Einfhrung in MATLAB Sebastian Zambanini Computer Vision Lab - - PowerPoint PPT Presentation

Einführung in Visual Computing

Einführung in MATLAB

Sebastian Zambanini Computer Vision Lab Institut f. Rechnergestützte Automation TU Wien

Überblick

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 2

MATLAB-Übungen

• Benötigte Tools für die Übung: MATLAB und Blender
• Blender-Einführung morgen (11.3.2015)
• Angaben für MATLAB-Einführungs-

beispiel 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,…)

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 3

• 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

Was ist MATLAB?

4 Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 5

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 6

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

http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf 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
• www.informatik-forum.at
• Tutoren im Pac-Man-Raum (Favoritenstrasse) zu den betreuten

Übungszeiten

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 7

Benützung von MATLAB für die LVA

• Lokale Installation auf eigenem Rechner
• MATLAB-Studentenversion für Windows, Mac und Linux über

ZID erhältlich (€ 13,90): http://www.sss.tuwien.ac.at/sss/mla/

• 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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 8

MATLAB Desktop

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 9

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

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 10

Datei mytest.m:

MATLAB Editor

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 11

Skript starten (alternativ F5 drücken)

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 12

Dateneingabe - Vektoren

• Eingabe der Werte in
• Trennen der Spalten mittels ,
• der Leerzeichen
• Trennen der Zeilen mittels ;
• Zahlenreihen: von:schrittweite:bis bzw. von:bis

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 13

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)
• …

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 14

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 15

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 :

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 16

Zugriff auf Matrix- oder Vektor-Elemente

• Zugriff auf Elemente kann auch

über logische Indizierung erfolgen

• Benutzung einer logischen

Indexvariable derselben Größe

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 17

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 18

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 19

Datei absdiff.m:

Workspace

• Alle über Skripts oder Command

Window erzeugten Variablen bleiben im Workspace, bis sie überschrieben

• der 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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung

20

• Löschen von Variablen: clear variable
• Löschen aller Variablen: clear all

Programmflusssteuerung

• while-Schleife
• for-Schleife
• if-else-Block

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 21

Operatoren

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 22

< kleiner > größer <= kleiner gleich >= größer gleich == gleich ~= ungleich Vergleichsoperatoren + Addition

• Subtraktion

* Matrix-Multiplikation / Matrix-Division ^ Matrix-Potenzierung .* Elementweise Multiplikation ./ Elementweise Division .^ Elementweise Potenzierung Arithmetische Operatoren Vergleichsoperatoren können auch element- weise angewendet werden: Unterschied zw. Matrix-Multiplikation und elementweiser Multiplikation:

Vektorisierung

• Nahezu alle Funktionen akzeptieren sowohl skalare als auch

mehrdimensionale Eingaben

• (for-) Schleifen werden sehr ineffizient ausgeführt
• Schleifen können großteils vermieden werden

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 23

Dauert 4,38 s Dauert 0,02 s

Visualisierung

• MATLAB stellt leistungsfähige Funktionen und Tools zur

Visualisierung von Daten bereit, unter anderem:

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 24

2D Plots Bilder Mehrere Abbildungen 3D Plots

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,…)

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 25

2D Plots

• Plotten von Wertepaaren: plot(x,y,‘formatstring‘)
• : rote durch-

gängige Linie

• Formatierung der

Plots: doc plot

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 26

2D Plots

• Mittels hold on können mehrere Plots überlagert werden

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 27

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,…)

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 28

• 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

Bilder - Anzeige

• Darstellen von Bildern/Matrizen: imshow
• imshow nimmt Werte zw. 0…255 (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)

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 29

Bilder - Anzeige

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 30

• Variable bild ist vom Typ

uint8

Bilder - Anzeige

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 31

• imshow erwartet bei

double Werte im Bereich 0…1

• Die Werte sind aber im

Bereich 0…255

• Alle Werte >= 1 werden als

weiß dargestellt

Bilder - Anzeige

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 32

• Mit expliziter Angabe des

Bereichs 0…255 wird das double-Bild korrekt dargestellt

• im2double konvertiert

uint8-Bilder so, dass das Bild im Bereich 0…1 ist

Bilder - Anzeige

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 33

• Automatische Anpassung:

maximale Kontrastausnutzung

Bilder - Anzeige

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 34

• Explizite Angabe des

Bereichs: alle Werte >= 100 werden weiß dargestellt

Bilder - Anzeige

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 35

• Explizite Angabe des

Bereichs: alle Werte <= 150 werden schwarz dargestellt

Farbbilder

• imshow interpretiert m x n x 3

Matrizen als Farbbilder

• Roter Kanal anzeigen:

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 36

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 37

Beispiel: Grauwertumwandlung

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 38

Beispiel: Kantendetektion

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 39

Resizing & Rotation

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 40

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 41

Debugging

• Buttons zur Navigation im Debug-Modus
• Step, Step in, Continue….
• Breakpoints können auch mit Haltebedingungen versehen

werden

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 42

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 43

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

• Funktionen der Image Processing

Toolbox arbeiten mit Bildkoordinaten, z.B. impixelinfo

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 44

Matrix x y Bild y x

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 45

Häufige Probleme, Tipps & Tricks

• Obwohl MATLAB es erlaubt: Variablen sollten nicht nach

Funktionsnamen benannt werden!

• Das führt zu schwer auffindbaren Fehlern
• Beispiel:
• Für Operationen, die Fließkomma-Arithmetik verlangen, keine

Integer-Variablen verwenden

• Keine Fehlermeldung, aber unerwartete Ergebnisse

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 46

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

• 3. Übungsbeispiel (Kamerasensoren): Filtern von

Bildern

j k l m n

• p

q r

x y Bild f(x, y)

eneu = n∙e + j∙a + k∙b + l∙c + m∙d + o∙f + p∙g + q∙h + r∙i

Filter

3x3 Nachbarschaft e 3x3 Filter

a b c d e f g h i

Ursprüngliche Pixelwerte

*

Diese Operation wird für jeden Pixel im Bild durchgeführt, um das gefilterte Bild zu erhalten

47 Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung

• 3. Übungsbeispiel (Kamerasensoren): Filtern von

Bildern

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 48

• Filtern von Bildern in MATLAB: imfilter bzw. conv2
• Beispiel: Interpolieren fehlender Werte (0) über Werte

der Nachbarpixel

Filter 5∙0 + 0∙0.25 + 10∙0 + 0∙0.25 + 3∙1 + 0∙0.25 + 4∙0 + 0∙0.25 + 2∙0 + 0∙0 = 3 bild = imfilter(bild,[0 0.25 0;0.25 1 0.25;0 0.25 0],‘same‘); 0∙0 + 5∙0.25 + 0∙0 + 7∙0.25 + 0∙1 + 3∙0.25 + 0∙0 + 4∙0.25 + 0∙0 = 4.75

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

Sebastian Zambanini - EVC - MATLAB Einführung 49

Viel Spaß mit MATLAB!