作者：张强,王正林
出版社：电子工业出版社
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精通MATLAB图像处理(第2版)(含CD光盘1张)试读：
内容简介本书紧密结合实例，以实用为目标来讲述MATLAB的图像处理技术，在简要介绍图像处理的基础理论之后，重点讲述应用MATLAB图像处理工具箱，并给出了大量的实例及综合实战应用。
本书由MATLAB入门篇、图像处理精通篇和综合实战篇组成。MATLAB入门篇主要介绍MATLAB软件、基本运算、程序设计及图形绘制；图像处理精通篇讲述图像处理的主要内容，包括图像的运算、变换、增强、分析、复原、形态学操作及彩色图像处理等；综合实战篇通过综合实例，讲述应用MATLAB来分析、解决具体的图像处理问题，包括图像重构、增强、配准、去模糊、分割、特征提取、空间变换和大数据图像处理等典型应用。
本书最大特色在于实例丰富，对于提及图像处理的MATLAB实现功能，书中配以120余个实例来精讲，读者可以按照例题，一步一步了解图像处理的基本原理，掌握图像处理的MATLAB解决方法。本书可供从事信号与信息处理、计算机科学与技术、通信工程、地球物理、生物医学工程、遥感、自动化等专业的本科生、研究生作为图像处理辅助教材和参考书使用，也可供相关的工程技术人员参考使用。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据精通MATLAB图像处理 / 张强，王正林编著.—2版.—北京：电子工业出版社，2012.4ISBN 978-7-121-15798-1Ⅰ.①精… Ⅱ.①张…②王… Ⅲ.①图像处理－计算机辅助计算－软件包，MATLAB Ⅳ.①TP391.41中国版本图书馆CIP数据核字（2012）第012614号策划编辑：张月萍责任编辑：刘 舫特约编辑：赵树刚印 刷：北京中新伟业印刷有限公司装 订：北京中新伟业印刷有限公司出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编：100036开 本：787×1092 1/16 印张：26.5 字数：679千字印 次：2012年4月第1次印刷印 数：3500册 定价：65.00元（含光盘1张）
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服务热线：（010）88258888。第2版 前 言
本书第1版《精通MATLAB图像处理》已被多所院校作为图像处理、数学、信息、计算机、地理信息处理、医学信息处理类课程的教材和教辅参考书，而且由于实例丰富、简单易学、内容全面、讲解细致而深受广大读者的喜爱，上市两年多以来长期占据同类书的销售前列，得到了读者的认可。
根据读者的需求和软件的升级，我们结合MATLAB软件的最新版本，对全书的内容进行了完善与优化，使之更加适合读者的需要。本书导读新增内容
与本书第1版相比，第2版进行了重要的修订和扩充，增加了关于图像空间变换、大数据图像处理、图像匹配和图像处理的GUI工具等内容。
1.新增了第19章“MATLAB图像空间变换实战”
图像的空间变换是数字图像处理的重要技术之一，用于图像校正、图像匹配和图像变形等方面。新增了两个图像空间变换的综合实例，并详细讲解了MATLAB的实现过程与方法。
2.新增了第20章“MATLAB处理大数据图像实战”
图像的数据量越来越大，如遥感图像往往含有大量的数据，这时计算性能就成为制约处理结果的瓶颈。新增了使用并行批处理、分块处理等技术来进行大数据图像处理的综合实例，并详细讲解了MATLAB的实现过程与方法。
3.新增了“图像配准实战”的内容
在原有综合实例的基础上，补充了“旋转和尺度变换后的图像配准”和“配准航拍照片和正射影像”这两个综合实例，简要分析了其实现原理，重点讲解了MATLAB详细的实现过程与方法。
4.新增了“图像处理的GUI工具”
MATLAB提供了图形界面的图像处理工具GUI Tools，更加方便用户的使用。新增了几个常用的、典型的GUI工具，详细地讲述其使用方法，让读者能快速有效地掌握。
5.新增了几个实用函数
新增了几个用于图像运算和图像变换的函数，简要讲解了函数的用法，并通过列举实例，让读者能轻松掌握。光盘使用说明
本书附带光盘实例对应的MATLAB M文件，还包含了书中用到的图像源文件。运行光盘提供的代码文件，读者就能体会本书所有实例的效果。
使用本光盘中的实例前，读者需要安装MATLAB，并将包含待运行.m文件的文件夹添加到MATLAB路径或设置为MATLAB当前目录。致谢
本书主要由张强、王正林编写，其他参与编写的人员有肖静、王伟欣、朱桂莲、刘玉芳、肖绍英、邓祈、钟太平、王龙跃、朱艳、彭斌武、陈菜枚、钟杜清等。在此对所有参与编写的人员表示感谢！
再次对博文视点公司的郭立老师、张月萍老师表示衷心的感谢！对关心、支持我们的读者表示感谢！
由于时间仓促，作者水平和经验有限，书中错漏之处在所难免，敬请读者批评指正，我们的电子邮箱是：wa_2003@126.com。作 者2011年金秋国庆于北京第1篇 MATLAB入门篇Part 1
第1章 MATLAB概述
第2章 MATLAB基本运算
第3章 MATLAB程序设计
第4章 MATLAB图形绘制
第5章 MATLAB图像处理基础第1章 MATLAB概述
经过30余年的补充与完善及多个版本的升级换代，MATLAB软件的功能已经变得非常之强大。MATLAB是一个包含众多科学、工程计算的庞大系统，是目前世界上最流行的计算软件之一。1.1 MATLAB的发展历程
MATLAB语言的产生是与数学计算紧密联系在一起的。1980年，美国新墨西哥州大学计算机系主任Cleve Moler在给学生讲授线性代数课程时，发现学生在高级语言编程上花费了很多时间，于是着手编写供学生使用的Fortran子程序库接口程序，他将这个接口程序取名为MATLAB（Matrix Laboratory的前3个字母的组合，意为“矩阵实验室”）。这个程序获得了很大的成功，受到学生的广泛欢迎。
