Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Grundlagen der Bildverarbeitung WS 2011/2012: Matlab Einführung

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung Daniel Fecker

2 1. Umgebung 2. Ausdrücke 3. Matrizen 4. Skripte und Funktionen 5. Grafiken 6. Bilder in Matlab 7. Bildverarbeitung in Matlab (Image Processing Toolbox) 8. Links Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 2/42

3 1. Umgebung Benutzer: cipuser1 cipuser18 Password: pic1 pic18 (auf IfNCIP und nicht lokal) MATLAB R21a vom Desktop starten >> demo Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 3/42

4 2. Ausdrücke Variablen Zahlen Operatoren Vordefinierte Funktionen und Konstanten Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 4/42

5 Variablen Variablen sind Zeichenketten von denen Matlab maximal 31 Zeichen berücksichtigt. Matlab unterscheidet Groß- und Kleinschreibung!!! Variablen können mit dem Gleichheitszeichen (=) Werte (meist Matrizen) zugeordnet werden. >> A=22; >> B=2.2 B = 2.2 >> C=A-B C = Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 5/42

6 Zahlen Zahlen werden in Dezimalschreibweise mit einem (optionalen) Punkt und führendem Vorzeichen (+/-) angegeben, Oder in wissenschaftlicher Darstellung mit einem e oder E zwischen Mantisse und Exponent. Komplexe Zahlen können mit i oder j als imaginäre Einheit angegeben werden. Intern arbeitet Matlab mit doppeltgenauen Fließkommazahlen, d.h. mit einer endlichen Genauigkeit von ca. 16 signifikanten Dezimalstellen. Der mögliche Bereich von Zahlen erstreckt sich von 1.E-38 bis 1.E Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 6/42

7 Operatoren I Matlab kennt die arithmetischen Standardoperatoren und deren Ausführungsregeln, die für Zahlen (Skalare) und Matrizen gelten: + Addition und Matrixaddition - Subtraktion und Matrixsubtraktion * / bzw. \ ^ Multiplikation und die nicht kommutative Matrixmultiplikation Division und die Matrixrechts- bzw. Linksdivision Potenzieren von Zahlen und Matrizen Komplex konjugierte, transponierte Matrix Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 7/42

8 Operatoren II Sollen die Operationen elementenweise auf Matrizen angewendet werden, verwendet man die Punkt-Operatoren.* Elementenweise Multiplikation zweier Matrizen./,.\ Elementenweise Division zweier Matrizen.^ Elementenweise Exponentation zweier Matrizen. Nicht komplex konjugierte, transponierte Matrix Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 8/42

9 Vordefinierte Funktionen und Konstanten Eine Liste der elementaren Funktionen erhält man in Matlab mit: >> help elfun Eine Liste speziellerer Funktionen mit: >> help specfun Eine Liste besonderer Funktionen für Matrizen mit: >> help elmat Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 9/42

10 3. Matrizen Elementare Operationen Zugriff auf Matrix-Elemente Vektoren Vektorisierung und Schleifen Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 1/42

11 Elementare Operationen I Wertzuweisung: Elemente zeilenweise in eckigen Klammern vorgeben (Zeilen mit Semikolon getrennt). A = [ ; 5,6,7,8] A = [ ] A = [1:4; 5:8] A = Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 11/42

12 Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 12/42 Elementare Operationen II Null- bzw. Eins-Matrizen: Angabe der Matrixdimensionen: Zeile, Spalte. = B B= ones(2,4) C = zeros(3,3) = C C = zeros(3)

13 Elementare Operationen III Zahlenreihen: von:schrittweite:bis bzw. von:bis E= 5:-.5:4 E = ( ) F= 1:5 F = ( ) Diagonalmatrizen D= diag(1:3) D 1 = Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 13/42

