《MATLAB图像处理实例详解》：学习第三天（2022.09.28）

2.5 MATLAB控制语句

 

2.5.1 循环结构

        1、for 语句

一般表达式为：
for 循环控制变量=表达式1:表达式2:表达式3

        语句

end

        一般情况，表达式1为循环初值，表达式2为循环增量，表达式3为循环终值。循环增量可以是正数也可以是负数，当没有指定循环增量时，系统默认为1。for语句可以嵌套使用。

        for语句的循环控制变量还可以是数组表达式，表达式如下：

for 循环控制变量=数组表达式
        语句
end

       

         2、while 语句

while   关系表达式

        语句

end

2.5.2 选择结构

        1、if 语句

if 表达式

        语句1

else

        语句2

end

        判断关键字if后关系表达式或逻辑表达式返回值为逻辑真，则执行语句1；如果为逻辑假，执行语句2；如果为算术表达式，则认为返回值非零为真，返回值是0为假。

if 表达式1

        语句1

else

        if 表达式2

                语句2

        else

                …
                if 表达式n

                        语句n

                else

                        语句n+1

                end

        end

...

end

if 表达式1

        语句1

elseif 表达式2

        语句2
......
elseif 表达式n

        语句n

else

        语句n+1

end

        2、switch 语句

switch 表达式

case 表达式1

        语句1

case 表达式2

        语句2
….

case 表达式n

        语句n

otherwise

        语句n+1

end

        判断switch 关键字后的表达式值，如与表达式1相等执行语句1，如与表达式2相等则执行语句2，依次类推，如与n个表达式都不相同则执行语句n+1后跳出switch语句。

        3、try 语句

try

        语句1

catch

        语句2

end

        try是一个错误捕获语句，程序先执行语句1，如果没有错误，则跳出 try语句;如果语句1出错，则执行语句2。

2.5.3 程序流程控制

• break 语句：可以从本次循环中跳出循环体，执行结束语句end 的下一条语句。
• return语句：终止被调用函数的运行，返回到调用函数。
• pause 语句：若其调用格式为 pause，则暂停程序运行，按任意键继续；若调用格式为pause(n)，则程序哲停运行n秒后继续；调用格式为pause on/off，允许/禁止其后的程序暂停。
• continuc语句：可以结束本次循环，将跳过其后的循环体语句，进行下一次循环。

2.6 MATLAB的m文件

2.6.1 m文件的分类

• 脚本文件：不接受输入参数，也不返回输出参数，文件执行过程中产生的所有变量都存储在工作空间中。
• 函数文件：可以接受输入参数，也可以有返回值，文件执行过程中产生的局部变量在文件执行完毕后自动释放，不保存在工作空间中。

1、脚本文件

2、函数文件

        函数文件可以从外部接受输入参数，运行结束后返回输出参数。文件的名称和函数名称必须一致。函数文件中的变量（除殊声明外）均为局部变量，这些变量单独存放在函数工作区内，不与MATLAB工作空间相互覆盖，函数执行完毕后即刻释放。工作空间内只存放输入和输出参数。

2.7 MATLAB图形可视化

2.7.2 二维图形绘制

函数plot()的具体调用格式如下：

• plot(x)：该函数当x为一维向量时，以该向量元素的下标为横坐标，x为纵坐标绘制一条曲线；当x为矩阵时，以该矩阵元素的“行下标”为横坐标，矩阵元素的值为纵坐标绘制多条曲线；当x为复数组成的向量时，以复数的实部为横坐标，以复数的虚部为纵坐标绘制二维曲线。
• plot(x, y)：该函数当x和y为同维向量，以x为横坐标，y为纵坐标的逐点连接的一条曲线。当x是向量，y是矩阵，向量x的维数与矩阵y的行数或列数相等，以x为横坐标的绘制多条不同颜色的曲线，曲线的条数等于的y维数。当x和y是同维的矩阵时，以矩阵x列元素为横坐标、矩阵y列元素为纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵的列数。
• plot(x1,y1, x2, y2,...)：该函数在同一图形窗口中绘制多组曲线，各组之间没有相互关联。
   

