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投稿日:2025年1月30日

Pythonプログラミングの基礎と画像処理・画像認識への応用

Pythonプログラミングの基礎を理解しよう

Pythonは、プログラミング初心者から専門的なプロジェクトを手掛けるプロまで幅広く使用されているプログラミング言語です。
その人気の理由は、シンプルで読みやすい構文、豊富なライブラリ、およびコミュニティのサポートの充実度にあります。

まず、Pythonの基礎的な概念から始めましょう。

データ型と変数

Pythonでは様々なデータ型を扱うことができます。
代表的なデータ型には、整数(int)、浮動小数点数(float)、文字列(str)、リスト(list)、タプル(tuple)、辞書(dict)などがあります。
変数に値を割り当てることで、データを効率よく操作することができます。
たとえば、”a = 10″と書くことで、整数10を変数aに割り当てられます。

制御構文

プログラムの流れを制御するために、Pythonではif文、for文、while文などの制御構文があります。
これらは条件に応じて処理を分岐または繰り返すために使用されます。
例えば、if文は特定の条件が真の場合に処理を実行するために使います。

関数

関数は、特定のタスクを実行するための独立したコードブロックです。
Pythonではdefキーワードを使って、関数を定義することができます。
関数は一度定義してしまえば、何度でも呼び出して使用することができます。
これにより、コードの再利用性と可読性が向上します。

Pythonプログラミングの画像処理への応用

Pythonは画像処理においても非常に強力なツールです。
OpenCVやPillowなどのライブラリを利用することで、画像の読み込み、表示、加工などを簡単に実装することができます。

OpenCVによる画像処理

OpenCV(オープンソース・コンピュータビジョン)は、画像処理とコンピュータビジョンに特化したライブラリです。
OpenCVを使うことで、簡単に画像を読み込んだり、加工したりすることができます。
たとえば、画像をグレースケールに変換したり、エッジ検出を行ったりすることが可能です。

“`python
import cv2

# 画像を読み込む
img = cv2.imread(‘image.jpg’)

# グレースケールに変換
gray_img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

# 画像を表示
cv2.imshow(‘Gray Image’, gray_img)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
“`

このコードは指定された画像を読み込んでグレースケールに変換し、ウィンドウに表示します。

Pillowを使った画像の基本操作

Pillowは、Python Imaging Library(PIL)の後継で、幅広い画像形式を扱えるライブラリです。
主に画像の編集やフォーマット変換に使われます。

“`python
from PIL import Image

# 画像を開く
img = Image.open(‘image.jpg’)

# 画像のサイズを取得
width, height = img.size

# 画像を表示
img.show()

# 画像のリサイズ
img_resized = img.resize((width // 2, height // 2))

# リサイズ後の画像を表示
img_resized.show()
“`

このコードでは画像を開いた後、そのサイズを取得し、リサイズして表示します。

Pythonを用いた画像認識の基礎

画像認識においては、ディープラーニングをPythonで実装することが主流となっています。
ここでは、その基礎となる概念とライブラリを紹介します。

機械学習とディープラーニング

機械学習は、大量のデータを使ってモデルを訓練し、パターンを認識するための技術です。
ディープラーニングは機械学習の一分野で、ニューラルネットワークを用いてより複雑なデータからの抽出が可能です。
Pythonは、TensorFlowやPyTorchなどのライブラリを提供しており、これらを使用してディープラーニングのモデルを構築、訓練することができます。

TensorFlowとKerasによる画像認識

TensorFlowはGoogleが開発したオープンソースの機械学習フレームワークです。
KerasはそのAPIの一つで、モデルの作成を簡単にするための高水準インターフェースです。

以下は、TensorFlowとKerasを使って、簡単な画像データセットを分類するためのニューラルネットワークを構築する方法です。

“`python
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras.layers import Dense, Flatten
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.datasets import mnist

# データセットをロード
(x_train, y_train), (x_test, y_test) = mnist.load_data()

# データの前処理
x_train, x_test = x_train / 255.0, x_test / 255.0

# モデルを構築
model = Sequential([
Flatten(input_shape=(28, 28)),
Dense(128, activation=’relu’),
Dense(10, activation=’softmax’)
])

# モデルのコンパイル
model.compile(optimizer=’adam’,
loss=’sparse_categorical_crossentropy’,
metrics=[‘accuracy’])

# モデルの学習
model.fit(x_train, y_train, epochs=5)

# モデルの評価
model.evaluate(x_test, y_test, verbose=2)
“`

このコードでは、MNISTデータセットを使って手書き数字の認識を行います。
データは28×28ピクセルのグレースケール画像で構成されており、これをモデルに学習させることで認識性能を試すことが可能です。

Python応用のための学び続けるリソース

Pythonを用いた画像処理や画像認識の技術は日々進化しています。
最新の技術を学び続け、応用するためには、オンラインのリソースや書籍を活用することが重要です。

オンラインリソース

– Python公式ドキュメント: Pythonの標準ライブラリや言語仕様について詳しく知ることができます。
– OpenCV公式ドキュメント: OpenCVを用いた画像処理に関する情報が豊富に揃っています。
– TensorFlowとKerasの公式ドキュメント: 機械学習とディープラーニングに関する詳細な情報を提供しています。

コミュニティとフォーラム

Pythonには大きなユーザーコミュニティがあり、質問や疑問を解決するためのフォーラムが多数存在します。
Stack OverflowやGitHubを利用して、最新の情報を得たり、問題解決の助けを得ることができます。

関連書籍

– “Pythonプログラミング” (オライリー・ジャパン): Pythonの基礎から応用までをカバーする包括的なガイドです。
– “Deep Learning with Python” (François Chollet著): ディープラーニングの基礎とKerasを応用した実践的な内容を学べます。

これらのリソースを活用し、Pythonによる画像処理と画像認識の能力を高めていきましょう。
継続的に学びを深めることで、新たな開発技術を取り入れ、製造業を含む多くの分野で応用することが可能です。

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