数字图像处理实验指导书 1Word文档格式.docx
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结果分析:
总结:
四、实验考核
(1)实验预习情况;
(2)实验签到;
(3)上机实际操作;
(4)实验报告完成情况;
五、实验仪器设备要求
(1)有快速的较高性能微机和较大内存与硬盘的设备;
(2)设备数量能适应学生人数;
(3)有Matlab程序设计环境;
六、教材及参考书
1.李俊山,李旭辉.数字图像处理(第二版)[M].北京:
清华大学出版社,2013.
2.冈萨雷斯著,阮秋琦译,《数字图像处理》(第二版),电子工业出版社.2005年.
3.张志勇等.精通MATLAB6.5.北京航空航天大学出版社.2003.
4.飞思科技产品研发中心.MATLAB6.5辅助图像处理[M].电子工业出版社.2003.
实验一MATLAB基本操作
实验目的
初步掌握MATLAB软件的基本操作方法。
实验内容
1.熟悉MATLAB工作环境
2.掌握MATLAB使用方法
3.掌握MATLAB实用技巧
4.掌握MATLAB编程
1.熟悉MATLAB
1.1
认识MATLAB的工作环境
MATLAB6.1启动后,产生的工作环境界面,如图1所示,包含一个工具栏、三个区域、五个工作窗口,五个工作窗口分别为资源目录窗口(LaunchPad)、工作空间浏览器(Workspace)、命令历史浏览器(CommandHistory)、当前路径浏览器(CurrentDirectory)、命令窗口(CommandWindows)。
这是MATLAB启动后桌面布置方式的缺省设置。
MATLAB的工作窗口是一个标准的Windows界面,用户可以利用菜单命令完成对工作窗口的操作,下面将通过命令窗口菜单栏的逐一介绍来说明这些工作窗口的用法和含义。
命令窗口
图1.1MATLAB工作窗口
(1)MATLAB菜单项
MATLAB窗口从上至下:
第一行是标题,第二行是菜单,第三行是常用命令的图形工具栏(为简单起见,仅介绍菜单选项)
●File菜单
◆New:
M_File打开M_文件
Figure打开图形窗口
◆Model打开模板
◆Open打开已存在的.m文件
◆CloseCommandWindow关闭命令窗口
◆ImportData导入一个数据文件
◆SaveWorkspaceAs…将命令窗内容保存
为一个.mat文件
◆SetPath…打开PathBrower窗口,可添
加MATLAB的搜索路径
◆Preferences设置文档的格式
◆Print打印命令窗口的内容
◆PrintSelection打印所选内容
◆ExitMATLAB退出MATLAB
图1.2命令窗口File菜单
●Edit菜单
◆Undo删除上次操作
◆Redo恢复上次操作
◆Cut剪切
◆Copy复制
◆Paste粘贴
◆PasteSpecia选择性粘贴
◆SelectAll选择所有操作
◆Delete…删除
◆ClearCommandWindows清空命令窗口
◆ClearCommandHistory清空历史命令
◆ClearWorkspace清除工作空间的变量
●Wiew菜单
◆DisktopLayout:
Default默认布置方式
◆UndockCommandWindow将命令窗口设成独立窗口
◆CommandWindows打勾表示只显示命令窗口
◆CommandHistory显示命令历史窗口
◆CurrentDirectory显示当前路径窗口
◆Workspac显示工作空间浏览器
◆LaunchPad显示启动平台窗口
◆Help…帮助
图1.3命令窗口Edit菜单
图1.4命令窗口View菜单
●Web菜单
◆TheMathWorksWebSiteMathWorks公司主页
◆TechnicalSupportKnowledgeBase技术支持库
◆Products产品信息
◆Membership是否加入MATLAB会员
图1.5命令窗口Web菜单
●Windows菜单
当打开多个MATLAB窗口时,此菜单可使用户方便地在打开的窗口间切换。
●Help菜单
◆FullProductsFamilyHelp显示所有组件的帮助
◆MatlabHelp显示帮助文件
◆UsingTheDesktop产品信息
◆UsingtheCommandWindow是否加入MATLAB会员
图1.6命令窗口Help菜单
(2)MATLAB历史命令窗口
图1.7历史命令窗口
在历史窗口(CommandHistory)中保留用户在MATLAB命令窗中所输入过的全部命令,在这个窗口中可以实现几个主要的功能是:
单行或多行命令的复制
