【光电智造】MATLAB机器视觉工具箱的应用

今日光电 2024-05-15 18:04

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今日光电

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。追光逐电，光赢未来...欢迎来到今日光电！

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MATLAB机器视觉工具箱是MATLAB软件的一个扩展工具箱，主要用于处理和分析图像和视频。该工具箱包含了许多用于图像处理、特征提取、目标检测、图像配准、三维重建以及机器学习等领域的算法和函数。MATLAB机器视觉工具箱不仅提供了快速、高效的图像处理工具，还提供了丰富的可视化功能，使用户能够更加直观地了解图像和视频数据。本文将介绍MATLAB机器视觉工具箱的使用方法，并给出5个使用案例。

1、使用方法

1.1安装和启用工具箱

在使用MATLAB机器视觉工具箱之前，需要先安装并启用该工具箱。可以通过以下步骤来安装和启用MATLAB机器视觉工具箱：

（1）在MATLAB软件中，点击“Home”选项卡，然后选择“Add-Ons”选项卡。

（2）在“Add-On Explorer”界面中，选择“Get Add-Ons”选项卡，并搜索“Computer Vision Toolbox”。

（3）选择“Computer Vision Toolbox”后，点击“Install”按钮进行安装。

（4）在安装完成后，可以在MATLAB软件的命令窗口中输入“ver”命令来查看是否已经安装成功。

（5）安装成功后，可以通过在MATLAB命令窗口中输入“cv”命令来启用MATLAB机器视觉工具箱。

1.2图像读取和显示

在MATLAB机器视觉工具箱中，可以使用imread函数来读取图像，使用imshow函数来显示图像。以下是一个简单的示例：

% 读取图像I = imread('lena.png');
% 显示图像imshow(I);

MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于图像处理的函数，例如imresize、imrotate、imcrop等。以下是一个简单的示例：

% 缩放图像J = imresize(I, 0.5);
% 旋转图像K = imrotate(I, 45);
% 裁剪图像L = imcrop(I, [100, 100, 200, 200]);
% 显示结果figuresubplot(2,2,1),imshow(I),title('原始图像');subplot(2,2,2),imshow(J),title('缩放图像');subplot(2,2,3),imshow(K),title('旋转图像');subplot(2,2,4),imshow(L),title('裁剪图像');

1.3 特征提取

MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于特征提取的函数，例如detectSURFFeatures、extractHOGFeatures、extractLBPFeatures等。以下是一个简单的示例：

% 提取SURF特征points = detectSURFFeatures(I);features = extractFeatures(I, points);
% 提取HOG特征[hog, visualization] = extractHOGFeatures(I, 'CellSize', [8 8]);
% 提取LBP特征lbpFeatures = extractLBPFeatures(I);
% 显示结果figuresubplot(2,2,1),imshow(I),title('原始图像');subplot(2,2,2),imshow(I); hold on; plot(points.selectStrongest(50));title('SURF特征');subplot(2,2,3),imshow(visualization),title('HOG特征');subplot(2,2,4),bar(lbpFeatures),title('LBP特征');

1.4目标检测

MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于目标检测的函数，例如trainCascadeObjectDetector、vision.CascadeObjectDetector等。以下是一个简单的示例：

% 训练分类器positiveInstances = objectDetectorTrainingData(gTruth);negativeFolder = fullfile(matlabroot, 'toolbox', 'vision', 'visiondata', 'nonObjectImages');negativeImages = imageDatastore(negativeFolder);trainCascadeObjectDetector('detector.xml', positiveInstances, negativeFolder, 'FalseAlarmRate', 0.1, 'NumCascadeStages', 5);
% 加载分类器detector = vision.CascadeObjectDetector('detector.xml');
% 检测目标bbox = step(detector, I);
% 显示结果figureimshow(I); hold on;for i = 1:size(bbox,1)    rectangle('Position', bbox(i,:), 'EdgeColor', 'r', 'LineWidth', 2);endtitle('检测结果');

1.5图像配准

MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于图像配准的函数，例如imregtform、imwarp、imregister等。以下是一个简单的示例：

% 读取图像I1 = imread('image1.png');I2 = imread('image2.png');
% 提取SURF特征points1 = detectSURFFeatures(I1);points2 = detectSURFFeatures(I2);features1 = extractFeatures(I1, points1);features2 = extractFeatures(I2, points2);
% 匹配特征indexPairs = matchFeatures(features1, features2);
% 选择最佳匹配matchedPoints1 = points1(indexPairs(:,1), :);matchedPoints2 = points2(indexPairs(:,2), :);[tform, inlierPoints1, inlierPoints2] = estimateGeometricTransform(matchedPoints1, matchedPoints2, 'affine');
% 图像配准outputView = imref2d(size(I1));I2Registered = imwarp(I2, tform, 'OutputView', outputView);
% 显示结果figureimshowpair(I1, I2Registered, 'blend');title('图像配准');

1.6 三维重建

MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于三维重建的函数，例如triangulate、pointCloud、pcshow等。以下是一个简单的示例：

