Einführung in Visual Computing. Einführung in MATLAB. Sebastian Zambanini Computer Vision Lab Institut f. Rechnergestützte Automation TU Wien

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1 Einführung in Visual Computing Einführung in MATLAB Sebastian Zambanini Computer Vision Lab Institut f. Rechnergestützte Automation TU Wien

2 Überblick Allgemeines Arbeiten mit MATLAB Dateneingabe Vektoren und Matrizen Programme schreiben in MATLAB Visualisierung/Bilder Häufige Probleme, Tipps & Tricks 2

3 MATLAB-Übungen Benötigte Tools für die Übung: MATLAB und Blender Blender-Einführung morgen ( ) Angaben für MATLAB-Einführungsbeispiel ab heute (15 Uhr) verfügbar 4 Teile Basics Triangles Images Transformations Weitere Aufgaben im Laufe des Semesters, die mithilfe von MATLAB zu lösen sind (Kamerasensoren, ) 3

4 Was ist MATLAB? MATLAB = MATrix LABoratory Software zur numerischen Berechnung mathematischer Probleme Gegenstück: Mathematica, Maple für symbolische Algebra Alternativen: eigentlich keine wg. des Umfangs Freier MATLAB-Klon: Octave (für die Übung nicht zu empfehlen, Octave-Lösungen werden nicht akzeptiert) Hersteller: The MathWorks Inc. aktuelle Version 8.4 (R2014b) Viele Toolboxen für verschiedenste Anwendungsbereiche Signalverarbeitung, Bildverarbeitung, Finanzmathematik, Proprietäre Programmiersprache 4

5 Was ist MATLAB? Vorteile Interpreter und interaktive Befehlseingabe: Schnelle und einfache Entwicklung von Programmen (Rapid Prototyping) Gutes Hilfesystem Sehr umfangreich und mächtig dank zahlreicher Toolboxen Erweiterbarkeit: C oder FORTRAN Code durch mex-bibliotheken Grafische Ausgaben: Bilder, 3D Plots,. Nachteile Nicht frei verfügbar Durch Interpretersprache vergleichsweise langsame Ausführung von Programmen 5

6 Warum soll ich MATLAB erlernen? Um die LVA zu bestehen ;-) MATLAB kann für verschiedene Gebiete verwendet werden (z.b. Statistik, Optimierung, Signalverarbeitung, ) Kann auch für spätere LVAs hilfreich sein und wird auch teilweise verwendet MATLAB wird gerade in den Bereichen Bildverarbeitung, Computer Vision und Mustererkennung sehr häufig eingesetzt Studierende des Bakk-Studiums 532 Medieninformatik und Visual Computing sowie Master-Studium 932 Visual Computing 6

7 Wie kann ich MATLAB erlernen? Die heutige Einführung ist ein guter Start Aber wie immer: Learning by doing Probieren Sie die heute vorgestellten Code-Beispiele zuhause oder im Labor aus Einführungsbeispiel: MATLAB Basics MATLAB Primer Erstes Kapitel: Quick Start MATLAB ist leicht zu erlernen und bietet ein umfangreiches Hilfesystem help befehl bzw. doc befehl Wenn Sie nicht mehr weiterwissen Google Tutoren im Pac-Man-Raum (Favoritenstrasse) zu den betreuten Übungszeiten 7

8 Benützung von MATLAB für die LVA Lokale Installation auf eigenem Rechner MATLAB-Studentenversion für Windows, Mac und Linux über ZID erhältlich ( 13,90): In den Labors Favoritenstrasse Einloggen per ssh auf Servern thales.inflab.tuwien.ac.at oder euklid.inflab.tuwien.ac.at In der Linux-Umgebung in der Shell ssh X thales oder ssh X euclid eintippen Account-Daten und Details zur Benützung werden noch bekannt gegeben 8

9 MATLAB Desktop Arbeitsverzeichnis Current Folder: Dateien im aktuellen Arbeitsverzeichnis Command Window: Eingabe von Befehlen Workspace: Variablen im Speicher Details: Details zu Datei Command History: Liste aller eingegebenen Befehle 9

10 Arbeiten mit MATLAB: Befehlseingabe Zwei Möglichkeiten: Eingabe über Command Window oder Skriptdatei (sog..m-file) 1. Command Window Befehl wird nach dem Enter-Zeichen sofort ausgeführt 2. Skript Durch den Befehl wird das gleichnamige.m-file gestartet, welches wiederum eine Folge von Befehlen enthält Erzeugen von.m-files mithilfe des Editors edit dateiname.m Kommentare mit % Ein Semikolon (;) unterdrückt die Ausgabe in der Kommandozeile Datei mytest.m: 10

11 MATLAB Editor Skript starten (alternativ F5 drücken) 11

12 Dateneingabe - Variablen Keine Variablendeklaration erforderlich Alle Variablen sind standardmäßig Fließkommazahlen doppelter Präzision (Typ double) Einfache Konvertierung in andere Datentypen möglich (single, uint8, int16 ) Variablennamen sind case-sensitive Falls keine Variable für Rückgabewert angegeben wird: Standardvariable ans 12

