1．实验目的

（1）掌握MATLAB基本语法

（2）掌握使用MATLAB进行图像、音频文件的基本使用与分析方法

2．实验内容

（1）MATLAB基本语法；

（2）MATLAB信号处理基础；

3．实验原理

（1）MATLAB基本语法

　　MATLAB的变量名以字母打头，后最多可跟19个字母或数字，不能使用内部函数或命令名作为变量名；MATLAB中的变量名区分大小写。

　　MATLAB的基本单位是矩阵。

常用命令：

dir：列出当前目录下的所有文件

clc：清除命令窗

clear all：清除环境（从内存中清除所有变量）

who：将内存中的当前变量以简单形式列出

close all：关闭所有的Figure窗口

（2）MATLAB信号处理基础

　　离散傅里叶、离散余弦和离散小波变换是图像、音频信号常用基础操作，时域信号转换到不同变换域以后，会导致不同程度的能量集中，信息隐藏利用这个原理在变换域选择适当位置系数进行修改，嵌入信息，并确保图像、音频信号经处理后感官质量无明显变化。

4．实验记录

（1）MATLAB基本语法

1、变量赋值

1）表达式赋值

图1.1.1 表达式赋值

2）矩阵赋值

　　数值通常按行输入，行之间用分号隔开。

图1.1.2 矩阵赋值

3）通过引用特定的位置可以单独改变某个矩阵元素

图1.1.3 通过特定的位置单独改变某个矩阵元素

4）引用已定义的矩阵，重新定义一个新矩阵

S为3）步骤定义的矩阵

图1.1.4 引用已定义的矩阵，重新定义一个新矩阵

2.整数操作

1）fix(x)：截尾取整

图1.2.1 将3.12的小数部分去除只保留整数部分3

2）floor(x)：不超过x的最大整数（高斯取整）

图1.2.2 通过高斯取整将3.12、-3.12取没有超过他们的整数

3）ceil(x)：大于x的最小整数

图1.2.3 取3.12、-3.12比它们大的最小整数

3.随机序列常用命令

1）rand：均匀分布随机矩阵

rand　　　　　　 无变量输入时只产生一个随机数

y=rand(n)　　　　生成n*n随机矩阵，其元素在（0，1）内

y=rand(m,n)　　   生成m*n随机矩阵，其元素在（0，1）内

图1.3.1 生成一个3*4的随机矩阵

2）randn：正态分布随机矩阵

randn                   　　      无变量输入时只产生一个正态分布随机数

y=randn(n)                　　 生成n*n正态分布随机矩阵

y=randn(m,n)                    生成m*n正态分布随机矩阵

图1.3.2 产生一个均值为0.6，方差为0.1的4阶矩阵

3）randsrc：产生均匀分布数组

randsrc                    　 无变量输入时只产生一个随机数1或者-1

y=randsrc(n)                生成n*n随机数组，其元素为1或者-1

y=randsrc(m,n)            生成m*n随机数组，其元素为1或者-1

图1.3.3 产生一个2*3的随机矩阵

4.矩阵常用操作命令

　　MATLAB的基本单位是矩阵，掌握矩阵的输入、各种数值运算以及矩阵函数是学好MATLAB的关键。

1）矩阵的输入

　　*直接输入创建矩阵

　　以"["和"]"作为首尾，同行的元素用"，"或空格隔开，不同行的元素用"；"或按Enter键来分隔；矩阵的元素可以是数字也可以是表达式，如果是数值计算，表达式中不可包含未知变量。

图1.4.1-1 创建矩阵

　　*用矩阵函数来生成矩阵

　　MATLAB提供了大量的函数来创建特殊矩阵，表1.1给出MATLAB常用的矩阵函数。

图1.4.1-2 生成3*3矩阵全为1

图1.4.1-3 生成2*5矩阵全为0

图1.4.1-4 生成3阶的魔方矩阵

2）操作符"："的说明

设A是一个矩阵，则在MATLAB中用如下符号表示它的元素：

　　在MATLAB中数组是一行或者一列的矩阵，对矩阵输入、修改和保存都适用于数组，同时MATLA还提供了一些创建数组的特殊指令。

　　*特殊数组的创建

linspace(a,b,n)            给出区间[a,b]的n个等分点数据

图1.4.5-1 区间[0,1]的6个等分点数据

 

 

