1、MATLAB基础及应用（第5版）第7章 Simulink仿真 本章要点本章要点 Simulink系统的基本模块 仿真模型的编辑 仿真参数的设置7.1 认识Simulink Simulink 是MATLAB环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。该系统的两个主要功能就是Simu（仿真）和Link（连接）。一、Simulink的启动和退出 1Simulink的启动在MATLAB操作桌面下，单击工具栏中的“Simulink Library”按钮 ；或在命令窗口键入命令“simulink”，单击【Enter】键，都会弹出一个名为“Simulink Start Page”的对话框。图7-1 “
2、Simulink Start Page”对话框2模型的创建 “Simulink Start Page”对话框有“New”（新建）和“Examples”（实例）两个选项卡，其中“New”（新建）选项卡可以选择新建“Blank Model”（空白模型）、“Blank Library”（空白库）、“Blank Project”（空白项目）等；“Examples”（实例）选项卡是一些仿真项目实例，可供参考。单击“Simulink Start Page”对话框中的“Blank Model”（空白模型），会弹出一个名为Untitled（无标题）的空白窗口，所有控制模块都可以创建在这个窗口中，如图7-2所示
3、。图7-2 新建模型 Simulink模块库浏览器 单击“新建模型”窗口工具栏中的按钮 ，可以打开Simulink模块库浏览器。1信号源模块（Sources）信号源模块是输入模块，提供各种类型的信号或数据。S i g n a l Generator信号发生器Chirp Signal快速正弦扫描信号模块功能模块功能In1创建输入端Ground接地From File从文件读数据From Workspace从工作空间读数据 Constant常数E n u m e r a t e d Constant枚举类型常数Signal Builder信号生成器Ramp斜波信号Step阶跃信号Sine Wave正
4、弦波 R a n d o m Number随机信号Uniform Random Number均匀随机信号Band-Limited White Noise带限白噪声Digital Clock数字时钟Pulse Generator脉冲发生器R e p e a t i n g Sequence重复序列信号R e p e a t i n g Sequence Stair重复阶梯序列信号R e p e a t i n g S e q u e n c e Interpolated重复曲线序列信号Clock当前时间Digital Clock数字时间Counter Free-Running自 动 运 行 计
5、数 器（溢出时自动清零）Counter Limited有限计数器（可自定义计数上限）2输出模块（Sinks）输出模块也可称为接收模块，用于显示仿真结果或输出仿真数据。2输出模块（Sinks）模块功能模块功能Outl创建输出端Terminator通用终端To File输出到文件To Workspace输出到工作空间Scope示波器Floating Scope浮点格式的示波器XY GraphXY关系图Display实时数值显示Stop Simulation输出不为0时停止仿真 3连续系统模块（Continuous）连续系统模块提供积分、导数等连续系统仿真的常用子模块。连续系统模块的功能 模块功能模
6、块功能Integrator不定积分Integrator Limited定积分I n t e g r a t o r Second-Order二重不定积分I n t e g r a t o r S e c o n d-O r d e r Limited二重定积分State-Space状态方程Transfer Fcn传递函数Zero-Pole零极点PID ControllerPID控制器PID Controller（2D OF）双自由度PID控制器Transport Delay传输延时Variable Time Delay可变时间延时Variable Transport Delay可变传输延时De
7、rivative导数 8数学运算模块（Math Operations）数学运算模块提供了基本数学运算函数、三角函数、复数运算函数以及矩阵运算函数。在Simulink模块库浏览器左侧的资源列表选中“Math Operations”、或双击右侧窗口中的Math Operations模块图标，如图7-7所示。表7-4 数学运算模块的功能模块功能模块功能Sum求和Add加法Subtract减法Sum of Elements各元素的累加和Bias偏移量Weighted Sample Time Math对信号经过加权时间采样的运算Gain常数增益Slider Gain可变增益Product乘法Divide
