在图像处理中，经常会出现这图像显示为纯黑或者纯白的情况，这其实是数据类型转换时出错导致的。
在图像处理中，经常会出现这图像显示为纯黑或者纯白的情况，这其实是数据类型转换时出错导致的。
所涉及到的函数主要包括以下几个
- imread
- imshow
- double、im2double
- uint8、im2uint8
imread
图像文件经过 imread 函数读取后，获取到的图像数据类型为 uint8 。
clear;close all;clc
%% 导入图像
% https://www.ece.rice.edu/~wakin/images/lena512.bmp
img = imread('lena512.bmp');
%% 查看变量
whos img
%% 输出结果
%{
Name Size Bytes Class Attributes
img 512x512 262144 uint8
%}double
double 是 matlab 默认的数据类型，即双精度浮点数据，允许小数点的和负数存在。
在 matlab 中使用 double() 函数实现数据转型为 double 类型。
clear;close all;clc
%% 默认数据类型为 double
x1 = 123.5;
%{
Name Size Bytes Class Attributes
x1 1x1 8 double
%}
%% 默认数据转 double
x2 = double(x1);
whos x2
%{
Name Size Bytes Class Attributes
x2 1x1 8 double
%}
%% uint8 转double
x3 = uint8(245);
whos x3
%{
Name Size Bytes Class Attributes
x3 1x1 1 uint8
%}
x4 = double(x3);
whos x4
%{
Name Size Bytes Class Attributes
x4 1x1 8 double
%}结论
由于 double 属于浮点数据，精度高，取值范围广，因此输入数据转换为 double 类型后，数值一般不会发生改变，只是变成了浮点型数据，即数据允许小数点和负数存在了。
uint8
uint8 是一种无符号整型数据。取值范围为 0 到 255 之间的整数。
double --> uint8
clear;close all;clc
x = -100:1:350;
y = uint8(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
值得注意的是，这里的取整采用的是四舍五入的方式，即就近取整原则。
clear;close all;clc
x = -1:0.1:2;
y = uint8(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
结论
对于 double 类型的输入数据，uint8 将其 0 - 255 部分的数据取整，溢出的部分就近处理为 0 或 255。
im2uint8
uint8 --> im2uint8
clear;close all;clc
x = uint8(0:255);
y = im2uint8(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
axis square
axis tight
double --> im2uint8
clear;close all;clc
x = double(-100:255);
y = im2uint8(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
axis square
axis tight
clear;close all;clc
x = double(0:0.1:1);
y = im2uint8(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
axis square
axis tight
结论
- 对于 uint8 类型数据，im2uint8 不对其做变换。
- 对于 double 类型数据，im2uint8 将其 0 - 1 部分重新映射到 0 - 255 之间，然后对于溢出的部分，就近处理为 0 或 255。
im2double
double --> im2double
clear;close all;clc
x = double(-255:255);
y = im2double(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
axis square
axis tight
uint8 --> im2double
clear;close all;clc
x = uint8(0:255);
y = im2double(x);
plot(x,y);
xlabel('x');ylabel('y')
axis square
axis tight
结论
- 对于 double 类型数据，im2double 不对其做变换。
- 对于 uint8 类型数据，im2double 将其 0 - 255 部分重新映射到 0 - 1 之间，这里 uint8 数据本身有溢出限制，因此不存在小于 0 或 大于 1 的部分。
imshow
uint8 --> imshow
clear;close all;clc
x =uint8(0:255);
y = repmat(x,length(x),1);
imshow(y)
double --> imshow
clear;close all;clc
x =double(-255:255);
y = repmat(x,length(x),1);
imshow(y)
clear;close all;clc
x =double(0:0.01:1);
y = repmat(x,length(x),1);
imshow(y)
结论
- 对于 uint8 数据，imshow 直接按照 0 - 255 将数值映射到灰度级上，0 对应纯黑，255 对应纯白，中间为渐变灰。
- 对于 double 数据，imhsow 仅保留其 0 - 1 之间的数值，并映射到灰度级上，0 对应纯黑，1 对应纯白，中间为渐变灰；对于溢出的部分，就近处理到 0 或 1 ，显示为纯黑或纯白。
图像数据转换关系分析
根据以上结论，可以总结出在图像处理中数据类型的转换类型关系图。
当读取了一张图像后，数据就来到了图中的 uint8(0,255) 这个节点，表示数据类型为 uint8，取值范围为 0 到 255 ，然后，它可以使用前面提到的函数在 double 和uint8 之间任意地相互转换，但若想正常显示，则需要转换到 uint8 ，取值范围覆盖 0 到 255 之间，或转换到 double 取值范围覆盖 0 到 1。若无法对应以上规则，则有可能出现纯黑或者纯白的情况。
参考资料
- https://www.cs.utah.edu/~germain/PPS/Topics/Matlab/uint8.html
- https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/matlab_prog/integers.html
- https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/double.html
- https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/matlab_prog/floating-point-numbers.html
- https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/imread.html
- https://www.ece.rice.edu/~wakin/images/
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THE END