在命令历史窗口用鼠标选定所要拷贝的命令,用右键弹出上下文菜单,选中Copy项,然后可以用Ctrl+V将其复制到命令窗口或任何地方。
单行命令的运行
选中单行命令,用右键弹出上下文菜单,选中EvaluateSelection,即会在命令窗口运行该行命令,也可直接双击该行命令,随即在命令窗口看到运行结果;
多行命令的运行
方法同于单行命令;
选中多行命令,用右键弹出上下文菜单,选中EvaluateSelection,即会在命令窗口运行该多行命令;
把多行命令写成M文件
选中多行命令,用右键弹出上下文菜单,选中CreateM-File菜单项,就引出M文件编辑器,并将多行文本拷入,再利用M文件编辑器的操作保存即可。
(3)MATLAB工作空间窗口
图1.8Workspace窗口
又称内存浏览器,在其中保存着在命令窗口输入过的所有命令和结果,主要功能是内存变量的查阅、保存和编辑。
点亮所要操作的变量,用右键弹出上下文菜单,可以对变量进行删除、保存、画波形等操作。
(如图1.9所示)
图1.10变量编辑窗口
图1.11变量b的二维波形图
图1.9工作空间窗口
选中OpenSelection菜单项,则引出ArrayEditor编辑器,所点中的变量出现在该编辑器中。
(如图1.10所示)
选中GraphSelection|Special2-Dgraphis项,则得到该变量的图形(如图1.11所示)
选中DeleteSelection项,则删除该变量。
选中ClearWorkspace则删除全部内存变量。
选中SaveWorkspaceAs则保存全部内存变量。
点亮某些变量,选中SaveSelection,可以把这几个变量保存到数据文件中。
(4)MATLAB当前路径窗口
当前路径窗口用于随时显示系统当前目录下的MATLAB文件信息,可以通过它来管理文件,具体操作将在3.2节中介绍。
图1.12MATLAB当前路径窗口
工作空间窗口
(5)MATLAB资源目录窗口
资源目录窗口用于将当前系统中安装的所有MATLAB产品说明、演示、帮助信息的目录集成起来,方便用户查询。
图1.13MATLAB资源目录窗口
2.MATLAB使用方法
◆◆◆◆◆以下将通过一个简单的示例来引导读者快速地学会使用MATLAB。
此例为生成一个图形sin(t),t
[0,2
]。
MATLAB有两种工作方式生成该图形。
●输入命令行方式
就是在MATLAB命令窗口直接输入简单的命令并执行。
(1)启动MATLAB
点击屏幕上的MATLAB图标,进入MATLAB工作窗口,见图1.1,其中命令窗口是MATLAB的主窗口。
(2)在命令窗口中输入命令
命令窗口中大部分空白区域为命令输入区。
在这个区域内,上面的两行字是提示信息。
左下为闪烁光标,等待用户键入命令。
键入命令后,MATLAB运行并显示结果。
下面,在命令输入区中键入:
t=0:
1*pi/100:
2*pi;
plot(t,sin(t))
如图1.14所示
图1.14在MATLAB命令窗口输入命令
则出现图形输出窗口,如图1.15所示。
图1.15MATLAB图形输出窗口
说明:
分号“;
”的三个作用:
当它在方括号内时,是矩阵行间的分割符;
在指令与指令之间时,是分割符;
当它在赋值指令后时,该指令执行后的赋值结果不显示在屏幕上。
逗号“,”的三个作用:
当它在括号内时,是矩阵元素间的分割符或输入参数间的分割符;
当它在赋值指令后时,该指令执行后的赋值结果将显示在屏幕上。
指令中的“pi”在MATLAB中代表
是一个拥有16位有效数字的近似值;
指令中的“i”在MATLAB中代表虚数单位,“pi”和“i”都是MATLAB的预定义变量。
在MATLAB中“%”以后的内容作为注释,对MATLAB的运算不产生任何影响。
在每个指令输入行后按回车键,该指令被MATLAB执行。
被赋值过的变量,不管是否在屏幕上显示过,都存放在MATLAB的工作空间(workplace)
注意MATLAB函数用小写字母(如:
sin求正弦值函数),变量区分大小写(如:
x和X在MATLAB中是不同的变量)
由此可见,MATLAB有编程简单、图形功能强大的优点。
这种直接在命令窗口输入几行程序并且运行的方式称为命令行方式,适合编几行语句,解决小问题。
对于比较复杂的问题,可以编写一段程序,保存为*.m的文件,然后运行该文件来解决。
这就是程序方式。
●编辑命令文件方式
如果经常对输入的多行命令重复执行,就要对这些命令重复输入,利用命令文件就很简单:
就是在MATLAB编辑/调试窗口中,将要输入的所有指令按顺序放在一个扩展名为*.m的文本文件中,每次运行只在MATLAB命令窗口输入文件名即可。
(1)启动编辑/调试器
在MATLAB命令窗口中点击“File”“New”“M-file”,即进入编辑/调试窗口,见图1.16。
