix

彩色图像

对于彩色图像，每个像素由三个字节表示，分别代表红色、绿色和蓝色分量（RGB）。因此，需要将bytes数据按照每三个字节一组进行分割，并将每组数据转换为一个包含三个元素的元组。

def bytes_to_rgb_matrix(image):
    width = image.width
    height = image.height
    data = image.data
    matrix = []
    for i in range(height):
        row = []
        for j in range(width):
            index = (i * width + j) * 3
            row.append((data[index], data[index + 1], data[index + 2]))
        matrix.append(row)
    return matrix

图像旋转实现

图像旋转的核心在于对图像矩阵进行旋转操作。以下代码展示了如何将图像矩阵逆时针旋转90度：

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def rotate_matrix_90(matrix):
    return [list(row) for row in zip(*matrix[::-1])]

可以根据需要实现其他角度的旋转，例如180度和270度。

将旋转后的矩阵转换回Bytes数据

旋转图像后，需要将旋转后的矩阵转换回bytes类型的数据，以便将其封装到protobuf消息中。

灰度图像

对于灰度图像，只需将矩阵中的所有元素依次添加到bytes对象中即可。

def grayscale_matrix_to_bytes(matrix):
    data = bytearray()
    for row in matrix:
        for pixel in row:
            data.append(pixel)
    return bytes(data)

彩色图像

对于彩色图像，需要将每个像素的RGB分量依次添加到bytes对象中。

def rgb_matrix_to_bytes(matrix):
    data = bytearray()
    for row in matrix:
        for pixel in row:
            data.append(pixel[0])
            data.append(pixel[1])
            data.append(pixel[2])
    return bytes(data)

完整示例代码

以下是一个完整的示例代码，展示了如何使用protobuf处理图像数据并进行旋转操作：

import grpc
import image_pb2
import image_pb2_grpc

from concurrent import futures

# gRPC service implementation
class ImageService(image_pb2_grpc.ImageServiceServicer):

    def RotateImage(self, request, context):

        # Ensure that the number of bytes matches expection: width*height*bytes(color)
        # Where bytes(color) = 1 (false) and 3 (true)
        got = request.image.width * request.image.height * (3 if request.image.color else 1)
        want = len(request.image.data)

        if got != want:
            context.set_code(grpc.StatusCode.INVALID_ARGUMENT)
            context.set_details("Image data size does not correspond to width, height and color")
            return request.image

        # If there's no rotation to perform, shortcut to returning the provided image
        if request.rotation == image_pb2.ImageRotateRequest.NONE:
            return request.image

        # Convert the image to a matrix
        matrix = []
        current = 0
        for y in range(request.image.height):
            row = []
            for x in range(request.image.width):
                if request.image.color:
                    # True (RGB) requires 3 bytes (use tuple)
                    pixel = (
                        request.image.data[current],
                        request.image.data[current+1],
                        request.image.data[current+2],
                    )
                    current += 3
                else:
                    # False (Grayscale) requires 1 byte
                    pixel = request.image.data[current]
                    current += 1

                row.append(pixel)
            # Append row
            matrix.append(row)


        if request.rotation == image_pb2.ImageRotateRequest.NINETY_DEG:
            matrix = list(zip(*matrix[::-1]))

        if request.rotation == image_pb2.ImageRotateRequest.ONE_EIGHTY_DEG:
            matrix = list(zip(*matrix[::-1]))
            matrix = list(zip(*matrix[::-1]))

        if request.rotation == image_pb2.ImageRotateRequest.TWO_SEVENTY_DEG:
            # Rotate counterclockwise
            matrix = list(zip(*matrix))[::-1]

        # Flatten the matrix
        pixels = []
        for y in range(request.image.height):
            for x in range(request.image.width):
                    if request.image.color:
                        pixels.extend(matrix[y][x])
                    else:
                        pixels.append(matrix[y][x])


        # Revert the flattened matrix to bytes
        data = bytes(pixels)

        # Return the rotated image in the response
        return image_pb2.Image(
            color=request.image.color,
            data=data,
            width=request.image.width,
            height=request.image.height,
        )


# gRPC server setup
def serve():
    server = grpc.server(futures.ThreadPoolExecutor(max_workers=10))
    image_pb2_grpc.add_ImageServiceServicer_to_server(ImageService(), server)
    server.add_insecure_port('[::]:50051')
    server.start()
    server.wait_for_termination()

if __name__ == '__main__':
    serve()