利用Matlab提取图片曲线
利用 matlab 提取图片曲线
给你一张图片,如何提取里面曲线的数据,从而利用这些数据进行图像重绘、加工处理、测距、拟合得到函数表达式等操作呢?
行文动机
前段时间,有个朋友问了我一个问题,大概意思就是要给图像的流线测距离,在我的印象里面,matlab 是似乎没有这种直接的功能的。
那么换个角度来理解一下这个问题,如果给你一张图像,如何提取里面点的数据?其实,有了曲线的数据,后面想干嘛就干嘛了。
一直没空弄这个,今天偷闲,安排!!!
图像的读入与裁剪
以下面的图像作为例子。
我们先导入图像,进行简单的裁剪。为什么要裁剪呢?其实不裁剪也没关系,因为我后面是基于像素点的颜色来提取的曲线。如果你想提取的曲线不能通过颜色区分,那么,最好通过裁剪,把你不想要的部分尽可能地剪掉。
%% 读入图片,展示,有必要的话可以适当做一些裁剪 a = imread('a.jpg');%读取到一张图片 imshow(a); a = imcrop(a);%使用鼠标裁剪一波 imshow(a); [low_num,col_num,~] = size(a);
颜色拾取
观察图像发现,我们要提取的曲线是蓝色的,所以我希望通过颜色把它区分出来。那么我们就要知道这个曲线的 rgb 值。我希望通过鼠标点选的方式获取到颜色值。
这里我偷个懒,直接采用了 开源的颜色提取工具。这个模块不是我写的,特此声明,请尊重原创。
%% 颜色提取 getcolor(); color = color_list_temp(1,:);
function getcolor global control; global ima; global gui; global x_limit; global y_limit; global color; global a; global color_number; global color_list; global page; global total_page; global color_list_temp; color=[]; page=1; total_page=2; color_list=[0 0 0]; color_list(1,:)=[]; color_number=1; rgb_type=1; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gui.fig=figure('units','pixels',... 'position',[350 100 800 500],... 'numbertitle','off',... 'menubar','none',... 'resize','off',... 'name','getcolor',... 'color',[0.95 0.95 0.95]); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% uh1=uimenu('label','设置'); uimenu(uh1,'label','rgb类型设置','callback',@rgbset) function rgbset(~,~) gui.rgbfig=figure('units','pixels',... 'position',[360 370 180 200],... 'numbertitle','off',... 'menubar','none',... 'name','rgbset',... 'resize','off'); gui.axes=axes('units','pixels',... 'parent',gui.rgbfig,... 'plotboxaspectratio',[1 1 1],... 'color',[0.95 0.95 0.95],... 'box','on', ... 'xlim',[0 500],... 'ylim',[0 500], ... 'xcolor',[0.95 0.95 0.95],... 'ycolor',[0.95 0.95 0.95],... 'ydir','reverse', ... 'xtick',[],'ytick',[]); gui.checkbox1=uicontrol('parent',gui.rgbfig,... 'style','checkbox',... 'string','范围:0-1',... 'position',[45 150 400 30],... 'fontsize',10,... 'value',rgb_type,... 'callback',@ifon1); gui.checkbox255=uicontrol('parent',gui.rgbfig,... 'style','checkbox',... 'string','范围:0-255',... 'position',[45 120 400 30],... 'fontsize',10,... 'value',~rgb_type,... 'callback',@ifon255); gui.makesurebutton=uicontrol('parent',gui.rgbfig,... 'style','pushbutton',... 'string','确定设置',... 'position',[45 70 100 25],... 'fontsize',10,... 'callback',@settype); function ifon1(~,~) if(get(gui.checkbox1,'value')==1) set(gui.checkbox1,'value',1); set(gui.checkbox255,'value',0); else set(gui.checkbox1,'value',1); end end function ifon255(~,~) if(get(gui.checkbox255,'value')==1) set(gui.checkbox255,'value',1); set(gui.checkbox1,'value',0); else set(gui.checkbox255,'value',1); end end function settype(~,~) rgb_type=get(gui.checkbox1,'value'); if ~isempty(color) set(gui.text2,'string',['[',num2str((color/255).*rgb_type+color.*(~rgb_type)),']']); end show_color(page); close(gui.rgbfig) end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% uh2=uimenu('label','保存'); uimenu(uh2,'label','储存为mat','callback',@saveas_mat) uimenu(uh2,'label','储存为txt','callback',@saveas_txt) uimenu(uh2,'label','储存为excel','callback',@saveas_exl) uimenupic=uimenu(uh2,'label','储存为对照图'); uimenu(uimenupic,'label','储存全部页码','callback',@saveas_pic_all); uimenu(uimenupic,'label','储存当前页码','callback',@saveas_pic_now); function saveas_mat(~,~) try [filename, pathname] = uiputfile({'*.mat','mat'}); color_list_temp=(color_list/255).