1、武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 利用 MATLAB 仿真软件系统进行图像数据分析初始条件：1.MATLAB 软件。2.数字信号处理与图像处理基础知识。要求完成的主要任务: 读取图像并求出图像的最大值、最小值、均值、中值、和、标准差、两图像的协方差、相关系数等。参考书目：1 余万波编著 . 基于 MATLAB 的图像处理. 清华大学出版社. 2008.32 梁红. matlab 在数字图像处理中的应用. 清华大学出版社. 2004 3 蓝章礼 李益才 李艾星 编著. 数字图像处理与图像通信. 清华
2、大学出版社. 2009.34 余成波编著 . 数字图像处理及 MATLAB 实现 . 重庆大学出版社. 2003.65 胡学龙 许开宇 编著. 数字图像处理. 电子工业出版社. 2009.66 王家文编著 . MATLAB7.0 图形图像处理. 国防工业出版社. 2006.7时间安排：1 方案设计 1 天2 软件设计 2 天3 系统调试 1 天4 答辩 1 天合 计 5 天指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书2目录摘要.3Abstract.41.MATLAB 简介 51.1 MATLAB 产生的历史背景 .51.2 MAT
3、LAB 的语言特点和开发环境 .61.3 MATLAB 应用领域 72.图像概述83.数据采集83.1 图像的读取.83.2 图像的显示.114.图像数据统计处理134.1 图像数据处理原理.134.2 各像素点中最大值.144.3 各像素点中最小值.144.4 各像素点值的均值.154.5 各像素点值的中值.164.6 各像素点值的和.164.7 各像素点值的标准差.174.8 各像素点值的方差.184.9 两图中各像素点值的协方差.184.10 两图的相对系数.195.心得体会206.参考文献21武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书3摘要数字图形图像处理是指采用计算机处理图形图像的
4、技术。近些年随着计算机与信息技术的高速发展,数字图处理技术也得到了快速发展,已成为计算机科学、医学、生物学、信息科学等领域各学科之间学习和研究的对象。成为学术界的研究热门。 MATLAB 是目前国内外广泛流行的数字计算软件。其具有较强的图像处理功能,操作直观,简洁,同时又是一个较好的图像处理系统的开发工具。近些年得到了很大的发展,已经广泛应用于科学计算和工程计算领域。本文基于 MATLAB 的数字图像处理环境, 利用MATLAB 软件进行图像的数据分析，包括读取图像并求出图像的最大值、最小值、均值、中值、和、标准差、两图像的协方差、相关系数等。关键字：MATLAB，数字信号处理，图像数据分析武
5、汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书4AbstractDigital image processing is refers to using computer graphics, image processing technology. In recent years along with the computer and the high speed development of information technology, digital map processing technology also got rapid development, has become a compu
6、ter science, medicine, biology, information science fields between the subject and the object of research study. Become a hot academic research. MATLAB is popular at home and abroad and the digital calculation software. It has strong image processing function, operation is easy, simple, and at the s
7、ame time, it is a good image processing system development tools. In recent years it has had great development, has been widely used in scientific computing and engineering computing. This paper based on the MATLAB digital image processing environment, using the MATLAB software image data analysis,
8、including read the image and get the image of the maximum, minimum, mean, median, and, standard deviation, two image covariance, correlation coefficient, etc.Key words: MATLAB，digital signal processing，image data analysis武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书51.MATLAB 简介1.1 MATLAB 产生的历史背景MATLAB 是美国 MathWorks 公司生产的一