20世纪80年代初期，Moler等一批数学家与软件专家组建了MathWorks软件开发公司，继续从事MATLAB的研究和开发，1984年推出了第一个MATLAB商业版本，其核心是用C语言编写的。而后，它又添加了丰富多彩的图形图像处理、多媒体、符号运算及与其他流行软件的接口功能，使得MATLAB的功能越来越强大。
MathWorks公司正式推出MATLAB后，于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB 4.0版本，之后陆续推出了几个改进和提高的版本，2004年9月正式推出MATLAB Release 14，即MATLAB 7.0，其功能在原有的基础上又有了进一步的改进。
此后，几乎形成了一个规律，每年的3月和9月推出当年的a和b版本，目前的最新版本是MATLAB 2011b。
MATLAB经过几十年的研究与不断完善，现已成为国际上最为流行的科学计算与工程计算软件工具之一，现在的MATLAB已经不仅是一个最初的“矩阵实验室”了，它已发展成为一种具有广泛应用前景、全新的计算机高级编程语言，可以说它是“第四代”计算机语言。
自20世纪90年代，美国和欧洲的各大学将MATLAB正式列入研究生和本科生的教学计划，MATLAB软件已成为数值计算、数理统计、信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等课程的基本教学工具，成为学生必须掌握的基本软件之一。在研究单位和工业界，MATLAB也成为工程师们必须掌握的一种工具，被认为是进行高效研究与开发的首选软件工具。1.2 MATLAB的优势与特点
MATLAB在学术界和工程界广受欢迎，其主要优势和特点有如下几个方面。1.友好的工作平台和编程环境
MATLAB由一系列工具组成，其中许多工具采用的是图形用户界面，包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。这些图形化的工具为用户使用MATLAB的函数和文件提供了方便。
随着MATLAB的商业化及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。同时，MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大地方便了用户的使用。
MATLAB简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误并进行出错原因分析。2.简单易用的编程语言
MATLAB语言是一种高级的矩阵语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的、复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。
MATLAB语言是基于流行的C++语言基础之上的，因此，语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式，更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。3.强大的科学计算和数据处理能力
MATLAB是一个包含大量计算算法的集合，其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便地实现用户所需的各种计算功能。这些函数集涵盖了从最简单、最基本的函数到诸如矩阵、特征向量、快速傅里叶变换等复杂函数。
函数所能解决的问题大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程组的求解、符号运算、傅里叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作及建模动态仿真等。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而且经过了各种优化和容错处理。
通常情况下，可以用MATLAB来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程，工作量会大大减少。4.出色的图形处理功能
MATLAB自诞生之日起就具有方便的数据可视化功能，能够将向量和矩阵用图形的形式表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。
高层次的作图包括二维和三维的可视化、图像处理、动画和表达式，可用于科学计算和工程绘图。
MATLAB对整个图形处理功能进行了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（如图形的光照处理、色度处理及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。
MATLAB对一些特殊的可视化要求，如图形对话等，也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上做了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。5.应用广泛的模块集合工具箱
MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。
目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，如图像处理、信号处理、小波分析、优化算法、样条拟合、概率统计、偏微分方程求解等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。6.实用的程序接口和发布平台
MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。 MATLAB还允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还允许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。1.3 MATLAB系统的构成
MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口（API）五大部分构成。1.MATLAB开发环境
MATLAB开发环境是一套方便用户使用MATLAB函数和文件的工具集，其中许多工具是友好的、交互式的图形化用户接口。它是一个集成化的工作空间，可以让用户输入/输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境。它包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、代码分析器（code analyzer），以及查看帮助、工作空间、文件和其他工具的浏览器。2.MATLAB数学函数库
MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法，提供了大约600多个数学和工程上常用的函数，这些函数的数学运算是针对矩阵操作优化过的，计算效率高。MATLAB的数学函数包含了从基本运算（如加法、正弦函数等）到复杂算法，如矩阵求逆、矩阵求特征值、贝济埃函数、快速傅里叶变换、微分方程求解、稀疏矩阵运算等。3.MATLAB语言
MATLAB语言是一个高级的基于矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。用户既可以用它来快速编写简单的程序，也可以用它来编写庞大复杂、重用性高的应用程序。4.MATLAB图形处理系统
图形处理系统使得MATLAB能方便地显示图形化向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。MATLAB提供两个层次的绘图操作，一个是对图形句柄进行的底层绘图操作；另一个是建立在底层绘图操作之上的高层绘图操作。5.MATLAB应用程序接口
MATLAB应用程序接口是一个使MATLAB与C、Fortran等其他高级编程语言进行交互的函数库，该函数库的函数通过调用动态链接库（DLL）实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran程序，以及在MATLAB与其他应用程序间建立客户/服务器关系。1.4 MATLAB桌面操作环境
MATLAB为用户提供了全新的桌面操作环境，熟悉这些桌面操作环境是使用MATLAB的基础，下面介绍MATLAB的启动和退出、主要功能菜单、命令窗口（Command Window）、工作空间（Workspace）、M文件编辑/调试器、Figure窗口、文件管理和帮助管理等。1.4.1 启动和退出
以Windows操作系统为例，进入Windows后，选择“开始”→“程序”→“MATLAB”命令，进入如图1-1所示的MATLAB默认主窗口。如果安装时选择在桌面上生成快捷方式，也可以双击快捷方式直接启动。图1-1 MATLAB默认主窗口
MATLAB主窗口是MATLAB的主要工作界面。主窗口除了嵌入一些子窗口外，主要还包括菜单栏和工具栏。
主窗口的工具栏共提供了11个命令按钮。这些命令按钮均有对应的菜单命令，但比菜单命令使用起来更快捷、方便。
单击主窗口左下角的“Start”按钮，会弹出一个菜单，如图1-2所示。选择其中的命令可以运行MATLAB产品的各种软件工具，并且可以查阅MATLAB包含的各种资源。图1-2 “Start”按钮的弹出式菜单
从图1-2中可以看出，MATLAB的主要资源有以下几种。（1）MATLAB主体：由MATLAB的编程集成环境、程序开发工具与其他软件的扩展接口组成。（2）工具箱（Toolboxes）：工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，如图像处理工具箱，就是专门用于图像处理方面的应用。（3）Simulink：Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。它是一种可视化仿真工具，也是一种基于MATLAB的框图设计环境，在该环境中，无须大量书写程序，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。（4）模块集（Blocksets）：模块集是一个个的数学软件包，是在特殊应用领域中设计的Simulink程序的集合，是系统仿真的关键部件。（5）自动代码生成工具（Links and Targets）：将MATLAB中的Simulink程序框图自动转换成嵌入式ANSI C的代码，是第三方软件和硬件应用Simulink的工具。
常用的退出MATLAB系统的方式有3种。
• 在文件（File）菜单中选择“Exit MATLAB”命令。
• 在命令窗口输入“exit”。
• 用鼠标单击窗口右上角的关闭图标。1.4.2 主要功能菜单
打开MATLAB主窗口后，弹出其主菜单栏，共包含File、Edit、Debug、Parallel、Desktop、Window和Help 7个菜单项。主菜单栏的各菜单项及其下拉菜单项的功能简要介绍如下。1.File菜单项
File菜单项中的命令用于实现有关文件的操作，其下拉菜单项如下所示。（1）New：用于建立新的.m文件、图形、模型和图形用户界面。（2）Open：用于打开MATLAB的.m文件、.fig文件、.mat文件、.mdl文件、.cdr文件等，也可通过快捷键“Ctrl+O”来实现此项操作。（3）Close Command Window：关闭命令窗口。（4）Import Data：用于从其他文件导入数据，单击此菜单项后弹出对话框，用户可在其中选择导入文件的路径和位置。（5）Save Workspace As：用于把工作空间的数据存放到相应的路径文件中。（6）Set Path：设置工作路径。（7）Preferences：用于设置命令窗的属性，单击该选项将弹出一个属性画面。（8）Page Setup：用于页面设置。（9）Print：用于设置打印属性。（10）Print Selection：用于对选择的文件数据进行打印设置。（11）Exit MATLAB：退出MATLAB桌面操作环境。2.Edit菜单项
