基于MATLAB的數字視頻處理技術

耿小芬

摘? 要：MATLAB具有強大的工程計算能力，借助其自帶的視頻及圖像處理工具箱，并結合相關函數，用戶可以非常方便地對AVI格式的視頻進行分析、計算和數據提取工作，這在數字圖像處理中，在對運動物體檢測和跟蹤等技術領域中具有現實的使用價值。本文通過實際案例驗證了MATLAB在視頻處理中的強大功能，為處理數字圖像提供了科學依據。

關鍵詞：MATLAB;圖像處理;AVI

中圖分類號：TN941.3? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1672-8122（2019）04-0013-02

1.引言

MATLAB是由Matrix（矩陣）和Laboratory（實驗室）兩詞的前三個字母組合而成，含有矩陣實驗室的意思。由美國 MathWorks 公司推出，主要用于數值計算和圖形處理的軟件。MATLAB 中包括很多工具箱，除了Simulink主模塊外， 還包含許多特定領域的模塊，主要有：通信工具箱、航空航天模型、計算機視頻處理工具箱、控制系統工具箱、數據采集工具箱、EDA仿真、嵌入式編碼器等模塊，分別涵蓋了數據獲取、科學計算、控制系統等領域40多個專業領域。除此之外， MATLAB 還具有語法簡單、易學易用，能實現面向對象編程，有方便的繪圖功能，能方便的交互式編程和強大的擴充能力等特點; MATLAB豐富的函數使開發者無需重復編程，只要簡單地調用就能實現強大的功能。[1]因此， MATLAB已經成為目前使用最為廣泛的工程應用軟件。

2.MATLAB 視頻處理簡介

MATLAB 的圖像處理工具箱功能十分強大， 可以支持多種格式的圖像文件，如 *.bmp 、*.jpg、*.gif、*.tiff、*.png等。MATLAB也有很多對圖像處理的函數，這些函數按其功能可分為：圖像顯示、圖像文件I/O、幾何操作、像素和統計處理、圖像分析、圖像增強、線性濾波、線性二元濾波設計、圖像變換、鄰域和塊處理、 二進制圖像操作、區域處理、顏色映像處理、顏色空間變換、圖像類型和類型轉換。利用工具箱和這些函數可以很方便的對圖像進行處理。

視頻處理是對圖像處理的一種擴展，MATLAB進行視頻分析，首先要能讀取單幀圖片，然后對圖片進行處理分析。[2]近年來視頻的廣泛應用也促進了圖像技術的推廣。另外，在圖像和視頻處理中既要理解原理，還要鉆研算法，才能利用圖像和視頻處理技術解決實際問題。生活中我們經常需要處理一些視頻文件，如：從一個AVI文件中提取一幅或者幾幅畫面。利用 MATLAB 視頻及圖像處理工具箱，能根據用戶需要在視頻文件中讀取特定數據，實現對指定畫面的提取。

3.視頻圖像提取原理

所謂視頻是指將一系列靜態圖像以電信號的方式加以捕捉、紀錄、處理、儲存、傳送與重現的各種技術。連續的圖像以每秒超過24幀的速度播放，根據人眼的視覺暫留原理，就變成了連續的畫面，這就是視頻。由于視頻文件普遍較大，在傳輸中為了減少存儲空間，往往將視頻文件以一定的算法進行壓縮，不通過專業軟件很難將其中的某一幅（幀）畫面手工提取出來。通過研究和實驗發現，利用 MATLAB 提供的視頻及圖像處理工具箱，可以很方便的對視頻文件中的圖像進行操作。

（1）MATLAB中常用的圖像處理函數

MATLAB圖像處理工具箱中有一些自帶的函數，利用這些函數可以方便的實現絕大多數圖像的處理。如：imread（讀取一幅圖像文件）、imshow（顯示一幅圖像）、colormap（設置圖像的色彩映射）、imfinfo（獲得一幅圖像的相關信息）、imwrite（輸出一幅圖像）、ind2rgb（將一幅索引圖像轉變為RGB圖像）等等。

（2）MATLAB中與 AVI 視頻處理相關的函數

MATLAB 視頻處理工具箱中有一些函數，利用這些視頻處理函數可以方便地讀取 AVI 文件中的數據，獲得該文件的相關屬性。利用這些屬性可以在AVI 文件中提取出用戶需要的信息。如：aviinfo（獲得AVI視頻文件的相關信息）、aviread（讀取一段視頻）、VideoReader（讀取視頻文件）、VideoWriter（與一些命令結合使用，以保存視頻文件）、WriteVedio（用于向指定的視頻文件中添加圖片、視頻等）。

下面將通過一些例子來簡要介紹利用 MATLAB 處理AVI視頻的方法。

4.應用舉例

（1）在AVI視頻文件中提取某一幅畫面

AVI是微軟公司開發的一種數字音頻和視頻文件格式，全稱是Audio Video Interleaved（視頻交錯格式），是目前常用的視頻文件格式之一，一般用于存儲電視、電影等各種影像信息。一個AVI 視頻文件可以包含多個不同類型的媒體流，如：音頻流，視頻流，控制流和MIDI 流。音頻流和視頻流存儲音頻數據和視頻數據，為了保證視頻畫面與音頻同步，音頻流和視頻流采用了交錯存儲的方式;控制流用來控制視頻的顯示;MIDI 流用來提供視頻播放過程中的背景音樂。當然，含有單一音頻流或單一視頻流的AVI文件也是合法的。[3]

早期版本的MATLAB中讀取視頻文件時只能用aviread函數，該函數支持的視頻文件編碼有限。目前，我們可以用視頻讀取函數VideoReader來讀取視頻，輸入如下代碼并運行程序，視頻加載并播放。運行完成后在當前目錄下生成和視頻幀數相同的若干個圖片文件。（假設當前文件夾內存儲有視頻文件viptrain.avi）效果。

%讀取視頻文件并顯示

fileName = 'viptrain.avi';? ? ? ? ? %定義存儲視頻變量