Curso Matlab aplicado ao processamento de imagens - Aula 2
Nesta aula, vamos aprender sobre dois tópicos: a criação de interfaces gráficas do usuário - GUI e o básico de processamento de imagens. Esses são dois tópicos interessantes, e que podem ser considerados simples de serem realizados no Matlab.
Interfaces Gráficas do Usuário - GUI
O Matlab possui uma ferramenta para simplificar a criação de GUIs, o GUIDE. Neste curso, vamos criar uma interface simples, com dois eixos de plot, um campo de entrada de dados, dois botões de radio e um botão de apertar. No primeiro eixo vamos plotar um seno, e no segundo vamos plotar um cosseno ou uma tangente, dependendo do botão de radio marcado. A frequência da senoide será inicialmente 0, mas poderá ser alterada através do campo de dado.
Criação da interface
Para iniciar a criação da interface, escolha a pasta que você quer que os arquivos estejam salvos e digite na janela de comandos:
>> guide
Na janela quick start que apareceu, escolha Blank GUI e pressione OK.
A janela que se abre é o editor de interfaces. É aí que os botões são dispostos na janela. Para adicionar uma componente, basta clicar no botão na parte esquerda e arrastá-lo para a parte central, na posição desejada. Cada componenteadicionada possui atributos, que podem ser visualizados através de um duplo clique:
Inicie com a criação de 3 painéis, como dispostos na figura:
Inclua 2 axes nos painéis superior esquerdo e direito:
Por fim, inclua um campo edit text no painel inferior esquerdo dois radiobuttons na parte inferior do painel direito:
É possível alterar as informações escritas na interface, clicando duas vezes na componente e alterando o campo Title, no caso dos painéis, ou String para os demais. A interface concluída pode ser vista abaixo:
Salve o arquivo com o nome interface, uma janela com vários códigos irá aparecer. Ao digitar na janela de comando o comando interface, a janela da interface se abrirá.
Repare que nenhuma ação é executada ao clicar nos botões ou alterar o campo de texto. Isso acontece porque apenas a interface está criada, falta atribuir ações à cada uma das componentes. É isso que faremos na próxima etapa.
Atribuir uma ação às componentes
Ao salvar a interface criada, dois arquivos são gerados pela ferramenta, um interface.fig, que é a interface em si, e interface.m que é o código que indica a ação que cada componente gera. Este arquivo é organizado como funções, das quais as mais importantes são:
- interface: Abre a interface criada.
- interface_OpeningFcn: Última função executada antes que a interface seja efetivamente criada. É usada para inicialização de variáveis, etc.
- <componente>_Callback: Ação executada pelo componente ao ser pressionado.
Assim, para atribuir ações aos componentes, basta indicá-las no espaço correspondente à componente. Após escrever o código, não esqueça de salvar o arquivo. A seguir, vamos atribuir algumas ações às componentes:
Ação do botão
Inclua na função pushbutton1_Callback o código:
display('Botão pressionado')
salve, e execute a função. Repare que toda vez que o botão é pressionado, uma mensagem Botão pressionado é impressa na janela de comandos.
Plotando ao pressionar o botão
Para plotar um gráfico ao pressionar o botão, inclua na função pushbutton1_Callback o código:
plot(randn(1,10))
Referenciando uma componente específica
Repare que o eixo em que o gráfico foi plotado não foi escolhido. Para escolher o eixo, é preciso passar para a função plot um indicador da componente a ser utilizada. Todas as componentes estão dispostas na variável handles, struct criada automaticamente pela ferramenta GUIDE. Para esta interface, a variável handles possui os seguintes campos:
handles =
figure1: 191.0381
uipanel3: 27.0389
uipanel2: 25.0389
uipanel1: 19.0397
pushbutton1: 192.0381
radiobutton1: 34.0389
radiobutton2: 33.0389
axes2: 28.0389
edit1: 26.0389
axes1: 20.0389
output: 191.0381
Os valores atribuídos à cada campo não são muito importante, são as referências que o Matlab criou ao gerar a interface. Assim, para escolher o eixo em que o plot será feito, basta passar o valor handles.axes1 ou handles.axes2.