直接利用按钮工具栏中的按钮New或Open;
在命令窗口中输入Edit命令
图1.17进入MATLAB编辑/调试窗口
(2)编辑程序并保存
在编辑/调试窗口的空白区内输入
plot(t,sin(t))
然后保存文件,点击
,在弹出的对话框内输入文件名为“xh2”,点“Save”按钮,则程序存为“xh2.m”文件,见图1.18。
图1.18保存MATLAB文件
(3)执行程序
需要执行程序时,只要回到命令窗口中,直接键入文件名“xh2”,执行结果见图1.19
图1.19运行程序
MATLAB的这一编辑器主要用来编辑M文件。
当一组命令通过改变某个变量的值就可以反复使用去解决不同的问题时,可以利用M文件编辑器。
3.MATLAB实用技巧
3.1
读入、保存数据
●在MATLAB命令窗口中直接输入矩阵,这是最方便快捷的方式。
例如在MATLAB命令窗口中输入:
a=[23;
456;
789]
则其输出结果为:
a=
123
456
789
注意,输入时a的每一行元素用逗号或空格分开;
行与行用分号隔开,用方括号把所有元素括起来。
●将外部数据文件装入
利用save-load命令可以读取由其它应用程序产生的数据。
例如在命令窗口键入
>
savexh3a%将内存变量a保存在文件xh3中去
clear%清除全部内存变量
who%查阅内存变量(应该找不到任何变量)
loadxh3a%把xh3.mat中的变量a装入内存
who%可以看到变量a已经出现在内存中
装入数据也可以利用File菜单,在File菜单中,ImportData…不但可以加载.mat文件,而且可以加载.jpg和.gif等多种格式的文件。
3.2
设置MATLAB的搜索路径
MATLAB采用路径搜索的方法来查找文件系统中的M文件,如果想将M文件保存在自己的目录中,并在MATLAB中输入文件名就能运行,就要修改的当前工作目录和搜索路径,步骤如下:
(1)在图1.12的当前路径窗口,单击“浏览”按钮,如图1.20。
图1.20切换到当前路径窗口
(2)在浏览文件夹对话框中选择要加入目录,单击“确定”。
如图1.21
图1.21浏览文件夹对话框
(3)在图1.21的当前工作路径中出现所选的目录如下图所示
图1.22修改后的当前工作目录
(4)在命令窗口中点击
或输入pathtool命令打开设置搜索路径对话框如图1.23
图1.23SetPath对话框
(2)在SetPath对话框中单击“AddFolder”按钮,打开如图1.21所示的浏览文件夹对话框,选择要加入目录,单击“确定”。
(3)在SetPath对话框中,单击“Save”按钮,将添加的目录包含在搜索路径中,如图1.24所示。
图1.24保存设置的路径
3.3
编辑函数文件
MATLAB提供了编辑/调试窗口作为编辑和调试M文件的工作界面(如图6.23所示),M文件有两种形式:
一种是命令文件,如在6.1.2节中介绍过的xh2.m文件;
一种是函数文件,是文件的开头第一行为function的文件。
它这两种文件的类似之处在于:
扩展名都为“.m”,都是由文本编辑器创建的外部文件;
区别在于:
命令文件的变量在程序执行完后仍然保留在内存中,而函数文件内部定义的变量在程序执行完后将被清除。
建立函数文件
在编辑/调试窗口键入:
function[m]=mean(a);
%定义函数mean,a为输入参数,m为返回参数
l=length(a);
%计算输入向量a的长度
m=sum(a)/l;
%计算输入向量a的均值,并赋值给输出变量m
上述函数文件定义了一个新的函数mean其作用是对指定向量求均值,并通过变量m返回结果。
注意:
函数文件必须以关键字“function”开头,函数文件的第一行为函数说明语句,其格式为:
function[返回参数1,返回参数2,…]=函数名(输入参数1,输入答数2,…)
保存函数文件
保存的函数文件名应与用户定义的函数名一致,此例中定义的函数名为“mean”,则文件保存为“mean.m”
调用函数文件
在命令窗口输入:
a=1:
3;
b=mean(a)
显示结果:
b=2
3.4
常用的控制命令及功能说明
表1命令窗口常用的控制命令
命令
功能
clear
清除内存中所有的或指定的变量和函数
cd
显示和改变当前工作目录
clc
清除MATLAB命令窗口中所有显示的内容
clf
清除当前窗口中的图形
dir
列出当前或指定目录下的子目录和文件清单
disp
在运行中显示变量或文字类型
echo
控制显示运行的文字命令
hold
控制保持当前的图形窗口
home
清除命令窗口中所有显示的内容,并把光标移至窗口左上角
quit
关闭并退出MATLAB
type
显示所指定文件的全部内容