13 Dateneingabe - Vektoren Eingabe der Werte in Trennen der Spalten mittels, oder Leerzeichen Trennen der Zeilen mittels ; Zahlenreihen: von:schrittweite:bis bzw. von:bis 13

14 Dateneingabe - Matrizen Mehrere Zeilen und Spalten Verschiedene Befehle zum Erzeugen von Matrizen Nullermatrix: zeros(zeilen,spalten) Einsermatrix: ones(zeilen,spalten) Matrix mit Zufallszahlen: rand(zeilen,spalten) 14

15 Zugriff auf Matrix- oder Vektor-Elemente Zugriff auf Einzelelemente: A(zeile,spalte) = wert Indizes beginnen bei 1! Beim Überschreiten der Indexgrenzen wird die Matrixgröße angepasst und Elemente mit 0 aufgefüllt Matrixbereiche ansprechen: Angabe der Zeilen und Spalten als Vektor 15

16 Zugriff auf Matrix- oder Vektor-Elemente Matrixbereiche können auch mit einem skalaren Wert befüllt werden end: max. Indexwert Transponieren (Zeilen und Spalten vertauschen) mittels Alle Zeilen bzw. Spalten ansprechen mittels : 16

17 Zugriff auf Matrix- oder Vektor-Elemente Zugriff auf Elemente kann auch über logische Indizierung erfolgen Benutzung einer logischen Indexvariable derselben Größe 17

18 Bilder und Mehrdimensionale Arrays Grauwertbild: Matrix (2D Array) Es sind auch Arrays mit mehr als 2 Dimensionen möglich Beispiel: RGB-Bild (3 Dimensionen) Größe des Bildes anzeigen und roten Kanal extrahieren: Bildauschnitt extrahieren 18

19 Funktionen Funktionen sind.m-skripts mit Eingabe- und Rückgabewerten Name der Funktion = Dateiname Funktionen können auch Unterfunktionen haben, von außen ist aber nur die Hauptfunktion aufrufbar Kein expliziter Befehl zur Parameterrückgabe, sondern einfaches Zuweisen der Rückgabevariable Datei absdiff.m: 19

20 Workspace Alle über Skripts oder Command Window erzeugten Variablen bleiben im Workspace, bis sie überschrieben oder explizit gelöscht werden Funktionen haben einen lokalen, von außen unsichtbaren Workspace Alle lokalen Variablen werden nach Beendigung der Funktion gelöscht Anzeigen des Workspaces im Command Window: whos Löschen von Variablen: clear variable Löschen aller Variablen: clear all 20

21 Programmflusssteuerung while-schleife for-schleife if-else-block 21

22 Operatoren Vergleichsoperatoren < kleiner > größer <= kleiner gleich >= größer gleich == gleich ~= ungleich Arithmetische Operatoren + Addition - Subtraktion * Matrix-Multiplikation / Matrix-Division ^ Matrix-Potenzierung.* Elementweise Multiplikation./ Elementweise Division.^ Elementweise Potenzierung Vergleichsoperatoren können auch elementweise angewendet werden: Unterschied zw. Matrix-Multiplikation und elementweiser Multiplikation: 22

23 Vektorisierung Nahezu alle Funktionen akzeptieren sowohl skalare als auch mehrdimensionale Eingaben (for-) Schleifen werden sehr ineffizient ausgeführt Schleifen können großteils vermieden werden Dauert 4,38 s Dauert 0,02 s 23

24 Visualisierung MATLAB stellt leistungsfähige Funktionen und Tools zur Visualisierung von Daten bereit, unter anderem: 2D Plots 3D Plots Bilder Mehrere Abbildungen 24

25 Figures Visualisierungen werden in eigenen Fenstern (sog. figures) gezeichnet figure öffnet ein neues Fenster figure(n) wählt das n-te Fenster zum Zeichnen aus oder öffnet es, falls noch nicht vorhanden close n schließt das n-te Fenster close all schließt alle Fenster Eine figure bietet zahlreiche Tools zur Untersuchung der Daten (Zoomen, Wertebereich anpassen, ) 25

26 2D Plots Plotten von Wertepaaren: plot(x,y, formatstring ) : rote durchgängige Linie Formatierung der Plots: doc plot 26

27 2D Plots Mittels hold on können mehrere Plots überlagert werden 27

28 Bilder Einlesen und Speichern Bilder sind Matrizen! Grauwert: m x n Farbbild (RGB): m x n x 3 Einlesen von Bildern: imread Kennt alle gängigen Formate (jpg,png,tif, ) Typ der Variable von Bildformat abhängig, in der Regel aber uint8 (0 255) Viele Bildoperationen verlangen Fließkommawerte, daher Umwandlung in double oder single sinnvoll Speichern von Bildern: imwrite 28

29 Bilder - Anzeige Darstellen von Bildern/Matrizen: imshow imshow nimmt Werte zw (uint8) bzw. 0 1 (single, double) an Alles darüber oder darunter wird als schwarz bzw. weiß angezeigt Darzustellender Wertebereich kann in [] angegeben werden Leere [] bedeuten automatische Kontrastanpassung an den Wertebereich der Matrix (min. Wert: schwarz, max. Wert: weiß) 29