Edit菜单项中的命令用于命令窗口的编辑操作，其下拉菜单项如下所示。（1）Undo：用于撤销上一步操作。（2）Redo：用于重新执行上一步操作。（3）Cut：用于剪切选中的对象。（4）Copy：用于复制选中的对象。（5）Paste：用于粘贴剪贴板上的内容。（6）Paste to Workspace：用于打开“Import Wizard”（输入向导）对话框，将剪贴板上的数据粘贴到MATLAB的工作空间中。（7）Select All：用于选择所有对象。（8）Delete：用于删除所选择的对象。（9）Find：用于查找所需选择的对象。（10）Find Files：用于查找所需的文件。（11）Clear Command Window：用于清除命令窗口区的对象。（12）Clear Command History：用于清除命令窗口区的历史记录。（13）Clear Workspace：用于清除工作区的对象。3.Debug菜单项
用户可以通过Debug菜单项进行程序调试时的各种设置，其下拉菜单项如下所示。（1）Open M-Files when Debugging：用于调试时打开M文件。（2）Step：用于单步调试程序。（3）Step In：用于单步调试进入子函数。（4）Step Out：用于单步调试从子函数中跳出。（5）Continue：程序执行到下一断点。（6）Clear Breakpoints in All Files：清除所有打开文件中的断点。（7）Stop if Errors/Warnings：在程序出错或报警处停止往下执行。（8）Exit Debug Mode：退出调试模式。4.Parallel菜单项
Parallel菜单项中的命令用来进行并行计算方面的设置，其下拉菜单项如下所示。（1）Select Configuration：选择并行计算的配置类型。（2）Manage Configuration：对配置进行管理。（3）Admin Center：打开并行计算的管理中心。
并行计算的设置比较专业，一般不建议用户自行设置。5.Desktop菜单项
Desktop菜单项中的命令用来设置主窗口中需要打开的窗口，其下拉菜单项如下所示。（1）Desktop Layout：单击该项后，弹出一个子菜单，用于桌面显示方式的设置，其设置选项包括系统默认设置项（Default）、单独命令窗口项（Command Window Only）、命令历史窗口和命令窗口项（History and Command Window）、全部标签项显示（All Tabbed）等。（2）Save Layout：保存选定的桌面显示方式设置。（3）Organize Layouts：管理保存的桌面显示方式设置。（4）Command Window：控制在桌面系统中显示或隐藏命令窗口。（5）Command History：控制在桌面系统中显示或隐藏历史命令窗口。（6）Current Directory：控制在桌面系统中显示或隐藏当前路径浏览器窗口。（7）Workspace：控制在桌面系统中显示或隐藏工作空间窗口。（8）Help：控制在桌面系统中显示或隐藏帮助界面。（9）Profiler：控制在桌面系统中显示或隐藏调试器界面。（10）Editor：控制在桌面系统中显示或隐藏M文件编辑窗口。（11）Figures：控制在桌面系统中显示或隐藏Figure窗口。（12）Web Browser：控制在桌面系统中显示或隐藏Web Browser窗口。（13）Variable Editor：控制在桌面系统中显示或隐藏工作空间变量编辑窗口。（14）File and Directory Comparisons：控制在桌面系统中显示或隐藏文件和目录比较窗口。（15）Toolbar：控制在桌面系统中显示或隐藏工具栏选项。（16）Titles：控制在桌面系统中显示或隐藏标题栏选项。6.Window菜单项
Window菜单项中的命令能够在所打开的文件或窗口中，重新设置它们的位置和大小，还可以实现它们之间的快速切换，其下拉菜单项如下所示。（1）Close All Documents：关闭所有文档，包括M-file、Figure、Model和GUI窗口。（2）0Command Window：选定命令窗口为当前活动窗口。（3）1Command History：选定命令历史窗口为当前活动窗口。（4）2Current Directory：选定当前路径窗口为当前活动窗口。（5）3Workspace：选定工作空间窗口为当前活动窗口。7.Help菜单项
Help菜单项中的命令用于提供帮助信息，其下拉菜单项如下所示。（1）Product Help：显示所有MATLAB产品的帮助信息。（2）Function Browser：启动MATLAB的帮助。（3）Using the Desktop：启动Desktop的帮助。（4）Using the Command Window：启动命令窗口的帮助。（5）Web Resources：显示Internet上一些相关的资源网址。（6）Get Product Trials：申请试用版的MATLAB软件。（7）Check for Updates：检查软件是否更新。（8）Licensing：授权文件的一些相关操作（9）Demos：调用MATLAB所提供的范例程序。（10）Terms of Use：显示MATLAB软件中使用的术语。（11）Patents：显示MATLAB软件的专利信息。（12）About MATLAB：显示有关MATLAB的信息。1.4.3 命令窗口
MATLAB的命令窗口（Command Window）如图1-3所示，它用于MATLAB命令的交互操作。图1-3 MATLAB的命令窗口1.主要功能和操作
命令窗口具有如下两大主要功能。（1）提供用户输入命令的操作平台，用户通过该窗口输入命令和数据。（2）提供命令执行结果的显示平台，该窗口显示命令执行的结果。
在命令窗口内执行的MATLAB主要操作如下所示。
•运行函数和输入变量；
•控制输入和输出；
•执行程序，包括M文件和外部程序；
•保存一段日志；
•打开或关闭其他应用窗口；
•选择各应用窗口的参数。
计算机安装好MATLAB之后，双击MATLAB图标，就可以进入命令窗口，此时意味着系统处于准备接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令语句。