Guardando valores entre componentes
A ação de cada componente é atribuída por uma função dentro do arquivo interface.m. Sendo funções, todas as variáveis criadas são apagadas após sua execução. Caso seja necessário guardar valores entre as ações das componentes, pode-se atribuir à variável handles outros campos, que guardarão os valores desejados.
Por exemplo, para criar um contador de apertos no botão, precisamos de uma variável que guarde o número de vezes que o botão foi pressionado. Criamos um campo chamado contador na variável handles, inicializado com 0, e atribuímos a ação de somar 1 sempre que o botão for pressionado.
Para criar o campo e inicializá-lo com zero, inserimos um código à função interface_OpeningFcn, que ficará assim:
% --- Executes just before interface is made visible. function interface_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to interface (see VARARGIN) handles.contador = 0; %------------------------- Criando o contador % Choose default command line output for interface handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles);
O incremento do contador, e a impressão da mensagem com o número de vezes que o botão foi pressionado são incluídos na função pushbutton1_Callback:
handles.contador = handles.contador + 1; display(['O botão foi pressionado ' num2str(handles.contador) ' vezes'])
Porém, ao executar a interface e pressionar o botão, observamos que aparece sempre a mesma mensagem:
>> interface O botão foi pressionado 1 vezes O botão foi pressionado 1 vezes O botão foi pressionado 1 vezes
Isso acontece porque as funções de ação não retornam nenhum valor, ou seja, a alteração realizada na variável handle.contador se perde após a execução da função. Para salvar as variáveis, é necessário usar a função guidata(hObject, handles);. Assim, a função pushbutton1_Callback ficará:
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) handles.contador = handles.contador + 1; display(['O botão foi pressionado ' num2str(handles.contador) ' vezes']) guidata(hObject, handles);
Com isso, o problema está resolvido:
>> interface O botão foi pressionado 1 vezes O botão foi pressionado 2 vezes O botão foi pressionado 3 vezes
Capturando o valor do campo de texto
O valor do campo de texto está armazenado na variável hObject, que como o próprio nome já diz, é um objeto. Para atribuir ou receber valores da variável hObject, usamos respectivamente as funções set(hObject,'<atributo>',<valor>) e get(hObject,'<atributo>'). Vimos anteriormente que a variável handles traz a referência para todos os componentes da interface. Em contrapartida, a variável hObject traz os atributos apenas da componente atual, que estamos atribuindo a ação. Cada componente tem seu conjunto de atributos.
Para ver os atributos disponíveis no campo de texto, incluímos na sua função de ação (edit1_Callback) o código get(hObject). Ao alterar o valor do campo, a seguinte mensagem é impressa na janela de comandos:
BackgroundColor = [1 1 1] Callback = [ (1 by 1) function_handle array] CData = [] Enable = on Extent = [0 0 24.8 1.38462] FontAngle = normal FontName = MS Sans Serif FontSize = [8] FontUnits = points FontWeight = normal ForegroundColor = [0 0 0] HorizontalAlignment = center KeyPressFcn = ListboxTop = [1] Max = [1] Min = [0] Position = [3.6 1.76923 32.2 2.30769] String = Valor alterado------------- Style = edit SliderStep = [0.01 0.1] TooltipString = Units = characters Value = [0] BeingDeleted = off ButtonDownFcn = Children = [] Clipping = on CreateFcn = [ (1 by 1) function_handle array] DeleteFcn = BusyAction = queue HandleVisibility = on HitTest = on Interruptible = on Parent = [25.0402] Selected = off SelectionHighlight = on Tag = edit1 Type = uicontrol UIContextMenu = [] UserData = [] Visible = on
Repare que o atributo String recebeu o valor digitado no campo de texto. Assim, é esse o campo que precisamos ler se quisermos receber o valor da frequência digitado pelo usuário. Para guardar o valor digitado, criamos um campo na variável handles.