% 读取图像I1 = imread('image1.png');I2 = imread('image2.png');
% 提取SURF特征points1 = detectSURFFeatures(I1);points2 = detectSURFFeatures(I2);features1 = extractFeatures(I1, points1);features2 = extractFeatures(I2, points2);
% 匹配特征indexPairs = matchFeatures(features1, features2);
% 选择最佳匹配matchedPoints1 = points1(indexPairs(:,1), :);matchedPoints2 = points2(indexPairs(:,2), :);[tform, inlierPoints1, inlierPoints2] = estimateGeometricTransform(matchedPoints1, matchedPoints2, 'affine');
% 三维重建worldPoints = triangulate(inlierPoints1, inlierPoints2, tform);ptCloud = pointCloud(worldPoints);pcshow(ptCloud);
% 显示结果title('三维重建');

2、使用案例

2.1目标跟踪

目标跟踪是指在视频序列中检测和跟踪一个特定目标的过程。MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于目标跟踪的函数，例如vision.KalmanFilter、vision.PointTracker等。以下是一个简单的示例：

% 读取视频video = VideoReader('traffic.avi');
% 创建点跟踪器tracker = vision.PointTracker('MaxBidirectionalError', 2);
% 选择第一帧图像中的初始点frame = readFrame(video);points = detectMinEigenFeatures(rgb2gray(frame), 'ROI', [100, 100, 300, 300]);points = points.Location;initialize(tracker, points, frame);
% 跟踪目标while hasFrame(video)    frame = readFrame(video);    [points, isFound] = step(tracker, frame);    visiblePoints = points(isFound, :);    oldInliers = oldPoints(isFound, :);    if size(visiblePoints, 1) >= 2        [tform, oldInliers, visiblePoints] = estimateGeometricTransform(oldInliers, visiblePoints, 'similarity');        bbox = [min(visiblePoints) max(visiblePoints) -
min(visiblePoints)];frame = insertShape(frame, 'Rectangle', bbox, 'LineWidth', 2);oldPoints = visiblePoints;setPoints(tracker, oldPoints);endimshow(frame);end

2. 2人脸识别

人脸识别是指在图像或视频中识别出人脸并进行分类的过程。MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于人脸识别的函数，例如vision.CascadeObjectDetector、trainImageCategoryClassifier等。以下是一个简单的示例：

% 读取图像faceDetector = vision.CascadeObjectDetector();I = imread('faces.jpg');
% 检测人脸bbox = step(faceDetector, I);
% 显示结果figureimshow(I); hold on;for i = 1:size(bbox,1)    rectangle('Position', bbox(i,:), 'EdgeColor', 'r', 'LineWidth', 2);endtitle('检测结果');
% 训练分类器imds = imageDatastore('FaceDatabase', 'IncludeSubfolders', true, 'LabelSource', 'foldernames');[trainingSet, testSet] = splitEachLabel(imds, 0.8, 'randomize');bag = bagOfFeatures(trainingSet);categoryClassifier = trainImageCategoryClassifier(trainingSet, bag);confMatrix = evaluate(categoryClassifier, testSet);
% 测试分类器I = imread('test.jpg');[labelIdx, scores] = predict(categoryClassifier, I);label = categoryClassifier.Labels(labelIdx);
% 显示结果figureimshow(I); title(char(label));

2.3 文字识别

文字识别是指在图像或视频中识别出文字并进行识别的过程。MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于文字识别的函数，例如ocr等。以下是一个简单的示例：

% 读取图像I = imread('text.png');
% 进行文字识别results = ocr(I);
% 显示结果figureimshow(I); hold on;for i = 1:length(results.Words)    text(results.WordBoundingBoxes(i,1), results.WordBoundingBoxes(i,2), results.Words{i}, 'FontSize', 20, 'Color', 'r', 'HorizontalAlignment', 'left', 'VerticalAlignment', 'top');endtitle('文字识别结果');

2.4 图像分割

图像分割是指将图像分成若干个不同的区域或对象的过程。MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于图像分割的函数，例如activecontour、kmeans等。以下是一个简单的示例：

% 读取图像I = imread('coins.png');
% 进行图像分割bw = imbinarize(I);D = -bwdist(~bw);D(~bw) = -Inf;L = watershed(D);rgb = label2rgb(L, 'jet', 'w', 'shuffle');
% 显示结果figureimshow(rgb); title('图像分割结果');

2.5 视频稳定

视频稳定是指在视频序列中去除摄像头抖动或手持摄像时的晃动效果。MATLAB机器视觉工具箱提供了许多用于视频稳定的函数，例如opticalFlowFarneback、vision.GeometricTransformEstimator等。以下是一个简单的示例：

% 读取视频video = VideoReader('shaky.avi');
% 创建光流估计器opticFlow = opticalFlowFarneback('PyrScale', 0.5, 'NumLevels', 4, 'NumIterations', 2, 'PolyN', 7, 'PolySigma', 1.5, 'FastPyramids', true);
% 对每一帧图像进行稳定while hasFrame(video)    frame = readFrame(video);    flow = estimateFlow(opticFlow, rgb2gray(frame));    [x, y] = meshgrid(1:size(frame,2), 1:size(frame,1));    warpedFrame = interp2(x, y, double(frame), x+flow.Vx, y+flow.Vy);    tform = vision.GeometricTransformEstimator('Transform', 'Affine');    [tform, intermediatePoints] = step(tform, reshape([x(:) y(:)], [], 2), reshape([x(:)+flow.Vx(:) y(:)+flow.Vy(:)], [], 2));    stabilizedFrame = imwarp(frame, affine2d(tform.T), 'OutputView', imref2d(size(frame)));    imshow(stabilizedFrame);end