MATLAB语句形式如下所示。
>>变量＝表达式
通过等号将表达式的值赋予变量。当按下回车键时，该语句被执行。语句执行之后，命令窗口自动显示出语句执行的结果。
使用方向键和控制键可以编辑、修改已输入的命令，“↑”键用于回调上一行命令，“↓”键用于回调下一行命令。使用“more off”表示不允许分页，“more on”表示允许分页，“more (n)”表示指定每页输出的行数。按下回车键前进一行，再按下空格键显示下一页，然后输入“q”结束当前显示。
如果命令语句超过一行或希望分行输入命令，则可以使用多行命令继续输入。例如，输入下列式子时，可以分两行输入。
说明
三个小黑点“…”是“连行号”，分号“;”的作用是：指令执行结果将不显示在屏幕上，但变量S将驻留在内存中。
注意，在输入符“>>”之前有函数浏览器，可以方便地进行函数查找及浏览函数参数的自动帮助信息。2.常用命令
MATLAB提供了一组可以在命令窗口中输入的命令，以执行相应的操作，常用的命令及功能如表1-1所示。表1-1 命令窗口中常用的命令及功能1.4.4 工作空间
MATLAB的工作空间如图1-4所示。图1-4 MATLAB的工作空间
工作空间中的变量以变量名（Name）、数值（Value）和类型（Class）的形式显示出来，双击某个变量，将进入变量编辑器（Variable Editor），可以直接观察变量中具体元素的值，也可以直接修改这些元素。1.工具条
工作空间中还有一个工具条，可快捷地在工作空间中进行许多操作，这些操作在图1-4中标注出来了，简单介绍如下。
•（增加新变量）：在工作空间中增加一个新的变量，并可对此变量进行赋值、修改等操作。
•（打开选定的变量）：将工作空间中选定的变量在变量编辑器（Variable Editor）中打开，可对此变量进行修改等操作。
•（导入数据）：将MATLAB支持格式的数据导入到工作空间中。
•（将变量保存为文件）：将工作空间中选定的变量以文件的形式保存起来。
•（删除变量）：将工作空间中选定的变量删除。
•（将变量绘制成图形）：将工作空间中选定的变量绘制成图形，支持的绘图函数有plot、bar、stem、stairs、area、pie、hist和plot3等。若在工作空间选择某变量后，再单击该图标，便可实现对该变量的曲线、曲面等图形的绘制。2.变量编辑器
变量编辑器（Variable Editor）是编辑数组变量的工具，其形式如同Excel电子表格，只是它只能修改及显示变量，没有计算的功能。其操作是在工作空间中选定变量，然后双击，便可进入如图1-5所示的变量编辑器窗口。图1-5 变量编辑器窗口
在编辑器中，可以对变量进行修改、删除、增加等操作，非常方便。
需要注意的是：由于大型矩阵不容易由命令窗口输入，因此采用变量编辑器更为方便。变量编辑器的数据与Excel表格的数据相通，只要将Excel表格中的数据复制，便可直接粘贴到编辑器中的某一变量内。原则上，变量的输入以行向量为主，需要增加一行，其余没有数据的空间则自动填上零。3.常用命令
MATLAB还有几个常用的工作空间操作命令，分别是who、whos、clear、clear变量名、size(a)、length(a)，其各自功能描述如下。
•who：显示当前工作空间中所有变量的一个简单列表。
•whos：列出变量的大小、数据格式等详细信息。
•clear：清除工作空间中的所有变量。
•clear变量名：清除指定的变量。
•size(a)：获取向量a的行数与列数。
•length(a)：获取向量a的长度，并在屏幕上显示。如果a是矩阵，则显示的参数为行数中的最大值。4.数据存取函数
MATLAB提供了以下保存（save）和载入（load）工作空间的命令。（1）save命令
save命令将MATLAB工作空间中的变量存入磁盘，具体格式介绍如下。
•save：将当前MATLAB工作空间中的所有变量以二进制格式存入名为matlab.mat（默认的文件名）的文件中。
•save dfile（文件名）：将当前工作空间中的所有变量以二进制格式存入名为dfile.mat文件，扩展名自动产生。
•save dfile x：只把变量x以二进制格式存入dfile.mat文件，扩展名自动产生。
•save dfile.dat x –ascii：将变量x以8位ASCII码形式存入dfile.mat文件。
•save dfile.dat x –ascii –double：将变量x以16位ASCII码形式存入dfile.mat文件。
•save（fname,'x','-ascii'）：fname是一个预先定义好的包含文件名的字符串，该用法将变量x以ASCII码形式存入由fname定义的文件中，由于在这种用法中，文件名是一个字符变量，因此可以方便地通过编程的方法存储一系列数据文件。（2）load命令
load命令将磁盘上的数据读入到工作空间，具体格式介绍如下。
•load：把磁盘文件matlab.mat（默认的文件名）的内容读入内存，由于存储.mat文件时已包含了变量名的信息，因此调用时已直接将原变量信息带入，不需要重新赋值变量。
•load dfile：把磁盘文件dfile.mat的内容读入内存。
•load dfile.dat：把磁盘文件dfile.mat的内容读入内存，这是一个ASCII码文件，系统自动将文件名（dfile）定义为变量名。
•x=load (fname)：fname是一个预先定义好的包含文件名的字符串，将由fname定义文件名的数据文件读入变量x中，使用这种方法可以通过编程方便地调入一系列数据文件。1.4.5 M文件编辑/调试器
将MATLAB语句按特定的顺序组合在一起就得到了MATLAB程序，其文件名的后缀为.m，故也称为M文件。MATLAB 7.x提供了M文件的专用编辑/调试器，在编辑器中，会以不同的颜色表示不同的内容：命令、关键字、不完整字符串、完整字符串及其他文本，这样就可以及时发现输入错误，缩短调试时间。
M文件编辑/调试器如图1-6所示。图1-6 M文件编辑/调试器1.M文件编辑器的特点