8、除法P r o d u c t o f Elements各元素的累积Dot Product点乘表7-4 数学运算模块的功能模块功能模块功能Sign符号函数Abs求绝对值Unary Minus单一元素的负数Math Function数学运算函数R o u n d i n g Function取整函数Polynomial多项式MinMax求最大值或最小值MinMax Running Resettable求最大值或最小值，带复位功能Trigonometric function三角函数S i n e W a v e Function正弦波形函数A l g e b r a i c Constraint代
9、数上的约束常量Sqrt平方根Signal Sqrt信号的的平方根Reciprocal Sqrt平方根的倒数7.2 Simulink模块操作 一、模块的编辑处理 1模块的操作（1）添加模块 当要把一个模块添加到模型中，先在Simulink模块库中找到它，然后直接将这个模块拖入模型窗口中即可。（2）选取模块 当模块已经位于模型窗口中时，只要用鼠标在模块上单击就可以选中该模块，这时模块的四角上出现一些黑色的小方块，这些小方块就是该模块的关键点，拖动这些黑色小方块可以改变模块的大小。2模块位置和外形的调整（1）调整模块位置（2）调整模块大小（3）调整模块方向（4）调整模块颜色和效果3模块名的处理（1）
10、改变模块名（2）隐藏模块名（3）改变模块名的位置4复制和删除模块（1）复制模块（2）删除模块1模块参数的设置 Simulink中几乎所有模块的参数（Parameters）都允许用户进行设置，双击要设置的模块就可以打开模块参数设置对话框，不同模块参数设置对话框的项目会不同。例如“Source”模块库的“Step”模块参数对话框，如图7-8所示。7.2.2 模块属性和参数的设置图7-8 模块参数设置对话框2模块属性的设置 选定要设置属性的模块，然后单击“Diagram”“Properties”选项；或单击右键在弹出的菜单中选择“Properties”选项，将得到如图7-9所示的属性设置对话框。该对
11、话框有三个标签Description（说明）、Priority（优先级）和Tag（标记）。根据需要设定的基本属性如下：1）Description（说明）：对该模块在模型中的用法进行说明。2）Priority（优先级）：规定该模块在模型中相对于其它模块的优先顺序，优先级的数值必须是整数（可以是负数），该数值越小，优先级越高。3）Tag（标记）：用户为模块添加的文本格式的标记。图7-9 模块属性设置对话框三、模块间的连线 1连接两个模块 从一个模块的输出端连到另一个模块的输入端是Simulink仿真最基本的操作。方法是先移动鼠标指向模块的输出端，鼠标的箭头会变成十字形光标，这时按住鼠标左键，拖动鼠
12、标到另一个模块的输入端，当十字形光标出现“重影”时，释放鼠标即完成了连接。2模块间连线的调整 用鼠标单击连线，可以选中该连线。这时会看到线上的一些黑色小方块，这些是连线的关键点。用鼠标按住关键点，拖动即可以改变连线的方向。3连线的分支 仿真时经常会碰到需要把信号输送到不同的接收端的情况，这时就需要分支结构的连线。可以先连好一条线，然后把鼠标移到支线的起点位置，先按下Ctrl键，然后按住鼠标，将连线拖到目标模块，松开鼠标和Ctrl键即可。4删除连线 如果想要删除某条连线，可单击要删除的连线，此时连线上出现标记点，表示该连线已经被选中，然后单击模型窗口工具栏中的【剪切】按钮或者直接单击键盘上的De
13、lete键，即可删除该连线。5标注连线 双击需要标注的连线，可以看到一个文本框，在里面输入标注文字单击回车键确定即可。用鼠标拖动文本框还可以改变标识的位置。另外，在FormatPort/Signal Displays菜单下还有与连线标注有关的命令：1）Sample Time Color：将采样时间不同的模块和连线用不同的颜色显示。2）Port Data Types：在连线上显示传输数据的类型，如double、int32等。7.3 仿真模型的参数设置 在仿真系统设计过程中，事先还必须对仿真算法、输出模式等各种模型参数进行设置。单击模型窗口菜单栏“Simulation”“Model Configu
