【第 14 章 基于主成分分析的图像压缩和重建--matlab深度学习实战案例】

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主函数:

clc; clear all; close all;
I=imread('liftingbody.png');
k=1;
figure('Units', 'Normalized', 'Position', [0 0 1 1]);
for p=1:5:20
    [Ipca,ratio,contribution]=pcaimage(I,p,[24 24]);
    subplot(2,2,k);    
    imshow(Ipca)
    title(['主成分个数=',num2str(p),...
        ',压缩比=',num2str(ratio),...
        ',贡献率=',num2str(contribution)],'fontsize',14);
    k=k+1;
end

函数目录
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案例运行效果如图
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主成分分析相关处理过程说明

1 PCA PCA (Principle Component Analysis)是统计学中的主成分分析方法。主成分分析方法从矩阵角度讲也称K-L变换。

使用PCA方法对图像进行压缩和重建的大致过程:
2 PCA图像压缩 图像压缩:首先将图像训练库里的每个二维图像拉伸成向量。然后对其进行主成分分析得到主成分的变换矩阵以及图像均值向量。图像压缩过程就是把待压缩的图像减去训练得到的图像均值向量并通过变换矩阵变换成维数很小的一个向量的过程。
3 PCA图像重建 图像重建:就是将压缩的图像通过变换矩阵的逆变换后再加上图像均值向量得到的压缩前向量的近似向量。因为是主成分分析,所以图像会有较少的信息损失,并且不能完全复原,但是这种信息损失一般是非常小的。

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其中,子函数
pcaimage.m

function [Ipca,ratio,contribution]=pcaimage(I,pset,block)
if nargin<1
    I=imread('football.jpg');
end
if nargin<2
    pset=3;
end
if nargin<3
    block=[16 16];
end
if ndims(I)==3
    I=rgb2gray(I);
end
X=im2col(double(I),block,'distinct')';
[n,p]=size(X);
m=min(pset,p);
[coeff,score,contribution]=pcasample(X,m);
X=score*coeff';
Ipca=cast(col2im(X',block,size(I),'distinct'),class(I));
ratio=n*p/(n*m+p*m);

子函数

pcasample.m

function [coeff,score,rate]=pcasample(X,p)
[V,D]=eig(X'*X);
for i=1:size(V,2)
    [~,idx]=max(abs(V(:,i)));
    V(:,i)=V(:,i)*sign(V(idx,i));
end
[lambda,locs]=sort(diag(D),'descend');
V=V(:,locs);
coeff=V(:,1:p);
score=X*V(:,1:p);
rate=sum(lambda(1:p))/sum(lambda);

测试另一个主函数:

clc; clear all; close all;
I=imread('rice.png');
k=1;
figure('Units', 'Normalized', 'Position', [0 0 1 1]);
ps = round(linspace(1, 46, 4));
for p=ps
    [Ipca,ratio,contribution]=pcaimage(I,p,[24 24]);
    subplot(2,2,k);    
    imshow(Ipca)
    title(['主成分个数=',num2str(p),...
        ',压缩比=',num2str(ratio),...
        ',贡献率=',num2str(contribution)],'fontsize',14);
    k=k+1;
end

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部分参考文献:

[1] 蔡利梅.MATLAB图像处理——理论、算法与实例分析[M].清华大学出版社,2020.
[2]杨丹,赵海滨,龙哲.MATLAB图像处理实例详解[M].清华大学出版社,2013.
[3]周品.MATLAB图像处理与图形用户界面设计[M].清华大学出版社,2013.
[4]刘成龙.精通MATLAB图像处理[M].清华大学出版社,2015.

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