9、个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的运算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB 可以在几乎所有的 PC 机和大型计算机上运行，适用于 Windows、UNIX 等多种系统平台。MATLAB 名称是由两个英文单词 Maix 和 Laboratory 的前二个字
10、母组成。20 世纪70 年代后期，美国新墨西哥大学计算机系主任 CleveMoler 教授为了便于教学，减轻学生编写 Fortran 程序的负担，为两个矩阵运算软件包 Linpack 和 Eispack 编写了接口程序，这也许就算 MATLAB 的第一个版本。1984 年，在 JackLittle(也称 JohnLittle)的建议推动下，由 Little、Moler、SteveBangert 三人合作，成立 rMathWorks 公司，同时把 MATLAB 正式推向市场。从那时开始，MATLAB 的源代码采用 C 语言编写，增加了数据图形的可视化功能。1993 年，MathWorks 公司推
11、出了 MATLAB 的 40 版本，系统平台由 DOS 改为 Windows，推出了功能强大的、可视化的、交互环境的用于模拟非线性动态系统的工具 Simulink，为 MATLAB 进行实时数据分析、处理和硬件开发而推出了与外部直接进行数据交换的组件，为 MATLAB 能融科学计算、图形可视、文字处理于一体而制作了 Notebook，MathWorks 使 MATLAB 成为国际控制界公认的标准计算软件。MATLAB 拥有了更丰富的数据类型和结构，更好的面向对象的快速精美的图形界面，更多的数学和数据分析资源，MATLAB 工具也达到了 25 个，几乎涵盖了整个科学技术运算领域。在大部分大学里，
12、应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教材都把 MATLAB 作为必不可少的内武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书6容。1.2 MATLAB 的语言特点和开发环境MATLAB 作为一种科学计算的高级语言之所以受欢迎，就是因为它有丰富的函数资源和工具箱资源，编程人员可以根据自己的需要选择函数，而无需再去编写大量繁琐的程序代码，从而减轻了编程人员的工作负担。被称为第四代编程语言的 MATLAB 最大的特点就是简洁开放的程序代码和直观实用的开发环境。具体地说 MATLAB 主要有以下特点： (1)库函数资源丰富：数百种库函数大大减轻了用
13、户子程序的编写工作量，也避免了一些不必要的错误，因而用户也不必担心程序的可靠性问题。(2)语言精炼，代码灵活：MATLAB 的编程语言符合人们的思维习惯，对代码的书写也没有特别严格的控制，语言精炼，程序的亢余度非常小。(3)运算符多而灵活：MATLAB 的内核是用 c 语言编写的，它为用户提供了和 C 语言一样多的运算符，用户运用这些运算符可以使程序更加简炼。 (4)面向对象，控制功能优良：MATLAB 在 5x 各版本中优化了数据结构，使得程序的结构化控制更精良，面向对象的功能更加友善。特别是当前的 70 版，在可视化编程方面比以前的版本又有了更大的提高，使界面编程更方便、自由。(5)程序设
14、计自由：MATLAB70 版支持长变量名达到 63 个字符，用户可以不对矩阵进行预定义就使用，变量和数组的应用也有了很大的扩展，这为用户编写程序提供了更大的自由度，使编程更加简单、方便。(6)图形功能强大：在很多程序语言中，绘制图形是一件很麻烦的事情。但在MATLAB 中，只需调用相应的绘图函数即可，既方便又迅速。随着硬件的发展和MATLAB70 推出，MATLAB 的图形功能更好，可视化编程能力得到更进一步的提高。(7)程序的兼容性好：MATLAB 可以在各种 PC 机、大型计算机和各种操作系统上运行。(8)源代码开放：MATLAB 的最重要的特点是源代码的开放性，除了内部函数，所有的 MA
15、TLAB 核心文件和工具箱文件都完全开放，都可渎可改。用户对源文件修改就可武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书7以生成适合自己的源代码文件。(9)形形色色的工具箱：凡有工具箱的软件大都分为两大部分，就是核心部分和形形色色的工具箱。MATLAB 有数百个核心内部函数，数十个形形色色的工具箱。工具箱大致可以分为两大类，类是学科性工具箱，另一类是功能性工具箱。学科性工具箱大都涵盖了本学科所有的已有的基本概念和基本运算，大都十分专业。如符号数学工具箱，简直就是一个高等数学、工程数学解题器。极限、导数、微分、积分、级数运算与展开、微分方程求解、Laplace 变换等应有尽有。还有控制系统、信号处
16、理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、统计；优化、金融预测等工具箱，无一不是非常优秀的运算工具。这些工具箱都可以添加自己根据需要编写的函数，用户可以不断更新自己的工具箱，使之更适合于自己的研究和计算。1.3 MATLAB 应用领域MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作：（1）数值分析（2）数值和符号计算（3）工程与科学绘图（4）控制系统的设计与仿真（5
17、）数字图像处理 技术（6）数字信号处理 技术（7）通讯系统设计与仿真（8）财务与金融工程MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书8题。2.图像概述MATAB 能够读入、显示和处理多种标准图像格式文件。当图像文件经由MATLAB 读入后，都是用数值数组的方式来表示的，这时候通过 MATLAB 函数显示出来的图像，实际上是一个句柄图形的图像对象。MATLAB
