Matlab 图像处理中出现纯黑或纯白是怎么回事？

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

1. 对于 uint8 类型数据，im2uint8 不对其做变换。
2. 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

1. 对于 double 类型数据，im2double 不对其做变换。
2. 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

1. 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。
2. 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

1. https://www.cs.utah.edu/~germain/PPS/Topics/Matlab/uint8.html
2. https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/matlab_prog/integers.html
3. https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/double.html
4. https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/matlab_prog/floating-point-numbers.html
5. https://ww2.mathworks.cn/help/matlab/ref/imread.html
6. https://www.ece.rice.edu/~wakin/images/