2.7.3 图形的修饰

1、选择图形窗口设置

MATLAB提供了函数figure( )用来打开不同的图形窗口，具体调用格式如下：   

figure(1)； figure(2)；…； figure(n)：该函数用来同时打开多个图形窗口，以便在不同
窗口中绘制不同的图形。

MATLAB提供函数subplot( )用来分割同一个图形窗口，具体调用格式如下：

 subplot(m,n, p)：该函数将当前窗口分割为m×n个图形区域，m为分割行数，n为分割列数，p为子图形编号，在不同的图形区域可以以独立的坐标系绘制图形，其简化形式为subplot(mnp)。

2、线型、顶点和颜色的设置

        在函数plot( )调用时，MATLAB会自动对线型、顶点和颜色进行设置，用户也可以根据需要对线型、顶点和颜色自行设置。

3、坐标轴的设置

        MATLAB在绘制图形的同时会自动选择合适的坐标轴，也提供函数axis( )设置用户自定义坐标轴，具体调用格式如下：

• axis( [xmin xmax ymin ymax] )：该函数中[xmin xmax ymin ymax]定义二维图形x轴和y轴坐标轴的范围，其中必须满足: xmin
• axis cqual：该函数将横轴和纵轴单位长度设置相同。
• axis square：该函数设置坐标轴为正方形。
• axis normal：该函数解除对坐标轴的任何限制。
• axis off：该函数取消坐标轴的一切设置。
• axis on：该函数恢复坐标轴的一切设置。

4、图形标注的设置

• title('string')：该函数在图形的最上端设置当前图形的标题为字符串string。
• xlabel('string')：该函数在图形的最下端设置图形横轴的标题为字符串string。
• legend('string1' , 'string2',...)：该函数在屏幕上开启小视窗，添加图例，根据绘图的顺序依次给出各个图形的描述。
• text(x,y, 'string')：该函数在二维平面的指定坐标(x, y)处添加文本标注，文本的内容为字符串 string。
• gtext('string')：该函数通过单击鼠标来确定文本的位置，文本的内容为字符串stringo

5、棚格的设置

• grid：该函数给图形加上栅格，不带参数时，在grid on和grid off之间进行切换。
• grid on：该函数给当前坐标系添加坐标网格。
• grid off：该函数从当前坐标系中删去坐标网格。
• grid minor：该函数设置网格线间的间距。

6、图形叠加设置

        MATLAB在默认情况下，绘制第二条曲线时，若没有叠加设置，则第一条曲线就会被第二条曲线所覆盖，不会两条曲线绘制在同一图形窗口下。为了在一张图中绘制多条曲线，及多次叠加绘制曲线，MATLAB提供了函数hold()，具体调用格式如下。

• hold on：该函数将当前曲线与坐标保持在屏幕上，同时在这个坐标系中画出另一个图形。
• hold off：该函数将旧图用新图覆盖。
• hold：该函数在 hold on和 hold off之间进行切换。

2.7.4 特殊图形的绘制

1、直方图绘制

         MATLAB提供了函数hist( )绘制直方图，具体调用格式如下。

• hist(y)：该函数将y的取值范围分成等差的10段，然后将所有元素分类到这10段中，根据每段元素个数绘制直方图的高度。
• hist(y,n)：该函数将y的取值范围分成n段，根据n个区域进行统计画图。
• hist(y,x)：该函数将y的取值分成等差的 length(x)份，将y中的元素放到各个分段中，然后由x中元素指定的位置为中心的直方图。
   

2、柱状图绘制

        MATLAB提供函数bar( )和 barh( )绘制柱状图，具体调用格式如下。

• bar(x,y)或barh(x,y)：该函数在指定的横坐标x上画出y，参数x为单调增加的。如果y为矩阵，则将每个行向量画出。

3、等高线绘制

        MATLAB提供函数contour( )绘制等高线图，函数 contourf( )绘制经过填充的等高线图，具体调用格式如下。

• contour(z)：该函数绘制矩阵z的等高线。
• contour(x,y,z)：该函数在指定坐标(x,y)下，画出矩阵z的等高线。
• contour(z,n)：该函数绘制n条等高线。
• contour(x,y,z,[v v])：该函数绘制高度为v的等高线。

第3章 MATLAB图像处理基础

3.1 图像处理工具箱

        打开图像处理工具箱的方式：在 MATLAB界面的窗口菜单栏中选中Help选项，选择Products Help或者Demos选项，然后会弹出Help窗口，在左侧边栏中找到ImageProcessing Toolbox 即为图像处理工具箱。