18、 支持的标准图像格式包括：BMP，HDF， JPEG，PCX ，PNG ，TIFF，XWD 等等。MATLAB 读入这些标准图像文件后，用数值数组存储这些文件的信息。其中，数值数组的数值元素可以使无符号的 8 位整数、无符号的 16 位整数或双精度浮点数。通常情况下，一个标准格式的图像文件经由 MATLAB 读入后产生至少一个数组，称为数据数组，其中记录了标准格式的图像各像素点的颜色信息；大多数情况下还会产生第二个数组，称为颜色表数组，用来存储解释数据数组的数值对应的颜色信息。根据 MATLAB 读入图像后产生的数组个数和 MATLAB 再次显示、处理这些数组数据时对数值的解释方法，可以把 M
19、ATLAB 内部的图像对象分为索引图像，灰阶强度图像和 RGB 真彩图像这三种类型。（1）索引图像：它的数据信息包括一个数据矩阵和一个双精度色图矩阵，它的数据矩阵中的值直接指定该点的颜色为色图矩阵中的某一种。色图矩阵中，每一行表示一种颜色，每行有三个数据，分别表示该种颜色中红、绿、蓝的比例情况，所有元素值都在0， 1内。（2）灰度图像：它的数据矩阵中的元素值一般都在0，1或0，255之间，灰度图像根据这些数据利用线性插值来和色图中的颜色种类匹配。（3）RGB 图像：图像中每个象素的颜色用三个数据来存储，分别指定红、绿、蓝三原色在象素颜色中的比例关系，组成一个三维数组。武汉理工大学Matlab
20、应用课程设计说明书93.数据采集3.1 图像的读取利用 imread 函数可以完成图像文件的读取操作。常用语法格式为：I=imread(filename,fmt)或 I=imread(filename.fmt)；其作用是将文件名用字符串 filename 表示的、扩展名用字符串 fmt（表示图像文件格式）表示的图像文件中的数据读到矩阵 I 中。当 filename 中不包含任何路径信息时，imread 会从当前工作目录中寻找并读取文件。要想读取指定路径中的图像，最简单的方法就是在 filename 中输入完整的或相对的地址。 MATLAB 支持多种图像文件格式的读、写和显示。因此参数 fmt
21、常用的可能值有：(1)bmp Windows 位图格式(2)jpgorjpeg 联合图像专家组格式(3)tifortiff 标志图像文件格式(4)gif 图形交换格式(5)pcx Windows 画刷格式(6)png 可移动网络图形格式(7)xwd X Window Dump 格式例如，命令行I=imread(lena.jpg);将 JPEG 图像 lena 读入图像矩阵 I 中。将电脑上两幅图片读入：武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书10实验程序为：I=imread(E:gg.jpg);P=imread(E:mm.jpg);用 whos 命令结果可见，文件 mm.jpeg 和 gg
22、.jpeg 经由 imread 命令读入后，产生了两个武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书11数值数组 I 和 P。得到结果如下所示：3.2 图像的显示Matlab 显示图像的最基本的手段是使用 image 函数。该函数还产生了图像对象的句柄，并允许对对象的属性进行设置，利用图像读取函数 imread()可完成图形图像文件的读取。subplot 函数介绍，在一般默认的情况下，MATLAB 每次使用 plot 函数进行图形绘制，将重新产生一个图形窗口。但有时希望后续的图形能够和前面所绘制的图形进行比较。一般来说有两种方法：一是采用 hold on(/off)命令，将新产生的图形曲线叠加到
23、已有的图形上；二是采用 subplot(m,n,k)函数，将图形窗口分隔成 n*m 个子图，并选择第 k 个子图作为当前图形 ，然后在同一个视图窗口中画出多个小图形。作为一个二维曲线绘制函数，subplot 的功能是：将一个窗口分为若干块，在选中的某一块区域内可以绘制图形。下面程序需采用 subplot 函数。实验程序为：I=imread(E:gg.jpg);subplot(1,2,1);image(I);title(gg) P=imread(E:mm.jpg);subplot(1,2,2);image(P);title(mm)武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书12实验结果如下：以上
24、两张图片满足像素要求，但图像为彩图，不是灰度图，无法进行接下来的分析，需将彩图转换为灰度图，利用 MATLAB 中的 rgb2gray（）命令实现 RGB 图像到灰度图像的转化。转化后在使用命令 isgray（）判断图像是否变为灰度图，如果是灰度图将返回为 1，不是将返回 0。灰度图转换成功后，将转化后的灰度图读取出来。灰度转换程序如下：I=rgb2gray(I);P=rgb2gray(P);figure;imshow(I);figure;imshow(P);程序运行结果：武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书13武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书144.图像数据统计处理4.1
25、 图像数据处理原理一幅图像可以被看作是空间各点光强度的集合。MATLAB 把灰度图像存储为一个数据矩阵，该数据矩阵中的元素分别代表了图像中的像素。一幅行数为 M、列数为 N 的图像大小为 MN 的矩阵形式为： 图 4-1 MN 矩阵形式由于在应用图片的方面，对图像各项参数的要求不同，所以要对图片进行适当的数据处理，来考察图片的不同参数。均值，标准差，方差就是图像的一些相关的参数，可以用作对图片的质量来作评价。4.2 各像素点中最大值MATLAB 中提供的 max 函数可求出最大值程序如下：mage_max=max(max(I)image_max=max(max(P)得到图像结果如图 4-2 所
