29、MATLAB 中的视听处理与图形用户界面开发

MATLAB 中的视听处理与图形用户界面开发

1. 声音文件处理

声音信号是连续信号，经过采样后变成离散信号。采样频率指单位时间（如每秒）内的采样次数，通常用赫兹（Hz）衡量。在 MATLAB 里，离散声音信号由向量表示，频率以赫兹为单位。MATLAB 有多个 MAT 文件存储不同声音的信号向量（变量 y ）和频率（变量 Fs ），像 chirp 、 gong 、 laughter 等。

1.1 播放声音

MATLAB 有内置函数 sound 可将声音信号发送到输出设备（如扬声器）。函数调用格式为：

>> sound(y,Fs)

例如，要播放锣声，可按以下步骤操作：

>> load gong
>> sound(y,Fs)

1.2 绘制声音信号

声音信号的振幅存储在变量 y 中，范围应在 -1 到 1 之间。可使用 plot 函数显示数据，以下脚本创建子图显示 chirp 和 train 的信号：

% Display the sound signals from chirp and train
load chirp
subplot(2,1,1)
plot(y)
title('Chirp')
load train
subplot(2,1,2)
plot(y)
title('Train')

1.3 不同音频文件格式处理

sound 函数的第一个参数可以是 n×2 矩阵以实现立体声。调用 sound 函数时可省略第二个参数，此时默认采样频率为 8192 Hz。MATLAB 还有其他处理声音或音频文件的函数，常见音频文件格式及对应处理函数如下：
| 文件格式 | 开发公司 | 对应处理函数 | 默认频率 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| .au | Sun Microsystems | auread （读取）、 auwrite （写入） | - |
| .wav | Microsoft | wavread （读取）、 wavrecord （录制）、 wavwrite （写入）、 wavplay （播放） | 11025 Hz |

2. 句柄图形介绍

在句柄图形中，所有图形由不同对象组成，每个对象都有唯一的句柄，用于引用该对象。

2.1 图形对象及其属性

图形对象包括图形基元（如线条和文本）以及用于定位对象的坐标轴。对象按层次结构组织，每个对象都有相关属性，这是面向对象编程的基础，子对象通常继承父对象的属性。其层次结构如下：

graph LR
    A[Figure] --> B[Axes]
    B --> C[Core Objects]
    B --> D[Plot Objects]

2.2 核心对象

MATLAB 中的核心对象是基本的图形基元，包括 line 、 text 、 rectangle 、 patch 和 image 。以下是部分核心对象的示例：

2.2.1 线条对象

>> x = -2*pi: 1/5 : 2*pi;
>> y = sin(x);
>> hl = line(x,y,'LineWidth', 3, 'Color', [0.5 0.5 0.5])

可使用 get 函数查看对象属性：

>> get(hl)

2.2.2 文本对象

>> x = –4:0.2:4;
>> y = sin(x);
>> hp = line(x,y,'LineWidth',3);
>> thand = text(2,0,'Sin(\pi)\rightarrow')

使用 set 函数修改文本框属性：

>> set(thand,'BackgroundColor',[0.8 0.8 0.8],...
    'EdgeColor',[1 0 0])

2.2.3 矩形对象

>> recthand = rectangle;
>> get(recthand)

可设置矩形对象的属性：

>> rh = rectangle('Position', [0.2, 0.2, 0.5, 0.8],...
    'Curvature',[0.5, 0.5]);
>> axis([0 1.2 0 1.2])
>> set(rh,'Linewidth',3,'LineStyle',':')

2.2.4 面片对象

polyhedron.vertices = [
0 0 0
1 0 0
0 1 0
0.5 0.5 1];
polyhedron.faces = [
1 2 3
1 2 4
1 3 4
2 3 4];
pobj = patch(polyhedron, ...
    'FaceColor',[0.8, 0.8, 0.8],...
    'EdgeColor','black');

3. 图像处理

图像在 MATLAB 中通常用矩阵表示，矩阵元素对应图像的像素，像素颜色有两种基本表示方法：

3.1 真彩色（RGB）

真彩色矩阵是三维矩阵，前两个维度表示像素坐标，第三个索引表示颜色分量（ (:,:,1) 为红色， (:,:,2) 为绿色， (:,:,3) 为蓝色）。例如，创建一个 2×2 的真彩色图像：