3.2 图像类型的转换

图像类型：索引色图像、二值图像、灰度图像、真彩色（RGB）图像、数据矩阵

3.2.1 RGB图像转换为灰度图像

•         X=rgb2gray(A)：该函数是将RGB 图像A转换为灰度图像X,其中A表示RGB图像，X表示转换后的灰度图像。
•         newmap=rgb2gray(map)：该函数是将彩色颜色映射表map转化成灰度颜色映射表。其中，map代表原图像的颜色映射表，newmap 代表转换后的图像颜色映射表。

        注：如果输入的是真彩色图像，则可以是uint8或者double类型，输出图像与输入图像类型相同。如果输入的是颜色映射表，则输入和输出都是double类型。

3.2.2 RGB图像转换为索引图像

• [X,map]=rgb2ind(Ⅰ,tol)：该函数是利用均匀量化的方法将 RGB 图像转换为索引图像。其中，Ⅰ就是原RGB图像，tol 的范围是从0.0至1.0，[X,map]对应生成的索引图像，map包含至少个颜色。
• [X,map]=rgb2ind(Ⅰ,N)：该函数是利用最小方差量化的方法，将RGB图像转换为索引图像。其中，Ⅰ就是原RGB图像，[X,map]对应生成的索引图像，map中包含至少N个颜色。
• X=rgb2ind(Ⅰ,map)：该函数是通过与 RGB中最相近的颜色进行匹配生成颜色映射表map，将 RGB 图像转换为索引色图像。其中，Ⅰ就是原RGB图像，[X,map]对应生成的索引图像，map中的颜色是与RGB图像中颜色匹配最相近的颜色。
• [..] = rgb2ind(...,dither_option)：该函数是通过参数dither_option来设置图像转换是否进行颜色抖动，dither_option取值为dither则表示抖动，从而可以达到更好的颜色效果；该参数项默认取值为nodither，表示不进行抖动。该格式中“...”表示根据显示任务的不同可以采取上面介绍的某种格式。

3.2.3 灰度图像转换为索引图像

• [X,map]=gray2ind(Ⅰ,n)：该函数是将灰度图像Ⅰ转换为索引图像，其中Ⅰ指的是原灰度图像，n是灰度级数，默认值为64，[X,map]对应转换后的索引图像，map 中对应的颜色值为颜色图gray(n)中的颜色值。
• [X,map]=gray2ind(BW,n):该函数是将二值图像BW转换为索引图像，其中Ⅰ指的是二值图像，n是灰度级数，默认值为2，[X,map]对应转换后的索引图像，map中对应的颜色值为颜色图 gray(n)中的颜色值。二值图像实际上也是灰度图像，只是其灰度级为2而已。
• l=grayslice(G,n)：该函数是将灰度图像中像素灰度均匀量化为n个等级并转换为索引色图像。其中G表示灰度图像，n表示灰度级，I表示转换后的索引图像。
• l=grayslice(G,v)：该函数是将灰度图像按照阈值矢量v进行值域划分并转换为索引色图像。其中G表示灰度图像，v中每一个元素都在0和1之间，I表示转换后的索引图像。

3.2.4 索引图像转换为灰度图像

• I=ind2gray(X,map)：该函数是将具有颜色映射表map 的索引图像转换为灰度图像，去除了索引图像中的颜色、饱和度信息，保留了图像的亮度信息。其中[X,map]对应索引图像，I表示转换后的灰度图像。输入图像的数据类型可以是 double型或uint8型，但输出为double型。

3.2.5 索引图像转换为RGB图像

• RGB=ind2rgb(X,map)：该函数是将索引图像[X,map]转换为RGB图像，其中[X,map]指向索引图像，RGB指向转换后的真彩色图像。转换过程中形成一个三维数组，然后将索引图像的颜色映射表中的颜色值赋值给三维数组。输入图像的数据类型可以是double型、uint8型或uint16型，输出为double 型。

3.2.6 二值图像的转换

        在MATLAB中,二值图像中的数据类型实际上是logical 型, 0代表黑色、1代表白色，所以二值图像实际上是一幅“黑白”图像。那么，将其他图像转换为二值图像，首先必须规定一个规则，即将其他数组中哪些数据变为1,哪些数据变为0。常用的方法是“阅值法”，它是确定一 个國值，小于阙值就取为0,其他的全部取为1。在MATLAB中，实现这一功能的函数为im2bw()， 其调用格式根据转换的原图像不同而各有差异。如果输入的不是灰度图像，则先将其转换为灰度图像，然后通过阈值法转换为二值图像。二值图像中只有黑白两种灰度值。