14、ration Parameters”选项，将出现仿真参数配置窗口，如图7-11所示。图7-11 仿真模型参数配置窗口 仿真参数配置窗口主要分为7个选项卡：Solver（解题器）、Data Import/Export（数据输入/输出）、Math and Data Types（数学和数据类型）、Diagnostics（诊断）、Hardware Implemention（硬件工具）、Model Referencing（模型引用）和Simulation Target（仿真输出文件的格式），其中Solver、Data Import/Export和Diagnostics三项经常用到。7.3.1 Solve
15、r选项卡选项卡（1）Simulation time（仿真时间）设置仿真起始时间和停止时间。在Star time 和Stop time两个输入框内，直接输入数值，时间单位是秒。但要注意，这里的时间只是计算机对时间的一种表示，执行一次仿真所需的时间依赖于很多因素，包括计算机的时钟频率、模型的复杂程度、解题器及其步长等。（2）Solver selection（算法选择）仿真解题器的选择操作。Type（算法类型）分为：Variable-step（变步长算法）和Fixed-step（固定步长算法）两种。7.3.2 Data Import/Export选项卡（1）Load from workspace 从
16、工作空间中载入数据。在仿真过程中，如果模型中有输入端口（In模块），可从工作空间直接把数据载入到输入端口。（2）Save to workspace or file 将输出保存到工作空间或文件，一般情况选择的输出选项有：Time（时间），States（状态），Output（输出端口）和Final state（最终状态）。7.3.3 Diagnostics选项卡选项卡 在选项卡的中间列出了仿真过程中可能出现的一些事件，用户可以在相应事件右边的下拉框中根据需要选择系统的反应（即采取的操作）。反应的类型有以下几种：1）None：不做任何反应，不影响程序运行。2）Warning：显示警告信息，不影响程序
17、的运行。3）Error：显示错误信息，中止运行的程序。MATLAB基础及应用（第5版）第8章 MATLAB综合实训本章要点本章要点 数字图像的几何操作 图像增强 图像置乱与恢复 数字水印算法的实现 8.1 数字图像的几何操作 一、项目说明一、项目说明 1项目要求（1）图像的文件操作（2）图像的剪裁操作（3）图像的大小调整（4）图像的旋转（5）图像的插值操作（6）拓展要求 2实施步骤1）讨论、研究项目要求，明确项目内容；2）学习项目设计提示，练习相关函数的用法；3）编写程序，实现项目功能；4）图形用户界面的设计与实现；5）项目演示。二、项目设计提示 函数功能函数格式说明读入图像A=imread（
18、文件名，图像格式)从图像文件中读入图像数据到变量A 中。图像格式包括bmp、tif、jpg、png等A=imread（文件名.扩展名)图像显示imshow（图像变量名）显示数据类型为uint8的灰度图像imshow（图像变量名，map）显示数据类型为double的索引图像。map为颜色图图像剪裁变量名=imcrop（图像变量名）交互式剪裁。拖动鼠标选定剪裁区域变量名=imcrop（图像变量名，x y w h）非交互式剪裁。x和y为剪裁起点；w为宽、h度为高度二、项目设计提示 函数功能函数格式说明图像大小调整变量名=imresize（图像变量名，调整系数，参数）比例调整。调整系数为“放大”或“缩
19、小”的倍数；参数表示插值方法，包括nearest（默认）、bilinear、bicubic等变量名=imresize（图像变量名，m n，参数）拉伸调整。得到尺寸为mn的图像，参数表示插值方法图像旋转变量名=imrotate（图像变量名，角度，参数）角度为正，逆时针旋转；角度为负，顺时针旋转。参数表示插值方法变量名=imrotate（图像变量名，角度，参数，crop）crop可以将旋转后超出原图像的部分剪裁掉，得到与原图像大小相同的部分图像插值变量名=interp2（图像变量名，n，参数）n为插值次数。每插值一次，在两个元素间插入一个点。参数表示插值方法【例8-1】对一幅图像进行剪裁、放大2倍
20、和旋转15的处理。clearclcX=imread(cameraman.tif);%调入原图像调入原图像subplot(221);imshow(X);title(原图像原图像);%显示原图像显示原图像X1=imcrop(X,60 40 100 90);%60 40 100 90为剪裁区域为剪裁区域subplot(222);imshow(X1);title(原图像剪裁块原图像剪裁块);X2=imresize(X,2,bilinear);%参数参数 bilinear为双线性插值为双线性插值subplot(223);imshow(X2);title(拉伸调整的原图像拉伸调整的原图像);X3=imro