*rgb_type+color_list.*(~rgb_type); save([pathname,filename],'color_list_temp'); catch end end function saveas_txt(~,~) try [filename, pathname] = uiputfile({'*.txt','记事本'}); color_list_temp=(color_list/255).*rgb_type+color_list.*(~rgb_type); [m,n]=size(color_list_temp); fid=fopen([ pathname,filename],'w'); for ii=1:m for jj=1:n if jj==n fprintf(fid,'%d\r\n',color_list_temp(ii,jj)); else fprintf(fid,'%d\r\t',color_list_temp(ii,jj)); end end end fclose(fid); catch end end function saveas_exl(~,~) [filename, pathname] = uiputfile({'*.xlsx','记事本'}); color_list_temp=(color_list/255).*rgb_type+color_list.*(~rgb_type); xlswrite([ pathname,filename],color_list_temp) end function saveas_pic_all(~,~) page_with_color=total_page-1; px=50; gap_px=10; pic=ones(9*px,page_with_color*px+(page_with_color-1)*gap_px,3); for p=1:page_with_color for ii=(p-1)*9+1:p*9 for kk=1:3 if ii<=length(color_list) pic((ii-(p-1)*9-1)*px+1:(ii-(p-1)*9)*px,(p-1)*(px+gap_px)+1:(p-1)*(px+gap_px)+px,kk)=color_list(ii,kk)/255; end end end end [filename, pathname] = uiputfile({'*.jpg;*.png','all image files';... '*.jpg','jpg';'*.png','png' }); imwrite(pic,[pathname,filename]); end function saveas_pic_now(~,~) try [m,~]=size(color_list); m=m-(page-1)*9; m(m>9)=9; px=50; pic=ones(9*px,1*px,3); if m>0 for ii=(page-1)*9+1:(page-1)*9+m for kk=1:3 pic((ii-1)*px+1:ii*px,1:px,kk)=color_list(ii,kk)/255; end end else end [filename, pathname] = uiputfile({'*.jpg;*.png','all image files';... '*.jpg','jpg';'*.png','png' }); imwrite(pic,[pathname,filename]); catch end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %uh3=uimenu('label','导入'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gui.text=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','text',... 'string','色彩识别',... 'horizontalalign','center',... 'position',[50 440 400 30],... 'backgroundcolor',[0.85 0.89 0.85],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15); gui.text1=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','text',... 'string','',... 'horizontalalign','center',... 'position',[460 330 100 100],... 'backgroundcolor',[1 1 1],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',10); gui.text2=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','text',... 'string','',... 'horizontalalign','center',... 'position',[350 440 210 30],... 'backgroundcolor',[1 1 1],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',10); gui.savecolorbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','储存颜色',... 'position',[460 290 100 30],... 'backgroundcolor',[0.85 0.89 0.85],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@save_color); gui.deletedatabutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','清空数据',... 'position',[460 230 100 30],... 'backgroundcolor',[0.8 0.9 0.9],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@clear_data); gui.deletepicbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','删除图片',... 'position',[460 180 100 30],... 'backgroundcolor',[0.8 0.9 0.9],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@delete_pic); gui.getcapbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','屏幕截图',... 'position',[460 130 100 30],... 'backgroundcolor',[0.8 0.9 0.9],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@get_capture); gui.getpicbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','读取图片',... 