exit
退出MATLAB
使用帮助命令
MATLAB为用户提供了强大的在线帮助功能,用户可以通过在线帮助轻松入门,并在帮助信息的指导下逐步熟练掌握MATLAB的应用。
获取帮助信息有如下两种方式:
.利用帮助菜单获取帮助信息
单击MALAB命令窗口菜单栏的[Help]菜单项,弹出帮助菜单选顶,选择[MatlabHelp]选项,则打开如图1.25所示的MATLAB帮助主题窗口。
该窗口列出了MATLAB的所有帮助主题,双击相关主题即可打开有关该主题的进一步详细说明。
图1.25MATLAB帮助窗口
通过命令窗口获取帮助信息
通过在命令窗口直接键入帮助命令也可获取MAnAB的在线帮助信息。
帮助命令如下:
表2常用帮助命令
help
列出MAILJLB的所有帮助主题
helpwin
打开MATLAB的帮助主题窗口
helpdesk
打开MATLAB的帮助工作合
helphelp
打开有关如何使用帮助信息的帮助窗口
Help+函数名
查询函数(或主题)的相关信息
3.5
使用演示功能(Demo)
MATLAB带有生动直观的演示程序,以帮助用户学习和理解MATLAB的强大功能。
启动MATLAB的演示程序可通过如下方式:
在MATLAB的命令窗口中键命令Demo,可打开如图1.26所示的演示程序窗口
图1.26MATLAB演示程序窗口
该窗口左边列出了演示程序的主题,右边则列出了该主题的相关演示项目。
例如在窗口左边选择(可视化)演示主题“
”,然后单击窗口右边的“
”演示项目,则打开如图1.27所示的演示窗口,运行MATLAB的设计滤波器演示程序。
在形象直观的交互式演示过程中,用户不仅能更加深刻地体会到MATLAB强大功能.还能了解到演示程序的相应MATLAB命令。
图1.27MATLAB滤波器设计演示窗口
4.MATLAB编程语言
4.1
MATLAB变量
MATLAB通过变量名来调用变量,变量的命名规则同C语言:
以字母开头,由字母、下划线和数字组成,注意区分大小写,长度不超过31个。
4.2
MATLAB常用运算符(如表3)
表3常用运算符
算术运算符
运算功能
+
加法
-
减法
/(./)
矩阵右除(矩阵元素右除)
\(.\)
矩阵左除(矩阵元素左除)
*(.*)
矩阵乘(矩阵元素乘)
∧(.∧)
矩阵求幂(矩阵元素求幂)
()
优先运算,下标,输入变量
[]
生成矩阵,放输出变量
%
注释符
‘
矩阵求共轭转置
关系运算符
==
等于
~=
不等于
<
=
小于等于
大于等于
大于
小于
逻辑运算符
&
逻辑与
|
逻辑或
~
逻辑非
4.3
MATLAB常用的数学运算函数
表4常用数学运算函数
常用运算函数名
sin(x)
正弦
cos(x)
余弦
tan(x)
正切
exp(x)
指数
imag(x)
复数的虚部
real(x)
复数的实部
conj(x)
复数的共轭
log(x)、log2(x0、log10(x)
以自然数e(2、10)为底的对数
sqrt(x)
平方根
round(x)
四舍五入取整
max(x)
取数组的最大值
min(x)
取数组的最小值
mean(x)
取数组的平均值
std(x)
取数组的标准差
sum(x)
数组求和
◆函数的调用格式为:
[输出参数1,输出参数2,…]=函数名(输入参数1,输入参数2,…)
4.4
MATLAB常用作图函数
表5常用作图函数
函数名
图形表现形式
plot(x),plot(x,y)
将点用线连起来的连续波形
stem(x)
离散序列波形
subplot(n1,n2)
将图形窗口分隔为n1*n2个
保留目前图形
figure(n)
打开一个新的图形窗口
grid
画成网格形
title(‘字符串’)
给图形加标题
xlable(‘字符串’)
给图形窗口x轴加标题
给图形窗口y轴加标题
例如:
画平面图,在命令窗口输入:
X=1:
5;
Y=[0.7,0.5,0.2,-0.4,0.6];
plot(X,Y)%画连线图,见图1.28
plot(X,Y,'
*'
)%画散点图,见图1.29
图1.29散点波形图
图1.28连续波形图
4.5
MATLAB程序结构
与大多数计算机语言一样,MATLAB提供了设计程序所必须的三种基本程序结构:
顺序结构、循环结构及分支结构。
顺序结构
MATLAB的顺序结构就是由表达式构成的语句,语句之间用逗号或分号隔开,这些语句按顺序执行。
当表达式后面接分号时,表达式的结果不显示出来,保留在内存中。
循环结构
MATLAB的循环结构就是根据一定的条件多次重复执行的一段指令。
循环控制由for和while语句实现。
●for
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