MATLAB的M文件编辑器与其他Windows编辑程序类似，此处不再赘述，只对下列几点做特别说明。（1）在编辑M文件时，可直接转到指定的行，可从“Go”菜单中选择“Go To”命令来完成。（2）可直接计算M文件中表达式的值，结果显示在命令窗口中，可通过选择表达式，然后在“Text”菜单中选择“Evaluate Selection”命令来实现。（3）可根据MATLAB的句法自动缩排，以增加M文件的可读性。先选择文本块，然后单击鼠标右键，在“Text”菜单中选择“Smart Indent”命令来实现。2.编辑器的工具栏
下面只对此工具栏中特殊的按钮控件进行叙述，如表1-2所示。表1-2 工具栏中特殊的按钮控件1.4.6 Figure窗口
MATLAB的Figure窗口（图形窗口）主要用于显示用户所绘制的图形，通常，只要执行了任意一种绘图命令，Figure窗口就会自动产生。所有的绘图都在Figure窗口中进行。如果再建一个Figure窗口，则可输入figure命令，MATLAB会新建一个Figure窗口，并自动给它排出序号。
MATLAB的Figure窗口如图1-7所示。它是MATLAB绘图功能的基础，使用极其方便。其菜单和工具栏，更是增添了交互处理的功能。图1-7 Figure窗口1.菜单栏
Figure窗口的Desktop（桌面）、Window（窗口）和Help（帮助）菜单的使用与其他系统的大致一样，在此不再叙述。下面对差别较大的菜单项进行介绍。（1）File菜单
File菜单的主要功能命令与桌面平台的File菜单相近，只是增加了图形输出相关的Generate M-file、Export Setup、Print Preview和Print命令。
•Generate M-file命令：可以生成当前图形的M文件。
•Export Setup命令：可以打开“Export Setup”（图形输出设置）对话框。
•Print Preview命令：可以打开“打印预览”对话框。（2）View菜单
View菜单中的Figure Toolbar命令用于控制是否显示Figure窗口中的工具栏，而Camera Toolbar命令用于控制是否显示Figure窗口中的照相操作工具栏。（3）Insert菜单
通过Insert菜单，可以在Figure窗口中添加不同的对象，主要有X Label、Y Label、Z Label、Title、Legend（图例）、Colorbar（颜色条）、Line、Arrow、Text Arrow、Double Arrow、TextBox、Rectangle、Ellipse、Axes和Light（光源）等。（4）Tools菜单
Tools菜单包括简单的图形操作和照相操作，在此只介绍图形操作。
•Basic Fitting命令可以打开图形基本数据拟合对话框。在该对话框中，用户可以根据需要选择拟合的数据源（Select data）、拟合方式（Check to display fits on figure）、拟合函数的显示（Show equations）、数值的有效位数（Significant digits）及是否显示残差（Plot residuals）和是否显示最大残差模（Show norm of residuals）等。
•Data Statistics命令可以打开图形数据统计分析对话框。在对话框中可以选择数据的最小值（min）、最大值（max）、平均值（mean）、中值（median）及均方差（std）等。2.工具栏
工具栏中特殊的按钮控件说明如表1-3所示。表1-3 工具栏中特殊按钮控件的图例及功能1.4.7 文件管理
MATLAB提供了一组文件管理命令，包括列文件名、显示或删除文件、显示或改变当前目录等，相关的命令及其功能如表1-4所示。表1-4 MATLAB常用文件管理命令1.4.8 使用帮助
MATLAB为用户提供了非常丰富的帮助信息，如软件产品帮助（Product Help）、函数帮助（函数浏览器）、网络资源帮助等，极大地完善了该应用软件的功能。
MATLAB在命令窗口中提供了可以获得帮助的命令，用户可以很容易地获得联机帮助信息，几个常用的帮助命令介绍如下。（1）helpwin：打开帮助窗口。（2）helpdesk：打开浏览器模式下的帮助窗口。（3）lookfor：返回包含指定关键词的项。（4）demo：打开示例窗口。
MATLAB还提供了丰富的help命令，如表1-5所示，在命令窗口中输入相关命令就可以获得相关的帮助。表1-5 MATLAB常用的帮助命令1.5 MATLAB的工具箱
MATLAB的一个重要特色就是它具有一套程序扩展系统和一组称为工具箱（Toolbox）的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB的关键部分，它是MATLAB强大功能得以实现的载体和手段，是对MATLAB基本功能的重要扩充。
MATLAB每年都会增加一些新的工具箱，要么提供新的工具箱或实用工具，要么对原有工具箱的性能进行改进。因此，在一般情况下，工具箱的列表不是固定不变的，有关MATLAB工具箱的最新信息可以在http://www.mathworks.com/products中看到。
MATLAB有30多个工具箱，大致可分为两类：功能型工具箱和领域型工具箱：（1）功能型工具箱主要用来扩充MATLAB的符号计算功能、图形建模仿真功能、文字处理功能及与硬件实时交互功能，能用于多种学科。（2）领域型工具箱专业性很强，是针对某个专业的常用算法做成的函数包，如控制系统工具箱（Control System Toolbox）、信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）、金融工具箱（Financial Toolbox）等。
运行MATLAB后，选择“Start”→“Toolboxes”命令，便会看到按字母顺序列出的MATLAB工具箱。
下面简要介绍图像处理相关的工具箱及其主要特点。1.图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）
此工具箱提供了200多个用于图像处理和分析的函数，与 MATLAB 的数据分析、算法开发和数据可视化环境集成在一起，大大缩短了算法编程的时间，而把大部分时间用于图像问题的分析处理上。其主要功能如下所示。
•线性滤波及滤波器设计；