Criamos o campo f na variável handles e inicializamos com zero, na função interface_OpeningFcn:
function interface_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to interface (see VARARGIN) handles.f = 0; % Choose default command line output for interface handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles);
Adicionamos a ação de guardar o valor digitado no campo de texto, na função edit1_Callback. Não esquecer de salvar a alteração na variável com a função guidata(hObject, handles);:
function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) handles.f = get(hObject,'String'); guidata(hObject, handles);
Por fim, configuramos no botão a ação de mostrar na janela de comandos o valor da variável handles.f:
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) display(['Valor da variável f: ' handles.f])
Veja as mensagens exibidas, sempre que o botão é pressionado
>> interface Valor da variável f: 4 Valor da variável f: 5 Valor da variável f: ola amiguinhos
Utilizando os radiobuttons
Cada radiobutton tem uma função de ação. O estado de um botão de ação é acessado pelo atributo Value, que se for igual a 1 indica que o botão está marcado e se for igual a 0 indica que o botão não está marcado. Dependendo de vários fatores, ao marcar um botão, é possível que um botão previamente marcado seja desmarcado ou não. Assim, uma ação interessante de ser executada quando um radiobutton for marcado é a desmarcação dos outros radiobuttons. Ou seja, na função de ação do radiobutton1, radiobutton1_Callback, escrevemos:
set(handles.radiobutton1,'Value',1) set(handles.radiobutton2,'Value',0)
E na função de ação do radiobutton2, radiobutton2_Callback, escrevemos:
set(handles.radiobutton1,'Value',0) set(handles.radiobutton2,'Value',1)
Repare que os atributos dos componentes também podem ser acessados a partir da referência disponível na variável handles.
É interessante também guardar o radiobutton escolhido. Para isso, criamos uma variável chamada estado, como um campo da variável handles. Esta variável terá os valores 1 ou 2, dependendo do radiobutton escolhido. Além disso, pode ser necessário inserir um estado inicial dos radiobuttons, evitando que todos fiquem desmarcados. Assim, para trabalhar com os radiobuttons fazemos:
- Adicionamos na função interface_OpeningFcn a criação da variável estado e a rotina de inserção do seu estado inicial:
function interface_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to interface (see VARARGIN) % Diz que o botão selecionado é o 1 handles.estado = 1; % Inicializa o estado dos botões set(handles.radiobutton1,'Value',1) set(handles.radiobutton2,'Value',0) % Choose default command line output for interface handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles);
- Dizemos que, ao selecionar um radiobutton o outro deve ser desmarcado, e guardamos o estado dos botões:
function radiobutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to radiobutton1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Diz que o botão selecionado é o 1 handles.estado = 1; set(handles.radiobutton1,'Value',1) set(handles.radiobutton2,'Value',0) % Update handles structure guidata(hObject, handles);
function radiobutton2_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to radiobutton2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Diz que o botão selecionado é o 2 handles.estado = 2; set(handles.radiobutton1,'Value',0) set(handles.radiobutton2,'Value',1) % Update handles structure guidata(hObject, handles);
- Inserimos uma função de display como ação do botão:
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) display(['Radiobutton selecionado: ' num2str(handles.estado)])
Repare que foi necessário converter o número para string. Ao executar a interface, observamos o resultado esperado:
>> interface Radiobutton selecionado: 1 Radiobutton selecionado: 2 Radiobutton selecionado: 2
Completando a interface
Para completar a interface, seguimos os passos:
- Na função interface_OpeningFcn, inserimos um estado inicial para os botões, geramos um estado inicial para a frequência dos sinais, geramos o eixo do tempo no qual os sinais estarão definidos e fazemos os plots com os valores padrão:
function interface_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to interface (see VARARGIN) % ------------------------------------------------------ % Diz que o botão selecionado é o 1 handles.estado = 1; % Inicializa o estado dos botões set(handles.radiobutton1,'Value',1) set(handles.radiobutton2,'Value',0) % Inicializa os valores dos sinais handles.f = 0; handles.t = 0:0.001:1; % Faz os plots com os valores padrão plot(handles.axes1,sin(2*pi*handles.f*handles.t)) plot(handles.axes2,cos(2*pi*handles.f*handles.t)) % ------------------------------------------------------ % Choose default command line output for interface handles.output = hObject; % Update handles structure guidata(hObject, handles);