　　数组运算除作为1*n的矩阵应遵循矩阵的运算规则外，MATLAB中还为数组提供了一些特殊的运算：乘法为：.*、乘幂为：.^。数组运算强调元素对元素的运算。

图1.4.5-2 数组运算

5.位操作

1）bitand：按位与

　　C=bitand(A,B)命令将返回两个非负整数数组A和B的相应元素按位与操作的结果。为了确保A和B的元素都是整数，可以使用ceil、fix、floor和round函数来生成A和B。

图1.5.1 按位与操作

2）bitor：按位或

　　C=bitor(A,B)命令将返回两个非负整数数组A和B的相应元素按位或操作的结果。为了确保A和B的元素都是整数，可以使用ceil、fix、floor和round函数来生成A和B。

图1.5.2 按位或操作

3)  bitxor：按位异或

　　C=C=bitxor(A,B)返回两个非负整数数组 A 和 B 的相应元素进行按位异或的结果，为了确保 A 和 B 的元素都是整数，可以使用 ceil、fix、floor 和 round 函数来生成 A 和 B。

图1.5.3 按位异或

4)  bitset：设置指定位的值

　　C=bitset(A,bit,v)命令将 A 中元素第 bit 位设为 v，其中 v 必须为 0 或 1，A 中的元素必须为非负整数，bit 必须为 1 到 A 中元素浮点整数表示法的位数之间的一个数字。

图1.5.4 设置指定位的值

 

 

　　C=bitget(A,bit)命令将返回 A 中元素用 bit 指定位的值，A 中的元素必须为非负整数，bit 必须为 1 到 A 中元素浮点整数表示法位数之间的一个数字。

图1.5.5 获取指定位的值

6.绘图操作

1）图形标注

title（\'string\'，\'属性名\'，\'属性值\'，…）------给图形加标题

xlabel（\'string\'，\'属性名\'，\'属性值\'，…）------给x轴加标注

ylabel（\'string\'，\'属性名\'，\'属性值\'，…）------给y轴加标注

legend（\'string1\'，\'string2\'，…）------添加图例，其顺序对应于绘图指令中的顺序

axis（[xmin，xmax，ymin，ymax]）------控制坐标轴的刻度范围

2）二维图像

 

 

　　功能：以向量x，y为轴，绘制曲线。

 　　注：plot(x,y)命令可用来绘制函数f(x)图形，此时可通过向量x常用命令x=a:h:b的形式获得f(x)函数在绘图区间[a，b]上的自变量点向量数据，对应的函数向量值取位y=f(x)。步长h可以任意选取，一般步长越小，曲线越光滑，但是步长太小，会增加计算量，运算速度也要降低。通常步长h取值0.1可达到较好的绘图效果。

例：绘制函数y = sin x² 在-5 ≤x ≤ 5的图形。

图1.6.2-1 命令

图1.6.2-2 生成的绘图

 

 

功能：在同一图形窗口绘制多条不同颜色曲线，曲线关系为

y₁ =f(x₁),y₂=f(x₂),y₃=f(x₃)

例：在同一图形窗口画出三个函数y=cos2x,y=x²,y=x的图形，-2 ≤x ≤2

图1.6.2-3 脚本代码

图1.6.2-4 生成的绘图结果

3）二维特殊图形

 

 

图1.6.3-1 代码

图1.6.3-2 直方图显示结果

 

 

　　M=hist(N)表示将N中的最大最小值找出来，然后，平均取十个等间隔点，看以每个间隔点为中心，向两边各扩展1/2间隔的范围内，包括N的元素个数，因此M返回值都是1*10大小。

图1.6.3-3 代码

图1.6.3-4 生成直方图

7.文件操作

1）fopen打开文件

fopen函数的调用格式为：fid=fopen(文件名，打开方式)

　　其中文件名用字符串形式，表示待打开的数据文件。常见的打开方式有：\'r\'表示对打开的文件读数据，\'w\'表示对打开的文件写数据，\'a\'表示在打开的文件末尾添加数据。fid用于存储文件句柄值，句柄值用来表示该数据文件，其他函数可利用它对该数据文件进行操作。文件数据格式有两种形式，一种是二进制文件，另一种是文本文件。在打开文件时需要进一步指定文件格式类型，即指定是二进制文件还是文本文件。

2）fclose关闭文件

　　文件读、写等操作完成后，应及时关闭。关闭文件用fclose函数，调用格式为：sta=fclose(fid)，该函数关闭fid所表示的文件。sta表示关闭文件操作的返回代码，若关闭成功，返回0，否则返回-1.