'position',[460 80 100 30],... 'backgroundcolor',[0.8 0.9 0.9],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@getimage); gui.getcolorbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'tag','recc',... 'string','获取颜色',... 'position',[460 30 100 30],... 'backgroundcolor',[0.8 0.9 0.9],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@get_color); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% for i=1:9 gui.text=uicontrol('parent',gui.fig,... 'tag',num2str(i),... 'style','text',... 'string','',... 'horizontalalign','left',... 'position',[600 440-40*(i-1) 30 30],... 'backgroundcolor',[1 1 1],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',10); end for i=1:9 gui.text=uicontrol('parent',gui.fig,... 'tag',[num2str(i),'t'],... 'style','text',... 'string','',... 'horizontalalign','center',... 'position',[640 440-40*(i-1) 150 30],... 'backgroundcolor',[1 1 1],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',8); end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gui.inputbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','清除最后一个颜色',... 'position',[600 80 190 30],... 'backgroundcolor',[0.85 0.89 0.85],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',15,... 'callback',@delete_last); %gui.inputbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... %'style','pushbutton',... %'string','导出数据',... %'position',[600 30 190 30],... %'backgroundcolor',[0.85 0.89 0.85],... %'foregroundcolor','k',... %'fontsize',15,... %'callback',@output_data); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gui.lpbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','<上一页',... 'position',[600 30 70 30],... 'backgroundcolor',[0.85 0.85 0.85],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',12,... 'callback',@lastpage); gui.npbutton=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','pushbutton',... 'string','下一页>',... 'position',[720 30 70 30],... 'backgroundcolor',[0.85 0.85 0.85],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',12,... 'callback',@nextpage); gui.page=uicontrol('parent',gui.fig,... 'style','text',... 'string',[num2str(page),'/',num2str(total_page)],... 'horizontalalign','center',... 'position',[670 30 50 27],... 'backgroundcolor',[0.95 0.95 0.95],... 'foregroundcolor','k',... 'fontsize',12); function lastpage(~,~) page=page-1; page(page<1)=1; set(gui.page,'string',[num2str(page),'/',num2str(total_page)]); show_color(page); end function nextpage(~,~) page=page+1; page(page>total_page)=total_page; set(gui.page,'string',[num2str(page),'/',num2str(total_page)]); show_color(page); end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% gui.axes=axes('units','pixels',... 'plotboxaspectratio',[1 1 1],... 'position',[50 30 400 400],... 'color',[0.98 0.98 0.98],... 'box','on', ... 'xlim',[0 500],... 'ylim',[0 500], ... 'xcolor','w','ycolor','w',... 'ydir','reverse', ... 'tag','picbagaxes',... 'xtick',[],'ytick',[]); hold on; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %function output_data(~,~) %if color_number>1 %disp(color_list) %end %end function show_color(cur_page) len_list=size(color_list,1); for ii=(cur_page-1)*9+1:(cur_page-1)*9+9 if(ii<=len_list) set(findobj('tag',num2str(ii-(cur_page-1)*9)),'backgroundcolor',color_list(ii,:)/255) set(findobj('tag',[num2str(ii-(cur_page-1)*9),'t']),'string',['[',num2str((color_list(ii,:)/255).