14 Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 14/42 Zugriff auf Matrix-Elemente I Zugriff auf Einzelelemente: A(zeile, spalte) = wert Matrixbereiche ansprechen = 5 A = A A = zeros(2,4); A(2,3) = 5 = 5 A A(1:2,1:2) = ones(2,2)

15 Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 15/42 Zugriff auf Matrix-Elemente II Beim Überschreiten der Indexgrenzen wird die Matrixgröße angepasst = 2 5 A = 5 A A(3,1) = 2

16 Vektoren - 1D-Matrizen Vektoren = 1D-Matrizen Spaltenvektor Zeilenvektor Vektoren/Matrizen transponieren: A' Spaltenvektor = Zeilenvektor' A = 1:3; B = A' A= ( ) B = Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 16/42

17 Vektorisierung und Schleifen I Um einen Vektor oder eine Matrix zu besetzten, können alle Elemente der Reihe nach in einer Schleife mit dem for end Konstrukt zugewiesen werden. Soll z.b. von allen Werten zwischen und 2*pi in Schritten von.6 der Sinus gebildet und in einem Vektor S gespeichert werden, kann man folgende Befehle eingeben: i=; for t= :.6 : 2*pi i=i+1; S(i)=sin(t); end Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 17/42

18 Vektorisierung und Schleifen II Die Länge des Vektors S ist bei Beginn der Schleife unbestimmt. Matlab muss also bei jedem Durchlauf der Schleife Speicher beschaffen. Funktionen wie sin verarbeiten ganze Vektoren als Argument und geben auch Vektoren aus. Hierbei werden optimierte Verfahren eingesetzt, die sehr viel schneller als Schleifen arbeiten. t=[:.6:2*pi]; S=sin(t) Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 18/42

19 Matlab-optimiert programmieren (for-) Schleifen werden sehr ineffizient ausgeführt! Schleifen vermeiden wo immer es geht! Nahezu alle Funktionen akzeptieren sowohl skalare als auch vektorielle Eingaben. Statt für alle Elemente eines Vektors eine Operation einzeln durchzuführen, kann die Operation einmal auf dem gesamten Vektor angewandt werden Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 19/42

20 4. Skripte und Funktionen Skripte Funktionen Anweisungen: if; switch ;for; while Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 2/42

21 Skripte I Skripte sind Textdateien, die einfach zeilenweise eine Folge von Matlab- Befehlen enthalten. Diese Dateien können einfach mit dem Text-Editor erstellt und mit einem Namen der Form name.m als m-file abgespeichert werden. In einem Matlab-Fenster wird dann die Folge der Matlab-Befehle abgearbeitet, wenn der Dateiname name (ohne.m) eingegeben wird Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 21/42

22 Skripte II Die Datei muss im Suchpfad enthalten sein. An Skripte lassen sich keine Parameter übergeben. Definierte Variable werden im globalen Workspace abgelegt, auf welchen vom Skript auch zugegriffen werden kann Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 22/42

23 Funktionen I Funktionen werden wie Skripte erzeugt, abgespeichert und aufgerufen. Es lassen sich aber Parameter übergeben, lokale und globale Variablen und lokale Unterprogramme erzeugen Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 23/42

24 Funktionen II Funktionsdefinition function var = fname(p 1,p 2,...) function ist ein Schlüsselwort var ist eine beliebig benannte Ausgabevariable p 1,p 2, sind die Übergabeparameter Kommentare Kommentar-Zeichen ist %-Zeichen Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 24/42

25 Funktionen III function W=linear(Z) %LINEAR linare Funktion % LINEAR(Z) berechnet die lineare Funktion % mit den Parametern: a=1/2*exp(i*pi/3); b=1+i; W=a.*Z+b; Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 25/42

26 Anweisungen: if, else, elseif if logische Bedingung 1 Matlab-Befehle elseif logische Bedingung 2 Matlab-Befehle... else Matlab-Befehle... end Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 26/42