3）二进制文件的读写操作

 

 

　　fread函数可以读取二进制文件的数据，并将数据存入矩阵。其调用格式为：[A,COUNT]=fread(fid,size,precision)。

　　其中A用于存放读取的数据，COUNT返回所读取的数据元素个数。fid为文件句柄，size为可选项，若不选用则表示读取整个文件内容，若选用则它的值可为以下选项：N表示读取N个元素到一个列向量；Inf表示读取整个文件；[M,N]表示读数据到M*N的矩阵中，数据按列存放。precision代表读写数据的类型。

 

 

　　fwrite函数按照指定的数据类型将矩阵中的元素写入文件中。其调用格式为：COUNT=fwrite(fid，A，precision)，其中COUNT返回所写的数据元素个数，fid为文件句柄，A用来存放写入文件的数据，precision用于控制所写数据的类型，其形式与fread函数相同。

8.M文件的建立与使用

　　M文件有命令文件和函数文件两种形式，这两种文件的拓展名相同，都是.m。当用户要运行的命令较多时，直接从键盘上逐条输入较为繁琐。可利用命令文件来解决多行输入问题。用户可将一组相关命令编辑在同一个命令文件中，运行时只需输入文件名字，MATLAB就会自动按顺序执行文件中的命令。函数文件是另一种形式的M文件，它的第一句可执行语句是以function引导的定义语句，在函数文件中的变量都是局部变量。

 

 

　　M文件有两种运行方式：一是在命令窗口直接输入文件名，按Enter键；二是在编辑窗口打开菜单TOOLS，再单击Run。M文件保存的路径一定要在搜索路径上，否则M文件不能运行。

图1.8.1-1 showlena.m文件

图1.8.1-2 在命令行输入showlena，可以正常打开图像

 

 

M函数文件的一般形式为：function<因变量>=<函数名>(<自变量>)

M函数文件可以有多个因变量和多个自变量，当有多个因变量时用[]括起来。

图1.8.2-1 showimage.m文件

图1.8.2-2 命令行命令

图1.8.2-3 成功打开图像文件

（2）信号处理基础

1.用离散傅里叶变换分析合成音频和图像

1）分析合成音频文件包括以下步骤：

 

 

 

　　* 一维离散傅里叶变换

 

 

　　* 一维离散傅里叶逆变换

 

 

　　* 观察结果

 

图2.1.1-1 example11.m文件代码

uigetfile是文件对话框函数，提供图像界面供用户选择所需文件，返回目标的目录名和文件名。

函数原型：y=wavread(FILE)

功能：读取微软音频格式（wav）文件内容

输入参数：file表示音频文件名，字符串

返回参数：y表示音频样点给，浮点型

图2.1.1-2 example12.m文件代码

fft函数对输入参数进行一维离散傅里叶变换并返回其系数，对应频率从0到fs（采样频率），使用fftshift将零频对应系数移至中央。上述代码还计算了离散样点对应的频率值，以便更好地观察频谱。

图2.1.1-3 example13.m文件代码

ifft函数对输入参数进行一维离散傅里叶逆变换并返回其系数。

图2.1.1-4 example14.m 文件代码

figure(n)表示创建第n个图形窗；

　　subplot 是子绘图函数，第一、二个参数指明子图像布局方式，例如，若参数为 2，3 则表示画面共分为 2 行，每行有 3 个子图像。第三个参数表明子图像序号，排序顺序为从左至右，从上至下。

　　plot 是绘图函数，默认使用方式为 plot(y)，参数 y 是要绘制的数据；如果需要指明图像横轴显示序列，则命令行为 plot(x, y)，默认方式等同于 plot([0..len-1], y)，len 为序列 y 的长度。

图2.1.1-5 用离散傅里叶变换分析合成音频文件

2）分析合成图像文件包括以下步骤：

 

 

 

　　* 二维离散傅里叶变换

 

 

　　* 二维离散傅里叶逆变换

 

 

　　* 观察结果

 

图2.1.2-1 example21.m文件代码

函数原型：A=imread(filename,fmt)