26、示：武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书15图 4-2 图像 gg 和 mm 最大值4.3 各像素点中最小值MATLAB 中提供的 min 函数可求出最小值程序如下：image_min=min(min(I)image_min=min(min(P)得到结果如图 4-3 所示：图 4-2 图像 gg 和 mm 最小值4.4 各像素点值的均值MATLAB 中提供均值计算函数 mean()和 mean2()，函数的使用方法如下：武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书16用 mean2（H）求出矩阵所有元素的均值。题目要求计算图像各像素点的均值，因而可通过调用 mean2()函数进行计算，
27、在命令行中输入 mean2(A_gray)即可求得灰度图各像素点的均值。程序如下：image_mean= mean2(I)image_mean= mean2(P)得到结果如图 4-4 所示：图 4-4 图像 gg 和 mm 的均值4.5 各像素点值的中值MATLAB 中提供的 median 函数可求出中值程序如下：image_median=median(I(:)image_median=median(P(:)得到结果如图 4-5 所示：武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书17图 4-5 图像 gg 和 mm 的中值4.6 各像素点值的和MATLAB 中提供的 sum 函数可求出各像素点
28、的和程序如下：image_sum=sum(sum(I)image_sum=sum(sum(P)得到结果如图 4-6 所示：图 4-6 图像 gg 和 mm 的和值武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书184.7 各像素点值的标准差MATLAB 中提供的 std 函数可求出标准差程序如下：image_std=std2(I(:) image_std=std2(P(:) 得到结果如图 4-7 所示：图 4-7 图像 gg 和 mm 的标准差4.8 各像素点值的方差MATLAB 中提供的 var 函数可求出方差程序如下：image_var=var(double(I(:)image_var=var
29、(double(P(:)武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书19得到结果如图 4-8 所示：图 4-8 图像 gg 和 mm 的方差4.9 两图中各像素点值的协方差MATLAB 中提供的 cov 函数可求出两数组间的协方差程序如下：image_cov=cov(double(I),double(P)得到结果如图 4-9 所示：图 4-9 图像 gg 和 mm 的协方差武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书204.10 两图的相对系数MATLAB 中提供的 corrcoef 函数可求出两数组间的协方差程序如下：image_corrcoef=corrcoef(double(I),dou
30、ble(P)得到结果如图 4-10 所示：图 4-10 图像 gg 和 mm 的相对系数5.心得体会MATLAB 课程设计让我更熟悉地掌握该软件的功能，灵活运用 MATLAB,加强对matlab 软件图像处理的能力，掌握图像的傅利叶变换、小波变换、小波包变换、离散余弦变换、离散沃尔什变换，二维哈达玛变换，并采用小波变换和离散余弦变换对图像进行压缩，并与原图像进行比较。在熟悉掌握 matlab 程序和操作的同时培养了我的独立思考能力，钻研精神，解决问题能力和动手能力。虽然从大二开始就开始接触 MATLAB，刚开始只是有针对性地看一下书上的源程武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书21序，然
31、后抄上去，看看运行结果，能出来跟书上一样的结果就已经很开心了， ，但知道的只是最基本的的应用，对于 MATLAB 在图像处理上的应用，我完全没有理解。本次课程设计中通过查阅资料，阅读程序并读写程序对 MATLAB 图像应用有了更深的了解。我同时也认识到了 MATLAB 功能并不只是图形的绘制及波形的处理，有着很多方面的运用，如绘制函数，处理音频、图像数据，创建用户界面等功能，实为一个功能强大的软件。在课设过程中每每编写程序及操作时出现问题，我都会通过查阅资料，仔细检查解决问题，经过一次次的修改完善，才出现最终的最优结果。在这个过程中，面对问题不放弃不急躁，一次次改进，静下心来慢慢解决，并细致完
32、善细节，从而能培养一种良好的学习心态和习惯。通过这次课设中，我学习了一些 MATLAB 图像处理的编程，并对 MATLAB 的操作有了更深的了解和熟悉，对以后的学习和工作都会很有帮助。更重要的是提高了我的学习能力，培养良好的学习习惯，受益匪浅。6.参考文献1 余万波编著 . 基于 MATLAB 的图像处理. 清华大学出版社. 2008.32 梁红. matlab 在数字图像处理中的应用. 清华大学出版社. 2004 3 蓝章礼 李益才 李艾星 编著. 数字图像处理与图像通信. 清华大学出版社. 2009.34 余成波编著 . 数字图像处理及 MATLAB 实现 . 重庆大学出版社. 2003.6武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书225 胡学龙 许开宇 编著. 数字图像处理. 电子工业出版社. 2009.66 王家文编著 . MATLAB7.0 图形图像处理. 国防工业出版社. 2006.7武汉理工大学Matlab 应用课程设计说明书23本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日