•图像分析，包括像素、区域和统计特征等；
•图像增强和噪声去除；
•交互的控制点选择GUI；
•空间变换、图像配准；
•图像变换（FFT、DCT、任意变换）；
•相邻区和块的处理；
•多维图像处理；
•DICOM输入/输出；
•色彩空间的转换、色图操作、图像类型转换。2.图像获取工具箱（Image Acquisition Toolbox）
图像获取工具箱扩展MATLAB的强大科学计算能力，允许直接在MATLAB环境下通过工业标准硬件设备获取图像和视频信号。通过该工具箱，可以直接将MATLAB环境同图像采集设备连接起来，预览图像，采集数据，并且利用MATLAB提供的强大数学分析功能完成图形图像的处理。其主要功能如下。
•现场视频和图像信号的获取；
•支持标准模拟、数字图像采集设备；
•支持 Windows 兼容的视频采集设备；
•现场视频信号预览；
•允许单帧或连续的数据采集与分析；
•支持多种图像制式；
•允许同步采集和处理。3.信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）
信号处理工具箱建立在滤波器设计及谱分析的坚实基础上，包含了一系列强大的工具以利于算法的开发、信号及线性系统分析、多速率信号处理、滤波器设计及分析。其主要功能如下。
•大量的信号和线性系统模型；
•数字及模拟滤波器设计、分析及实现；
•FFT、DCT、Hilbert及其他变换；
•统计信号处理；
•用统计方法进行时间序列建模及谱估计；
•多速率信号处理，诸如数字信号和各种采样速率的信号；
•波形生成、窗口生成；
•面向对象的数字滤波器和窗口对象；
•集成的图形界面用于滤波器设计、分析、谱分析及信号的可视化测量。4.小波工具箱（Wavelet Toolbox）
小波工具箱提供了研究局部、多尺度和非平稳现象的综合工具。对于任何应用到傅里叶变换技术的领域，小波方法揭示了更多的内部特性，可用于大多数信号处理系统，包括语音处理、通信、地球物理、财务和医学等学科。
其主要功能如下。
•完整的GUI 和命令行功能，用于分析、综合、去噪、压缩信号和图像；
•小波和信号处理工具集，其中包括实现从尺度到频率变换的函数；
•连续小波变换，用于多尺度信号分析；
•离散小波变换（DWT），对信号和图像进行分析和综合；
•分解和分析多分辨率信号和图像；
•丰富的小波基本函数可供选择，包含若干边界修正方法，也可添加自定义小波基；
•信号和图像的小波包变换；
•基于熵值的小波包树剪裁，用于“最佳树”和“最佳尺度”分析。1.6 小结
本章首先简要讲述了MATLAB的产生和发展历程、其优势及特点，然后一一讲述了MATLAB的系统结构、工具箱和桌面操作环境。第2章 MATLAB基本运算
MATLAB也是一门计算语言，它的运算指令和语法基于一系列基本的矩阵运算及它们的扩展运算，它还支持复数这种数值元素，这也是MATLAB区别于其他高级语言的最大特点之一，给许多领域的计算带来了极大方便。2.1 MATLAB数据类型
MATLAB包括4种基本数据类型，即双精度数组、字符串数组、元胞数组、构架数组。数值之间可以相互转化，这为其计算功能开拓了广阔的空间。1.变量与常量
变量是数值计算的基本单元。与C语言等其他高级语言不同，MATLAB语言中的变量无须事先定义，一个变量以其名称在语句命令中第一次合法出现而定义，运算表达式变量中不允许有未定义的变量，也不需要预先定义变量的类型，MATLAB会自动生成变量，并根据变量的操作确定其类型。（1）MATLAB变量命名规则
•变量名区分大小写，因此A与a表示的是不同的变量。
•变量名以英文字母开始，第一个字母后可以使用字母、数字、下画线，但不能使用空格和标点符号。
•变量名长度不得超过31位，超过的部分将被忽略。
•某些常量也可以作为变量使用，如i在MATLAB中表示虚数单位，但也可以作为变量使用。
常量是指那些在MATLAB中已预先定义其数值的变量，默认的常量如表2-1所示。表2-1 MATLAB默认的常量（2）MATLAB变量的显示
任何MATLAB语句的执行结果都可以在屏幕上显示，同时赋值给指定的变量，没有指定变量时，赋值给一个特殊的变量ans，数据的显示格式由format命令控制。format只影响结果的显示，不影响其计算与存储。MATLAB总是以双字长浮点数（双精度）来执行所有的运算。如果结果为整数，则显示没有小数；如果结果不是整数，则输出形式为表2-2所示的几种形式之一。表2-2 MATLAB的数据显示格式（3）MATLAB变量的存取
工作空间中的变量可以用save命令存储到磁盘文件中。输入命令“save<文件名＞”，将工作空间中全部变量存到“文件名.mat”文件中去，若省略“<文件名＞”则存入文件“matlab.mat”中；命令“save<文件名＞<变量名集＞”将“变量名集”指出的变量存入文件“文件名.mat”中。
用load命令可将变量从磁盘文件读入MATLAB的工作空间，其用法为“load<文件名＞”，它将“文件名”指出的磁盘文件中的数据依次读入名称与“文件名”相同的工作空间的变量中。若省略“<文件名＞”则从“matlab.mat”中读入所有数据。
用clear命令可从工作空间中清除现存的变量。2.字符串
字符是MATLAB中符号运算的基本元素，也是文字等表达方式的基本元素，在MATLAB中，字符串作为字符数组用单引号（'）引用到程序中，还可以通过字符串运算组成复杂的字符串。字符串数值和数字数值之间可以进行转换，也可以执行字符串的有关操作。3.元胞数组
元胞是元胞数组（Cell Array）的基本组成部分。元胞数组与数字数组相似，以下标来区分，单元胞数组由元胞和元胞内容两部分组成。用花括号{ }表示元胞数组的内容，用圆括号()表示元胞元素。与一般的数值数组不同，元胞可以存放任何类型、任何大小的数组，而且同一个元胞数组中各元胞的内容可以不同。
例2-1 元胞数组创建与显示实例。
解：MATLAB程序代码如下。
第1行用元胞数组标志法建立一个字符串和一个矩阵；第2行用元胞内容编址法，建立一个传递函数和一个由两个元素组成的元胞组，该元胞组分别是矩阵和字符串，最后，用celldisp函数显示该元胞数组A。4.构架数组