*rgb_type+color_list(ii,:).*(~rgb_type)),']']) else set(findobj('tag',num2str(ii-(cur_page-1)*9)),'backgroundcolor',[1 1 1]) set(findobj('tag',[num2str(ii-(cur_page-1)*9),'t']),'string','') end end end function save_color(~,~) if ~isempty(get(gui.text2,'string')) %set(findobj('tag',num2str(color_number)),'backgroundcolor',color/255) %set(findobj('tag',[num2str(color_number),'t']),'string',['[',num2str((color/255).*rgb_type+color.*(~rgb_type)),']']) color_list(color_number,:)=color;%(color/255).*rgb_type+color.*(~rgb_type); color_number=color_number+1; if color_number-1>(total_page-1)*9 page=ceil(color_number/9); total_page=total_page+1; set(gui.page,'string',[num2str(page),'/',num2str(total_page)]); end show_color(page) end end function delete_last(~,~) if color_number>=1 %set(findobj('tag',num2str(color_number-1)),'backgroundcolor',[1 1 1]) %set(findobj('tag',[num2str(color_number-1),'t']),'string','') color_list(end,:)=[]; color_number=color_number-1; if color_number-2<=(total_page-2)*9 page=ceil((color_number-1)/9); total_page=total_page-1; set(gui.page,'string',[num2str(page),'/',num2str(total_page)]); end show_color(page) end end function delete_pic(~,~) control=0; set(findobj('tag','picbagaxes'),... 'xlim',[0 500],... 'ylim',[0 500],... 'position',[50 30 400 400],... 'color',[0.98 0.98 0.98]); delete(a); end function clear_data(~,~) control=0; set(gui.text1,'backgroundcolor',[1 1 1]); set(gui.text2,'string',''); set(findobj('tag','picbagaxes'),... 'xlim',[0 500],... 'ylim',[0 500],... 'position',[50 30 400 400],... 'color',[0.98 0.98 0.98]); set(findobj('tag','recc'),'string','获取颜色'); delete(a); end function get_color(~,~) if control==0 set(gui.text1,'backgroundcolor',[1 1 1]); set(gui.text2,'string',''); end control=1; set(gcf,'windowbuttonmotionfcn',@whilemovefcn) set(gcf,'windowbuttondownfcn',@whileclickfcn) end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% function whilemovefcn(~,~) xy=get(gca,'currentpoint'); x=xy(1,2);y=xy(1,1); if x<=x_limit&&y<=y_limit&&x>=0&&y>=0 x(x>x_limit)=x_limit; y(y>y_limit)=y_limit; x(x<1)=1; y(y<1)=1; x=round(x); y=round(y); if control==1 color=double([ima(x,y,1),ima(x,y,2),ima(x,y,3)]); set(gui.text1,'backgroundcolor',color/255); set(gui.text2,'string',['[',num2str((color/255).*rgb_type+color.*(~rgb_type)),']']); end else if control==1 set(gui.text1,'backgroundcolor',[1 1 1]); set(gui.text2,'string',''); end end end function whileclickfcn(~,~) xy=get(gca,'currentpoint'); x=xy(1,2);y=xy(1,1); if x<=x_limit&&y<=y_limit&&x>=0&&y>=0 control=0; set(gui.text1,'backgroundcolor',color/255); set(gui.text2,'string',['[',num2str((color/255).*rgb_type+color.*(~rgb_type)),']']); set(findobj('tag','recc'),'string','继续取色'); %disp(color/255) end end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% function get_capture(~,~) screensize=get(0,'screensize'); screensize=1.5*screensize; robot=java.awt.robot(); rectangle=java.awt.rectangle(); rectangle.x=0; rectangle.y=0; rectangle.width=screensize(3); rectangle.height=screensize(4); image=robot.createscreencapture(rectangle); data=image.getdata(); temp=zeros(screensize(3)*screensize(4)*3,1); temp=data.getpixels(0,0,screensize(3),screensize(4),temp); temp=uint8(temp); r=temp(1:3:end); g=temp(2:3:end); b=temp(3:3:end); r=reshape(r,[screensize(3),screensize(4)]); g=reshape(g,[screensize(3),screensize(4)]); b=reshape(b,[screensize(3),screensize(4)]); r=r'; g=g'; b=b'; x_limit=screensize(4); y_limit=screensize(3); leng=max([x_limit,y_limit]); set(findobj('tag','picbagaxes'),... 