>> mat(1,1,1) = 255;
>> mat(1,1,2) = 0;
>> mat(1,1,3) = 0;
>> mat(1,2,1) = 0;
>> mat(1,2,2) = 0;
>> mat(1,2,3) = 255;
>> mat(2,1,1) = 0;
>> mat(2,1,2) = 255;
>> mat(2,1,3) = 0;
>> mat(2,2,1) = 0;
>> mat(2,2,2) = 0;
>> mat(2,2,3) = 0;
>> mat = uint8(mat);
>> image(mat)

3.2 颜色映射索引

索引表示法使用一个 m×n 的整数矩阵，每个整数是颜色映射矩阵的行索引。颜色映射矩阵是 p×3 的矩阵，存储红、绿、蓝分量。例如，显示 jet 颜色映射的 64 种颜色：

>> cmap = reshape(1:64, 8,8)
>> image(cmap)

3.3 图像文件处理

使用 imread 函数读取图像文件，如 JPEG 文件：

>> myimage1 = imread('Fishing_1.JPG');
>> size(myimage1)
>> image(myimage1)

可通过操作矩阵中的数值改变图像，如将图像变暗：

>> dimmer = 0.75*myimage1;
>> image(dimmer)

4. 图形用户界面介绍

图形用户界面（GUIs）允许用户通过图形界面（如按钮、滑块、单选按钮等）进行输入，是面向对象编程的一个例子，存在层次结构。

4.1 创建 GUI 的基本方法

在 MATLAB 中有两种创建 GUI 的基本方法：
1. 从头编写 GUI 程序。
2. 使用内置的图形用户界面开发环境（GUIDE）。GUIDE 可让用户图形化布局 GUI，MATLAB 自动生成代码，但为了理解和修改代码，需掌握底层编程概念，下面重点介绍编程方法。

4.2 图形窗口与属性设置

图形窗口是任何 GUI 的父对象，调用 figure 函数会弹出一个空白图形窗口。例如：

>> f = figure;

使用 get 函数可查看默认属性，使用 set 函数可更改属性，如：

>> get(f)
>> set(f, 'Color', 'white', 'Position', [300, 400, 450, 250])

创建 GUI 时，通常先创建父图形窗口并使其不可见，添加所有用户界面对象并设置属性后，再使其可见。

4.3 简单 GUI 示例

以下是一个仅包含静态文本框的简单 GUI 示例：

function simple_gui
% This is a simple GUI that just has a static text box
% Create the GUI but make it invisible for now while
% it is being initialized
f = figure('Visible', 'off', 'color', 'white', 'Position',...
    [300, 400, 450, 250]);
htext = uicontrol('Style', 'text', 'Position',...
    [200, 50, 100, 25], 'String', 'My First GUI string');
% Put a name on it and move to the center of the screen
set(f, 'Name', 'Simple GUI')
movegui(f, 'center')
% Now the GUI is made visible
set(f, 'Visible', 'on');
end

4.4 带可编辑文本框的 GUI 示例

此示例允许用户在可编辑文本框中输入字符串，按下回车键后，字符串将以红色大字体显示：

function gui_with_editbox
% This is a GUI that has an editable text box
% and a callback function that prints the user’s
% string in red
% Create the GUI but make it invisible for now
f = figure('Visible', 'off', 'color', 'white', 'Position',...
    [360, 500, 800, 600]);
% Put a name on it and move it to the center of the screen
set(f, 'Name', 'GUI with editable text')
movegui(f, 'center')
% Create two objects: a box where the user can type and
% edit a string and also a text title for the edit box
hsttext = uicontrol('Style', 'text',...
    'BackgroundColor', 'white',...
    'Position', [100, 425, 400, 55],...
    'String', 'Enter your string here');
huitext = uicontrol('Style', 'edit',...
    'Position', [100, 400, 400, 40],...
    'Callback', @callbackfn);
% Now the GUI is made visible
set(f, 'Visible', 'on');
    % Call back function
    function callbackfn(source, eventdata)
        set([hsttext huitext], 'Visible', 'off');
        % Get the string that the user entered and print
        % it in big red letters
        printstr = get(huitext, 'String');
        hstr = uicontrol('Style', 'text',...
            'BackgroundColor', 'white',...
            'Position', [100, 400, 400, 55],...
            'String', printstr,...
            'ForegroundColor', 'Red', 'FontSize', 30);
        set(hstr, 'Visible', 'on')
    end
end