- Na função radiobutton1_Callback, incluímos os códigos para o comportamento adequado:
function radiobutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to radiobutton1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Diz que o botão selecionado é o 1 handles.estado = 1; set(handles.radiobutton1,'Value',1) set(handles.radiobutton2,'Value',0) % Update handles structure guidata(hObject, handles);
- O mesmo para a função radiobutton2_Callback
function radiobutton2_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to radiobutton2 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Diz que o botão selecionado é o 1 handles.estado = 2; set(handles.radiobutton1,'Value',0) set(handles.radiobutton2,'Value',1) % Update handles structure guidata(hObject, handles);
- Na função edit1_Callback, armazenamos o valor digitado no campo de texto na variável f
function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Pega o valor digitado handles.f = str2double(get(hObject,'String')); % Update handles structure guidata(hObject, handles);
- Por fim, na função pushbutton1_Callback, plotamos o seno com o valor atual de frequência e selecionamos o segundo plot baseados no radiobutton escolhido:
function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to pushbutton1 (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB
% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Faz os plots com os valores padrão
plot(handles.axes1,sin(2*pi*handles.f*handles.t))
if handles.estado == 1
plot(handles.axes2,cos(2*pi*handles.f*handles.t))
elseif handles.estado == 2
plot(handles.axes2,tan(2*pi*handles.f*handles.t))
end
A interface completa está disponível abaixo:
Processamento de imagens
O processamento de imagens no Matlab é bastante facilitado. Nesta parte do curso, vamos estudar o básico do processamento de imagens, inicialmente para uma imagem em escala de cinza e depois para uma imagem colorida.
Inicialmente, salve as duas imagens abaixo no diretório de trabalho, e altere o diretório do Matlab para esta pasta. Para facilitar o trabalho, salve as variáveis como imagem1.jpeg e imagem2.jpeg.
Imagem em escala de cinza
Para ler uma imagem do computador, é utilizada a função imread:
>> x = imread('imagem1.jpeg');
Para visualizar a imagem, é utilizada a função imshow. Uma figura pode antes ser aberta, para evitar que a imagem seja exibida em cima de uma outra figura:
>> figure >> imshow(x)
Pelo comando whos, é possível perceber alguns atributos da imagem:
>> whos x Name Size Bytes Class Attributes x 599x507 303693 uint8
A imagem é para o Matlab uma matriz de 599x507, do tipo uint8. Sendo o valor um inteiro de 8 bits sem sinal, os valores podem ir de 0 a 255. No Matlab, valores mais próximos de 0 são de cor escura e valores mais próximos de 1 são de cor clara.
Negativo da imagem
Para tirar o negativo da imagem, precisamos transformar valores próximos de 0 em valores próximos de 255, e vice-versa. Uma forma de fazer isso é subtrair 255 da imagem, e depois multiplicar por -1. Neste caso, porém, precisaremos realizar uma mudança no tipo do dado, pois a variável é inteira e sem sinal:
>> y = uint8(-1*(double(x)-255)); >> figure >> imshow(y)
Aumentando e reduzindo o brilho
Aumentar o brilho significa deixar a imagem mais clara. Esta operação é feita somando uma constante à imagem:
>> z = x + 50; >> figure >> imshow(z)
Aumentando e reduzindo o contraste
Para aumentar o contraste, deixamos as cores claras mais claras e as cores escuras mais escuras. Isso pode ser feito facilmente no Matlab com algumas operações matemáticas. Primeiro, definimos o que são cores claras e o que são cores escuras, através de um limiar:
>> limiar = 180;
Esta variável indica que todos os valores com intensidade acima de 180 serão realçados enquanto todos abaixo de 180 serão atenuados. Com o limiar definido, fazemos uma operação de divisão:
>> a = double(x)/limiar;
O resultado da divisão será:
- Números entre 0 e 1, para valores de x menores que 180
- Números maiores que 1, para valores maiores que 180
Por isso a conversão de x para o tipo double foi necessária, já que o tipo uint8 não permite representar esses resultados. Após a divisão, o aumento no contraste é realizado por uma potenciação:
>> b = a.^2;
Essa operação faz com que os valores maiores que 1 fiquem ainda maiores, e os valores menores que 1 ainda menores. A operação é concluída ao multiplicar os valores pelo limiar, e converter os dados para uint8 novamente:
>> c = uint8(b*limiar);
Para observar o resultado, mostramos uma imagem ao lado da outra:
>> figure
>> subplot(1,2,1); imshow(x); title('Imagem original')
>> subplot(1,2,2); imshow(c); title('Imagem com o contraste aumentado')
O contraste pode ser ainda mais realçado ao utilizar potências maiores do que 2. Da mesma forma, podemos reduzir o contraste ao utilizar operações de raiz.