'xlim',[0 leng],... 'ylim',[0 leng]); ima=cat(3,r,g,b); delete(a); a=imshow(ima); end function getimage(~,~) warning off; try [filename, pathname] = uigetfile({'*.jpg;*.tif;*.png;*.gif','all image files';... '*.*','all files' }); ima = imread([ pathname,filename]); [x,y,~]=size(ima); x_limit=x;y_limit=y; leng=max([x_limit,y_limit]); set(findobj('tag','picbagaxes'),... 'xlim',[0 leng],... 'ylim',[0 leng]); delete(a); a=imshow(ima); catch end end end
颜色转换与色差计算
用 rgb 比较颜色之间的相似度时,存在很大的问题,不建议直接使用,因为往往一个通道的一点改变,会导致最后融合在一起的颜色发生巨大变化,而如果三个通道的同时改变,却只会使最后的明暗发生变化,色调并不会产生巨大变化。而这也是h系列色彩空间普遍存在的问题。
所以,经过思考,我决定 rgb 的值转为 hsv 颜色空间,再进行色差计算。
色差计算,直接利用两个点的颜色在椎体上的欧式距离,即通过计算如下坐标点的欧式距离。我们通过编写 color_dist 函数计算。
%计算两个 hsv 颜色之间的距离 function d = color_dist(color_std,color) [x0,y0,z0] = getpos(color_std(1),color_std(2),color_std(3)); [x,y,z] = getpos(color(1),color(2),color(3)); d = sqrt((x-x0).^2+(y-y0).^2+(z-z0)^2); end function [x,y,z] = getpos(h,s,v) r = 1; h = sqrt(3); x = r*v*s*cos(h); y = r*v*s*sin(h); z = h*(1-v); end
%% 颜色转为 hsv,再进行色差计算 a2 = rgb2hsv(a); color2 = rgb2hsv(color); d = ones(low_num,col_num)*2; for i=1:low_num for j=1:col_num d(i,j) = color_dist(color2,a2(i,j,:)); end end mesh(d);
分离曲线
通过调节阈值参数,可以把我们想要的坐标轴过滤掉。阈值越小,过滤效果越明显。
%% 根据色彩,把想要的曲线分离出来 threshold = 0.5;%可以调整阈值使分离效果变好 i = (d<threshold); for i=1:3 rgb= a(:,:,i); rgb(~i)=255; a3(:,:,i) = rgb; end imshow(a3)
二值化,提取数据
二值化图像是以矩阵形式存储的。我们根据色素点在矩阵中的位置,利用行列指标和坐标轴的标准化关系,提取数据,重建坐标系。
%% 二值化,提取数据 leftup = [0,1];%标注截取的图片的左上角和右下角 rightdown = [1,0]; b = rgb2gray(a3); imshow(b); [pos_row,pow_col] = find(b~=255); ps = [pos_row-1,pow_col-1]; ps(:,1) = ps(:,1)./(low_num-1); ps(:,2) = ps(:,2)./(col_num-1); x = (rightdown(1)-leftup(1)).*ps(:,2)+leftup(1); y = leftup(2)-abs(rightdown(2)-leftup(2)).*ps(:,1); scatter(x,y,0.38); x = [x,y];
看着八九不离十了,但是注意这里的坐标点是以散点的形式画出来的。是无序且没有区分度的,我们甚至无法使用plot
。
数据点分类与排序
肉眼可见,这几条曲线是分隔开的。我们如何把这些数据按曲线分开且其上的点按顺序排好呢?我的做法是,使用鼠标选中你在意的曲线的一端,利用距离延拓法,还原整条曲线。
%% 数据分类与排序 n = size(x,1); gfrom = ginput(1); [~,mini] = min(sum((x - repmat(gfrom,n,1)).^2,2)); from = x(mini,:); x(mini,:) = []; x = [from;x]; tol = 0.01; x1 = findcurvepath(x,tol); plot(x1(:,1),x1(:,2))
其中用到了一个自己写函数 findcurvepath
,它可以从一个数据点出发,把所有的数据点按距离远近,像串珍珠一样串在一块。
function ps1 = findcurvepath(ps0,tol) %这个函数将点就近连接起来 ps1(1,1:2) = ps0(1,1:2);%将第一个取出来 ps0 = ps0(2:end,:);%ps0重置为剩下的部分 p = ps1(end,:);%p是取出来的最后一个 while ~isempty(ps0) i = 1; while 1 distances = p2psdistance(p,ps0); inds = find(distances == min(distances));%%%%%%%修复一个bug if length(inds) > 1 if size(ps1,1)<i+1 break; end p = ps1(end-i,:);%p是取出来的最后一个 i = i+1; else break; end end distances = p2psdistance(p,ps0); if min(distances)>tol break; end inds = find(distances == min(distances));%%%%%%%修复一个bug ind = inds(1); ps1(end+1,1:2) = ps0(ind,1:2); ps0(ind,:) = []; p = ps1(end,:); end end function distances = p2psdistance(p,ps) distances = sqrt((p(1)-ps(:,1)).^2+(p(2)-ps(:,2)).^2); end
后话
我不喜欢做 gui,因为乱七八糟的界面用起来确实令人心烦。另外一方面,不管是 gui 或者说进一步的 exe 桌面程序,都依赖于 matlab 的环境。也就是说,你要运行代码,就必须先装 matlab 的环境。试想,一个安装过和简单用过 matlab 的人,都是有能力可以通过代码修改一些参数的,那么你做 gui 不是画蛇添足么。
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