流程如下：

graph TD
    A[创建不可见图形窗口] --> B[创建静态文本框和可编辑文本框]
    B --> C[使图形窗口可见]
    C --> D[用户输入字符串并回车]
    D --> E[调用回调函数]
    E --> F[隐藏原文本框，显示红色大字体字符串]

4.5 带按钮的 GUI 示例

此示例在 GUI 中添加了一个按钮，用户输入字符串后，点击按钮才会触发回调函数：

function gui_with_pushbutton
% This is a GUI with an editable text box and a pushbutton
% Create the GUI but make it invisible for now while
% it is being initialized
f = figure('Visible', 'off', 'color', 'white', 'Position',...
    [360, 500, 800, 600]);
hsttext = uicontrol('Style', 'text', 'BackgroundColor', 'white',...
    'Position', [100, 425, 400, 55],...
    'String', 'Enter your string here');
huitext = uicontrol('Style', 'edit', 'Position', [100, 400, 400, 40]);
set(f, 'Name', 'GUI with pushbutton')
movegui(f, 'center')
% Create a pushbutton that says Push me!!
hbutton = uicontrol('Style', 'pushbutton', 'String',...
    'Push me!!', 'Position', [600, 50, 150, 50],...
    'Callback', @callbackfn);
% Now the GUI is made visible
set(f, 'Visible', 'on');
    % Call back function
    function callbackfn(source, eventdata)
        set([hsttext huitext hbutton], 'Visible', 'off');
        printstr = get(huitext, 'String');
        hstr = uicontrol('Style', 'text', 'BackgroundColor',...
            'white', 'Position', [100, 400, 400, 55],...
            'String', printstr,...
            'ForegroundColor', 'Red', 'FontSize', 30);
        set(hstr, 'Visible', 'on')
    end
end

4.6 带滑块的 GUI 示例

以下示例创建了一个滑块，可显示滑块的最小值、最大值和当前值：

function gui_slider
% This is a GUI with a slider
f = figure('Visible', 'off', 'color', 'white', 'Position',...
    [360, 500, 300, 300]);
% Minimum and maximum values for slider
minval = 0;
maxval = 5;
% Create the slider object
slhan = uicontrol('Style', 'slider', 'Position',...
    [80, 170, 100, 50],...
    'Min', minval, 'Max', maxval, 'Callback', @callbackfn);
% Text boxes to show the minimum and maximum values
hmintext = uicontrol('Style', 'text', 'BackgroundColor', 'white',...
    'Position', [40, 175, 30, 30], 'String', num2str(minval));
hmaxtext = uicontrol('Style', 'text', 'BackgroundColor', 'white',...
    'Position', [190, 175, 30, 30], 'String', num2str(maxval));
% Text box to show the current value (off for now)
hsttext = uicontrol('Style', 'text', 'BackgroundColor', 'white',...
    'Position', [120, 100, 40, 40], 'Visible', 'off');
set(f, 'Name', 'Slider Example')
movegui(f, 'center')
set(f, 'Visible', 'on');
    % Call back function displays the current slider value
    function callbackfn(source, eventdata)
        num = get(slhan, 'Value');
        set(hsttext, 'Visible', 'on', 'String', num2str(num))
    end
end

流程如下：

graph TD
    A[创建不可见图形窗口] --> B[设置滑块最小、最大值]
    B --> C[创建滑块和文本框]
    C --> D[使图形窗口可见]
    D --> E[用户操作滑块]
    E --> F[调用回调函数，显示当前值]

通过以上内容，我们了解了 MATLAB 中声音文件处理、句柄图形、图像处理和图形用户界面开发的相关知识和操作方法。在实际应用中，可根据需求灵活运用这些功能，开发出满足各种需求的程序。