与元胞数组相似，构架数组（Structure Array）也能存放各类数据，使用指针方式传递数值。构架数组由结构变量名和属性名组成，用指针操作符“.”连接结构变量名和属性名。例如，可用parameter.temperature表示某一对象的温度参数，用parameter.humidity表示某一对象的湿度参数等，因此，该构架数组parameter由两个属性组成。5.对象
面向对象的MATLAB语言采用了多种对象，一些对象之间可以相互转换。2.2 数组及其运算
MATLAB中数组（array）可以说无处不在，任何变量在MATLAB中都是以数组形式存储和运算的。
根据数组元素个数和排列方式，MATLAB中的数组可以分为如下几种。（1）没有元素的空数组（empty array）。（2）只有一个元素的标量（scalar），它实际上是一行一列的数组。（3）只有一行或一列元素的向量（vector），分别叫做行向量和列向量，也统称为一维数组。（4）普通的具有多行多列元素的二维数组。（5）超过二维的多维数组（具有行、列、页等多个维度）。
按照数组的存储方式，MATLAB中的数组可以分为：普通数组和稀疏数组（常称为稀疏矩阵）。稀疏矩阵适用于那些大部分元素为0，只有少部分非零元素的数组的存储，主要是为了提高数据存储和运算的效率。2.2.1 数组的创建
MATLAB中一般使用方括号（[]）、逗号（，）或空格，以及分号（；）来创建数组，方括号中给出数组的所有元素，同一行中的元素间用逗号或空格分隔，不同行之间用分号分隔。1.空数组
空数组是MATLAB中特殊的数组，它不含有任何元素。空数组可以用于数组声明，数组清空，以及各种特殊的运算场合。
创建空数组很简单，只需要变量赋值为空的方括号即可。2.一维数组
一维数组包括行向量和列向量，是所有元素排列在一行或一列中的数组。实际上，一维数组可以看做二维数组在某一方向（行或列）尺寸退化为1的特殊形式。
创建一维行向量，只需要把所有用空格或逗号分隔的元素用方括号括起来即可；而创建一维列向量，则需要在方括号括起来的元素之间用分号分隔。不过，更常用的办法是用转置运算符（'），把行向量转置为列向量。
创建一维数组可能用到：方括号、逗号或空格、分号、冒号、linspace函数和logspace函数，以及转置符号（'）。3.二维数组
常规创建二维数组的方法实际上和创建一维数组方法类似，就是综合运用方括号、逗号、空格以及分号。
方括号把所有元素括起来，不同行元素之间用分号间隔，同一行元素之间用逗号或空格间隔，按照逐行排列的方式顺序书写每个元素。
当然，在创建每一行或列元素的时候，可以利用冒号和函数的方法，只是要特别注意创建二维数组时，要保证每一行（或每一列）具有相同数目的元素。创建二维数组，也可以通过函数拼接一维数组，或者利用MATLAB内部函数直接创建特殊的二维数组。
例2-2 数组创建实例。
解：在命令窗口中输入如下代码。2.2.2 数组的运算
下面简要介绍数组的各种数学运算。1.数组-数组运算
最基本的就是数组和数组的加（+）、减（-）、乘（*）、乘方（^）等运算。要注意，数组的加、减，要求参与运算的两个数组具有相同的尺寸，而数组的乘法要求第一个数组的列数等于第二个数组的行数，乘方运算在指数n为自然数时相当于n次自乘，这要求数组具有相同的行数和列数。
数组除法实际上是乘法的逆运算，相当于参与运算的一个数组和另一个数组的逆（或伪逆）数组相乘。MATLAB中数组除法有左除（/）和右除（\）两种。（1）A/B相当于A*inv(B)或A*pinv(B)。（2）A\B相当于inv(A)*B或pinv(A)*B。
其中，inv是数组求逆函数，仅适用于行列数相同的方形数组（在线性代数中，称为方阵）；pinv是求数组广义逆的函数。2.点运算
前面讲到的数组乘、除、乘方运算，都是专门针对数组定义的运算。有些情况下，用户可能希望对两个尺寸相同的数组进行元素对元素的乘、除，或者对数组的逐个元素进行乘方，这可以通过点运算实现。
A.*B可以实现两个同样尺寸的数组A和数组B对应元素的乘法，同样的，A./B或A.\B实现元素对元素的除法，A.^n实现对逐个元素的乘方。
特别要强调的是，许多MATLAB内置的运算函数，如sqrt、exp、log、sin、cos等，都只能对数组进行逐个元素的相应运算。至于数组开方、指数等运算，都有专门的数组运算函数。3.专门针对数组的运算函数
MATLAB中专门针对数组的运算函数一般末尾都以m结尾（m代表matirx），如 sqrtm、expm、logm等，这些运算都是特别定义的数组运算，不同于针对单个数值的常规数学运算。
例2-3 数组运算。
解：在命令窗口中输入如下代码。2.3 矩阵及其运算
MATLAB软件的最大特色是强大的矩阵计算功能，在MATLAB软件中，所有的计算都是以矩阵为单元进行的，可见矩阵是MATLAB的核心。下面以表格的形式列出MATLAB提供的每类矩阵运算的函数，并各举一个实例进行说明，同类函数的用法基本类似，详细的用法及函数内容说明可参考联机帮助。2.3.1 矩阵的创建
由m行n列构成的数组a称为m×n阶矩阵，它总共由m×n个元素组成，矩阵元素记为a，其中i表示行，j表示列。ij
当m=n时，矩阵a称为方阵。当i≠j时，所有的 a =0，且m=n，ij得到的矩阵称为对角阵。
当对角阵的对角线上的元素全为1时，称为单位阵，记为I。
对于m×n阶矩阵w，当 w=a 时，称w是a的转置矩阵，记为 ij jiw =a′。
对于a为m×1的形式，称a是m个元素的列向量，对于a为1×n的形式，称a是n个元素的行向量。
矩阵的表现形式和数组相似，它以左方括号“[”开始，以右方括号“]”结束，每一行元素结束用行结束符号（分号“;”）或回车符分隔，每个元素之间用元素分隔符号（空格或逗号“，”）分隔。建立矩阵的方法有直接输入矩阵元素、在现有矩阵中添加或删除元素、读取数据文件、采用现有矩阵组合、矩阵转向、矩阵移位及直接建立特殊矩阵等。
例2-4 矩阵创建实例。
解：MATLAB程序代码如下。
运行结果是创建了一个2×3的矩阵a。a的第1行由1、2、3这3个元素组成，第2行由4、5、6这3个元素组成，输出结果如下。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]