27 Anweisungen: switch, case switch Ausdruck case Wert1 Matlab-Befehle case Wert2 Matlab-Befehle... otherwise Matlab-Befehle end Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 27/42

28 Anweisungen: for-schleifen for index=anfangswert:schrittweite:endwert Matlab-Befehle end Die Schrittweite muss nicht angegeben werden und ist dann 1. Sie kann positiv oder negativ gewählt werden.!!! Vektorisierte Statements sind oft viel schneller als Schleifen.!!! Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 28/42

29 Anweisungen: while-schleifen while Bedingung Matlab-Befehle end break beendet while- und for-schleifen Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 29/42

30 5. Grafiken Grafiken werden in Matlab in einem Extrafenster dargestellt. Das Fenster hat eine Nummer, die mit dem Kommando gcf herausgefunden wird. Ein neues Fenster lässt sich mit dem Kommando figure erzeugen. Hat dieses die Nummer n, kann man es jederzeit mit figure(n) zum aktuellen Fenster machen, in welches geplottet wird Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 3/42

31 2D-Grafiken plot fplot loglog semilogx semilogy fill Standard 2D-Plot mit linearen Achsen Funktions-2D-Plot mit linearen Achsen Doppeltlogarithmischer Plot Plot mit logarithmischer X-Achse Plot mit logarithmischer Y-Achse Plot von Polygonen Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 31/42

32 2D-Grafiken: Beispiel x=-pi:.1:pi; y=sin(x); plot(x,y) oder fplot('sin(x)',[-pi pi]) Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 32/42

33 3D-Grafiken plot3 mesh plotsurf contour pcolor surfc Analogon zum 2D plot-kommando. Eignet sich zur parametrischen Darstellung von Kurven im Raum. Gitterlinen- oder Netz Flächenplot Kontur- oder Höhenlinenplot Pixelplot Flächen- und Konturplot Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 33/42

34 3D-Grafiken: Beispiel t=[-1:.1:1]; x=sin(t); y=cos(t); plot3(x,y,t) Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 34/42

35 Nützliche Befehle zum Aufräumen close all Schließen aller geöffneten Figures clc clear Löschen aller Ausgaben im Command Window Löschen aller Variablen im Workspace Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 35/42

36 6. Bilder in Matlab imshow(i,[ ]): Matrix I als Graustufenbild darstellen. Bilder laden: A = imread('bildname.tif'); Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 36/42

37 Befehle axis image imshow imread imwrite Koordinatenachse Bildanzeigen mit Koordinatenachse Bildanzeigen mit Koordinatenachse Einlesen von Bilddateien Schreiben von Bilddaten Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 37/42

38 Beispiel I I = imread('rice.png'); J = imnoise(i,'salt & pepper',.5); figure(1);imshow (I) figure(2);imshow (J) imwrite (J, 'rice_noise.bmp'); Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 38/42

39 7. Bildverarbeitung in Matlab Die Toolboxen beinhalten zahlreiche anwendungsspezifische Diagrammtypen, Darstellungsfunktionen und interaktive Schnittstellen zur Anzeige und Auswertung von Ergebnissen. Bildverarbeitung Image Processing Toolbox Signalverarbeitung Signal Processing Toolbox Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 39/42

40 Operationen Filterung und Entwurf zweidimensionaler Filter Morphologische Operationen an Schwarzweißbildern Rauschunterdrückung und Verbesserung der Bildqualität Bildumwandlungen Bildanalyse und Statistik Blockverarbeitung Geometrische Operationen Bearbeitung der Farbpalette Verarbeitung ausgewählter Bereiche Konvertierung des Farbraums Unterstützung von 8- und 16-Bit Integer- oder double precision-daten Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 4/42

41 8. Links (z.b. user community) Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 41/42

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Dipl.-Ing. Daniel Fecker Daniel Fecker Grundlagen der Bildverarbeitung WS 211/212: Matlab Einführung 42/42