30 Bilder - Anzeige Variable bild ist vom Typ uint8 30

31 Bilder - Anzeige imshow erwartet bei double Werte im Bereich 0 1 Die Werte sind aber im Bereich Alle Werte >= 1 werden als weiß dargestellt 31

32 Bilder - Anzeige Mit expliziter Angabe des Bereichs wird das double-bild korrekt dargestellt im2double konvertiert uint8-bilder so, dass das Bild im Bereich 0 1 ist 32

33 Bilder - Anzeige Automatische Anpassung: maximale Kontrastausnutzung 33

34 Bilder - Anzeige Explizite Angabe des Bereichs: alle Werte >= 100 werden weiß dargestellt 34

35 Bilder - Anzeige Explizite Angabe des Bereichs: alle Werte <= 150 werden schwarz dargestellt 35

36 Farbbilder imshow interpretiert m x n x 3 Matrizen als Farbbilder Roter Kanal anzeigen: 36

37 Image Processing Toolbox Import und Export von Bildern Vor- und Nachbearbeitung von Bildern Bildanalysen Anzeige und Auswertung von Bildern und Videos Räumliche Transformationen und Bildregistrierung 37

38 Beispiel: Grauwertumwandlung 38

39 Beispiel: Kantendetektion 39

40 Resizing & Rotation 40

41 Debugging Setzen von Breaktpoints in MATLAB- Skripts (Klick neben Zeilennummer) Die Ausführung der Funktion/Skripts wird am Breaktpoint angehalten Im Command Window können nun Variablen untersucht und verändert werden K: Debug Modus 41

42 Debugging Buttons zur Navigation im Debug-Modus Step, Step in, Continue. Breakpoints können auch mit Haltebedingungen versehen werden 42

43 Wichtige und nützliche Befehle Details zu den Befehlen: siehe Hilfe Länge eines Vektors (Anzahl der Elemente): length Speichern von Variablen in.mat-datei: save Laden von Variablen aus.mat-datei: load Mauscursor mit Anzeige von Pixelkoordinaten und Pixelwerten: impixelinfo Neue Matrix aus Kopien einer Matrix erzeugen: repmat Matrizen zusammenfügen: cat Filter erzeugen: fspecial Bild filtern: imfilter 43

44 Häufige Probleme, Tipps & Tricks Problem: das angezeigte Bild ist komplett weiß/schwarz Das Problem ist wahrscheinlich imshow Ist das Bild wirklich weiß/schwarz? -> Werte der Matrix untersuchen Darzustellenden Wertebereich bei imshow in [] angeben Achtung: In MATLAB sind Matrixkoordinaten ungleich Bildkoordinaten y Funktionen der Image Processing Toolbox arbeiten mit Bildkoordinaten, z.b. impixelinfo x Matrix y Bild x 44

45 Häufige Probleme, Tipps & Tricks Tipp: Möglichkeiten der MATLAB-Programmiersprache ausnutzen Elementweise Operationen multiplizieren der Pixelwerte eines Bildes mit einer Konstante Binäres Bild mit logical-werten, bei denen alle Werte größer 100 auf 1 (true) gesetzt werden alle Werte kleiner 0 auf 0 setzen 45

46 Häufige Probleme, Tipps & Tricks Obwohl MATLAB es erlaubt: Variablen sollten nicht nach Funktionsnamen benannt werden! Das führt zu schwer auffindbaren Fehlern Beispiel: Variable mit selben Namen wie Funktion für Cosinus Berechnet nicht den Cosinus von 2, sondern gibt das Element an der 2. Stelle des Vektors zurück Für Operationen, die Fließkomma-Arithmetik verlangen, keine Integer-Variablen verwenden Keine Fehlermeldung, aber unerwartete Ergebnisse 46

47 3. Übungsbeispiel (Kamerasensoren): Filtern von Bildern 3x3 Nachbarschaft y Bild f(x, y) e x 3x3 Filter a b c d e f g h i Ursprüngliche Pixelwerte * j k l m n o p q r Filter e neu = n e + j a + k b + l c + m d + o f + p g + q h + r i Diese Operation wird für jeden Pixel im Bild durchgeführt, um das gefilterte Bild zu erhalten 47

48 3. Übungsbeispiel (Kamerasensoren): Filtern von Bildern Filtern von Bildern in MATLAB: imfilter bzw. conv2 Beispiel: Interpolieren fehlender Werte (0) über Werte der Nachbarpixel Filter = = 3 bild = imfilter(bild,[ ; ; ], same ); 48

49 Weitere (für die LVA irrelevante) Konzepte von MATLAB Objektorientierte Programmierung Einbindung von C-Code: mex Funktionen GUI-Programmierung Error Handling (try-catch) Arrays von Matrizen unterschiedlicher Größe cells Laufzeitanalyse: Profiler 49

50 Viel Spaß mit MATLAB!