        1、将灰度图像转换为二值图像

• BW=im2bw(Ⅰ,level)：该函数是通过设置成值参数level，将灰度图像转换为二值图像。其中Ⅰ为灰度图像，level 为设置的阈值参数，取值范围为[0,1]，BW是转换后的二值图像。level 值较小，则会出现背景区域与目标区域混淆；level值较大，则会丢失部分目标信息。
   

        2、将索引图像转换为二值图像

• BW=im2bw(X,map,level)：该函数是通过设置阈值参数level，将索引色图像转换为二值图像。其中[X,map]代表索引图像，参数 level 设置阈值水平，取值范围[0,1]，BW代表二值图像。

        3、将RGB图像转换为二值图像

• BW=im2bw(Ⅰ,level)：该函数是通过设置阈值参数 level，将 RGB图像转换为二值图像。其中Ⅰ代表RGB 图像，参数level设置阈值水平，取值范围[0,1]，BW代表二值图像。

3.2.7 数值矩阵转换为灰度图像

        在 MATLAB中，一个数据矩阵就相当于一幅数字图像，只是在数字图像中对应的数组元素必须在一定的取值范围，因此，只要将对应数据矩阵中的元素按一定规律进行转换，就可以将矩阵转换为图像了。在MATLAB中可以利用函数 mat2gray( )，将一个数据矩阵转换为一幅灰度图像，其调用格式如下。

• l=mat2gray(X,[ xmin, xmax])：该函数是按照指定的取值区间[xmin,xmax]将数据矩阵X转换为灰度图像I。xmin对应灰度值0，即黑色，xmax对应灰度值1，即白色。数据矩阵中小于xmin的值取为0，大于xmax的值取为1。如果不指定取值区间[xmin，xmax]，即默认情况下，将数据矩阵X中的最小值设为xmin，最大值设为xmax。

3.3 图像文件的读写

3.3.2图像文件的读取

        1、常见图像格式读取

• I=imread('filename','fmt')或者('filename.fmt')：该函数是用于读取字符串 filename指定的灰度图像和真彩色图像文件。其中 filename是文件名，fmt是文件扩展名或文件格式。如果该文件不在当前路径下，或者在MATLAB路径下，那么需要写出完整的路径。如果读取的是灰度图像，则Ⅰ是一个M×N的二维数组；如果读取的是彩色图像，则Ⅰ是一个M×N×3的三维数组。数组Ⅰ的数据类型由图像文件的数据类型决定。一般而言，彩色图像数据使用RGB的颜色空间类型。此外，也可以使用CIELAB、ICCLAB和 CMYK等颜色空间。如果一幅彩色图像使用CMYK颜色空间，则返回的矩阵Ⅰ将是一个M×N×4的数组。
• [X,map]=imread('filename', 'fmt')或者('filename.fmt')：该函数是读取字符串 filename指定的索引图像文件。其中X用于存储索引图像数据，即对应颜色映射表的“映射序号值”，map用于存储与该索引图像相关的颜色映射表。
• [...]=imread('filename')：该函数是在执行图像读取操作时，首先需要从图像文件filename的内容推断其图像类型，即 imread()参数中没有给出图像文件的类型fmt，而是需要推断得到。而该语句左边“[...]”表示根据待读取的图像数据是真实像素值，还是索引图像的相应颜色映射表的序号值，而分别采用格式1和格式2中的不同形式。
• [...]=imread(URL,...)：该函数是读取Internet URL的图像文件，URL要求其必须包含协议类型，例如 http://。该语句中 imrcad()函数的第二个参数即是所要读取的Internet URL。语句左边的形式同格式3。