Binarização
A binarização é uma forma de separar regiões de imagens. A imagem resultante será branca nas regiões onde a intensidade da imagem original é maior que um determinado limiar e preta nas outras regiões. Essa operação é realizada de forma muito simples no Matlab. Para demonstrar isso, vamos usar o mesmo limiar utilizado no aumento de contraste. A binarização é realizada a partir de um teste:
>> d = x >= limiar;
Na linha acima, primeiro testamos se x é maior ou igual ao limiar. O Matlab retorna o lógico 1 quando o teste é verdadeiro e o lógico 0 quando o teste é falso. Esses resultados são armazenados na variável d.
Ao analisar o resultado (o imshow entende quando seu argumento é uma matriz binária), vemos que as partes mais claras da imagem ficaram brancas, enquanto as mais escuras ficaram pretas.
Adicionando uma marca d'água
Imagem colorida
Agora vamos ler a imagem colorida, e verificar as diferenças com relação à escala de cinza:
>> a = imread('imagem2.jpeg');
>> figure
>> imshow(a)
Ao executar o comando whos, percebemos as diferenças entre as imagens:
>> whos a Name Size Bytes Class Attributes a 388x640x3 744960 uint8
Repare que, da mesma forma que a imagem em escala de cinza, a imagem colorida é composta por valores do tipo uint8. Porém, neste caso, há uma terceira dimensão disponível. É a partir desta nova dimensão que as características de cor são passadas. Uma imagem colorida é composta por 3 planos de cor, cada um representando a quantidade disponível das cores vermelho, verde ou azul. Quanto maior o valor de um elemento do plano, maior a quantidade da cor correspondente. Com isso, temos as componentes RGB da imagem.
Criando uma imagem da paleta de cores
Vamos criar uma imagem que indica a quantidade de cada cor disponível. Para isso, vamos separar uma figura do Matlab em 4 sub-figuras com a função subplot. Primeiro, abrimos uma nova figura, e na primeira subfigura, exibimos a imagem colorida:
>> figure
>> subplot(2,2,1); imshow(a); title('Imagem colorida')
Na segunda sub-figura, plotamos as componentes de vermelho:
>> subplot(2,2,2); imshow(a(:,:,1)); title('Componentes de vermelho - R')
Na terceira, os componentes de verde:
>> subplot(2,2,3); imshow(a(:,:,2)); title('Componentes de verde - G')
Na quarta, os componentes de azul:
>> subplot(2,2,4); imshow(a(:,:,3)); title('Componentes de azul - B')
Repare nas diferenças entre as 3 figuras de cor:
Paleta de cores modificada
Visando deixar a imagem da paleta de cores um pouco mais visual, vamos criar imagens baseadas na imagem inicial. Criamos 3 matrizes, b_R, b_G, e b_B, do tamanho da imagem inicial, inicialmente com zeros. Não esquecer que o tipo dos dados deve ser uint8.
>> b_R = uint8(zeros(size(a))); >> b_G = uint8(zeros(size(a))); >> b_B = uint8(zeros(size(a)));
Após isso, atribuímos o primeiro plano da imagem original ao primeiro plano da imagem b_R. O segundo plano da imagem original é atribuído ao segundo plano da imagem b_G, e o terceiro plano ao terceiro plano da imagem b_B:
>> b_R(:,:,1) = a(:,:,1); >> b_G(:,:,2) = a(:,:,2); >> b_B(:,:,3) = a(:,:,3);
Feito isso, realizamos os subplots da mesma forma como antes:
>> figure
>> subplot(2,2,1); imshow(a); title('Imagem colorida')
>> subplot(2,2,2); imshow(b_R); title('Componentes de vermelho - R')
>> subplot(2,2,3); imshow(b_G); title('Componentes de verde - G')
>> subplot(2,2,4); imshow(b_B); title('Componentes de azul - B')
Com essa nova imagem, deixamos ainda mais claro como estão distribuídas as componentes de cor.