功能：读取fmt指定格式的图像文件内容

输入参数：filename表示图像文件名，字符串

fmt表示图像文件格式名，字符串，函数支持的图像格式包括：JPEGG，TIFF，GIF，BMP等等，当参数中不包括文件格式名时，函数尝试推断出文件格式。

返回参数;A表示图像数据内容，整型

rgb2gray将RGB图像转换为灰度图。

图2.1.2-2 example22.m文件代码

fft2函数对输入参数进行二维离散傅里叶变换并返回其系数，使用fftshift将零频对应系数移至中央。

图2.1.2-3 example23.m文件代码

ifft2函数对输入参数进行二维离散傅里叶逆变换并返回其系数。

图2.1.2-4 example24文件代码

imshow时二维数据绘图函数，mesh通过三维平面显示数据。

图2.1.2-5 用离散傅里叶变换分析合成图像文件

2.用离散余弦变换分析合成音频和图像

1）分析合成音频文件包括以下步骤：

　　* 一维离散余弦变换

　　* 一维离散余弦逆变换

　　* 观察结果

先运行example11.m文件，用来打开音频。

图2.2.1-1 example31.m文件代码

dct函数对输入参数进行一维离散余弦变换并返回其系数，对应频率从0到fs（采样频率）。

图2.2.1-2 example32.m文件代码

idct函数对输入参数进行一维离散余弦逆变换并返回其系数。离散余弦变换常用于图像压缩，可以尝试只使用部分系数重构语言，通过观察可发现，原始音频和合成后音频两者差别不大。

图2.2.1-3 example33.m文件代码

图2.2.1-4 用离散余弦变换分析合成音频文件

　　* 二维离散余弦变换

　　* 二维离散余弦逆变换

　　* 观察结果

先通过example21.m文件打开图像。

图2.2.2-1 example41.m文件代码

dct2函数对输入参数进行二维离散余弦变换并返回其系数。

图2.2.2-2 example42.m文件代码

idct2 函数对输入参数进行二维离散余弦逆变换并返回其系数。可以尝试使用部分系数重构图像，本例中使用了系数矩阵中 4/5 的数据，其它部分置零。为了保证图像能正确显示，使用 uint8 对重构图像原始数据进行了数据类型转换，确保其取值范围在 0 到 255 之间。

图2.2.2-3 example43.m文件代码

图2.2.2-4 用离散余弦变换分析合成图像文件

3.用离散小波变换分析合成音频和图像

1）分析合成音频文件包括以下步骤：

　　* 一维离散小波变换

　　* 一维离散小波逆变换

　　* 观察结果

先使用example11.m文件打开音频文件

图2.3.1-1 example51.m文件代码

wavedec函数对输入参数进行一维离散小波变换并返回其系数C和各级系数长度L。第二个参数指明小波变换的级数，第三个参数指明小波变换使用的小波基名称。

图2.3.1-2 example52.m文件代码

waverec 函数对输入参数进行一维离散小波逆变换并返回其系数。appcoef 返回小波系数近似分量，第一个参数 C、第二个参数 L 是 wavedec 的返回参数，为各级小波系数和其长度，第三个参数指明小波基名称，第四个参数指明级数。detcoef返回小波系数细节分量，第一个参数 C、第二个参数 L 是 wavedec 的返回参数，为各级小波系数和其长度，第三个参数指明级数。

图2.3.1-3 example53.m文件代码

图2.3.1-4 用离散小波变换分析合成音频文件

2）分析合成图像文件包括以下步骤：

　　* 二维离散小波变换

　　* 二维离散小波逆变换

　　* 观察结果

先使用example21.m文件打开图像。

图2.3.2-1 example61.m文件代码

dwt2 函数对输入参数进行二维一级离散小波变换并返回近似分量，水平细节分量，垂直细节分量和对角线细节分量。如果要对图像进行多级小波分解，使用wavedec2 函数。

图2.3.2-2 example62文件代码

idwt2 函数对输入参数进行二维离散小波逆变换并返回其系数。可以尝试仅使用近似分量、水平细节分量、垂直细节分量或对角线细节分量重构图像。

图2.3.2-3 example63文件代码

输入命令显示六个子图，分别是原始图像、使用全部系数恢复的图像、小波系数近似分量、水平细节分量、垂直细节分量和对角线细节分量。

图2.3.2-4 用离散小波变换分析合成图像文件