2、特殊图像格式读取

• [...]=imread('filename',idx)：该函数是只针对包含多幅图像的文件，例如 ico、tif、cur、gif等格式的文件。该格式实现的功能是读取相应文件中的第几幅图像，或者多幅图像。其中idx是一个整数或者整型向量。例如 idx=3，那么imread将读取该文件中的第3幅图像;如果idx=1∶5，那么读取的将是文件中的前5幅图像。如果IDX为默认值，则只读取第1幅图像。
• [...]=imread(....,'frames',idx)：该函数是只适用于读取GIF格式图像文件。它与格式[...]=imread('filename', idx)功能基本上相同，两者的区别是前者的idx的取值可以是all，在这种情况下，该格式将读取图像文件中的所有帧图像，并且按照在文件中的存储顺序返回。
• [...]=imread(... "BackgroundColor',BG)：该函数是只适用于PNG文件的读取，其功能是将透明的像素与指定的颜色进行合成。其中 BG的形式取决于文件是否包含一个索引、强度（灰度）或RGB图像。如果 BG为none，将不进行合成。如果输入图像是索引图像，BG将是取值范围为[1,P]内的整数，其中Р是颜色映射表的长度；如果输入图像是灰度图像，BG应该是在[0,1]的范围内的整数；如果输入图像是RGB图像，BG应该是一个三元素的向量，每一个元素的取值在[0,1]范围内。
• [...]=imread('filename',ref)：该函数是只用于HDF文件的读取，只读取 HDF文件中多幅图像中的一幅，其中 ref是一个整数，用来确定要读取图像的参考编号。（注意，一个HDF 文件中的参考号不一定对应图像在文件中的顺序，你可以用imfinfo搭配参考编号与图像顺序相匹配。）例如，读取一幅HDF 文件中的第3幅图像，对应该图像的参考编号ref不一定为3，其 MATLAB代码为：info=imfinfo('hdffile.hdf "); [X,map]=imread('hdf_file.hdf ',info(3).Reference);该代码执行时先读取HDF文件中的信息，存放在 info 中，然后调用函数imread()，设置参数为ref 为info(3).Rcfcrcncc，这样就将HDF中的第三幅图像读取出来并存放在[X,map]中。
• [...]=imread(..， 'Param1', valuc1，'Param2', value2,..)：该函数是使用参数/值对控制读取操作。如表3.3和表3.4列出了TIFF 和JPEG图像格式文件可以使用的参数。

 3.3.3 图像文件的保存

• imwrite(Ⅰ, 'filename", 'fmt')：该函数是把图像数据Ⅰ保存到由字符串 filename指定的文件中，存储的文件格式由 fmt指定。与函数 imread( )使用类似，如果所指定的保存文件 filename不在当前目录下或MATLAB的目录下，则必须指明其完整路径。fmt的取值必须是MATLAB所支持的图像文件格式。图像数据Ⅰ不能为空，如果Ⅰ为灰度图像，那么Ⅰ应该是一个MXN的二维数组;如果Ⅰ为彩色图像，那么I应该是一个M×N×3的三维数组。如果fmt指定的格式为TIFF，那么函数imwrite( )可以接受M×N×4的三维数组。
• imwrite(X,map, 'filename', 'fmt')：该函数是用于保存索引色图像，其中X表示索引色图像数据矩阵，map表示与其关联的颜色映射表，filename为保存的文件名，fmt为文件的保存格式。如果X是uint8或uint16类型的数组，函数imwrite( )将数组中的实际数据按相同的类型保存在文件 filename中，前提是所保存的文件格式必须支持uint8或 uint16的数据类型，否则会出错。在 MATLAB中支持16位图像的存储的文件格式有PNG和 TIFF。如果X是double类型的数组，函数 imwrite( )采用uint8(X-1)表示数组中的值并写入到文件filename 中。颜色映射表map必须是MATLAB所支持的颜色映射表类型。
• imwrite(...  'filename')：该函数是将图像保存到文件中时，从filename的扩展名中推断图像的文件格式，该扩展名要求必颈是MATLAB所支持的类型。函数 imwrite( )中在 filename之前的参数“...”与前面提到的格式是相同的调用方式。
• imwrite(...，'Param1', Val1，'Param2','Val2',...)：该函数是用于在保存HDF、JPEG、PBM、PGM、PPM、PNG、RAS、GIF和TIFF等类型文件时指定某些参数值。例如，在保存JPEG文件时，可以存储品质(Quality)、注释(Comment)、模式(Mode)和像素位数（BitDepth）等参数；在保存 HDF 文件时，可以指定图像的压缩性(Compression)、品质（ Quality）和写入模式（ WriteMode)。不同的文件格式所保存的参数不同，用户可以参考帮助文档中的相关介绍。例如，imwrite(I,'trecs.png', ' BitDepth',8)其含义是将图像Ⅰ保存在文件“trees.png”中，并且给参数BitDcpth赋值为8。