21、tate(X,15,bilinear,crop);%参数参数 crop为返回同样大小的图像为返回同样大小的图像subplot(224);imshow(X3);title(旋转的原图像旋转的原图像);三、项目评价 项目评价是在教师的主持下，通过项目负责人的讲解演示，评估项目的完成情况，评价内容如下：1）图像的视觉效果；2）处理图像与原始图像之间的偏离程度；3）图形用户界面是否友好。8.2 数字图像增强 图像增强就是对图像进行加工，以得到对具体应用来说视觉效果更“好”，更“有用”的图像。一、项目说明 1项目要求 （1）图像测试 （2）图像添加噪声（3）图像的对比度调整（4）图像求反（5）图像平滑（
22、6）拓展要求实现图像增强操作的图形用户界面设计，包括“图像测试”、“添加噪声”、“对比度调整”、“图像求反”和“图像平滑”等基本功能。2实施步骤1）讨论、研究项目要求，明确项目内容；2）学习项目设计提示，分析算法；3）仿真算法，完成项目；4）项目演示、讲解设计方案，完成项目评价 二、项目设计提示（1）图像测试 先将教师提供的图像读入工作空间，记下图像尺寸和数据类型，利用hist函数绘制概率分布图，注意横坐标的数值范围和步长；使用统计函数mean计算图像均值。（2）图像添加噪声 噪声信号可以由随机矩阵函数实现，直接与图像相加即可，注意相加后的值不要超过图像的数据范围，也不要小于0；如果加噪的效果
23、不明显，可增大随机矩阵的元素数值，例如乘以一个大于1的系数。（3）图像的对比度调整（4）图像求反 （5）图像平滑 将图像中除四个边（第1行、末行、第1列、末列）的元素外，每个元素都用其8邻域与其自身相加之和的平均值代替，这种平滑方法称为均值滤波；如果是用这9个元素的中间值代替就称为中值滤波。元素的8邻域指在该元素上、下、左、右、对角和反对角位置上的八个元素。【例8-2】使用均值滤波方法的图像平滑clearclcI=imread(cameraman.tif);%读入图像，读入图像，I为为uin8类型类型subplot(131);imshow(I);title(原图像原图像);A=round(ra
24、ndn(256,256)*15);%随机矩阵放大随机矩阵放大15倍，生倍，生 成噪声成噪声I1=I+uint8(A);%加入噪声，加入噪声，A由由double转为转为uin8subplot(132);imshow(I1);title(加噪声后的图像加噪声后的图像);I2=double(I1);for i=2:255 for j=2:255 temp=0;for m=1:3%均值滤波均值滤波 for n=1:3 temp=temp+I2(i+m-2,j+n-2);end end I2(i,j)=round(temp/9);endendsubplot(133);imshow(uint8(I2);t
25、itle(平滑操作后的图像平滑操作后的图像);三、项目评价 图像处理的效果与图像本身有关，不同的图像对同一种算法会有不同的表现。可从以下几个方面评价：（1）主观评价 观察图像处理的视觉效果，综合多个观察者的评价意见。（2）算法评价 主要评价算法是否正确、实现功能是否符合项目要求、有无功能扩展、程序可读性如何、算法是否简练、编写是否规范、程序运行效率如何等方面。（3）演示过程评价 主要评价演示效果如何、对算法理解程度如何、回答问题是否准确、语言是否流畅等方面。8.3 数字图像置乱 图像置乱是对图像元素的位置按照某种规律（密钥）重新排列，达到隐藏图像真实内容的目的，置乱后的图像可以根据同样的规律（
26、密钥）恢复。一、项目说明1项目要求（1）图像的客观评价（2）图像置乱（3）置乱图像恢复2实施步骤1）讨论、研究项目要求，明确项目内容；2）学习项目设计提示，分析算法；3）仿真算法，讨论、评价、修改算法，并确定一个项目实现方案；4）实现方案，完成项目；5）撰写项目报告；6）项目演示、讲解设计方案，完成项目评价。二、项目设计提示（1）图像的客观评价 相关系数可以使用二维相关函数corr2实现；峰值信噪比的计算公式。式中：大小为的原图像 处理后的图像),(),(max(log10=10=10=2),(210 MxNyyxfyxfyxfNMPSNR),(yxf),(yxf（2）图像置乱方案一：类似于扑
27、克洗牌。将图像的全部偶数行提出，构成图像1；再提出全部奇数行构成图像2，连接图像1和图像2，构成与原图像同样尺寸的新图像；对新图像的列进行同样的操作。重复n次，满足要求即可，n为密钥。方案二：先将图像变成单列矩阵A，使每一个图像元素都有一个唯一的地址（单列矩阵的行号），再利用randperm（随机排列整数矩阵）函数生成一个同样长度的单列矩阵B，该矩阵与原图像的尺寸信息作为密钥保存；建立一个与A、B等长的单列矩阵C，C中存放以矩阵B的元素值为地址的矩阵A的元素。（3）置乱图像恢复 需要知道置乱密钥和置乱方案才能恢复出原图像，用不同方案置乱的图像需要用相应的算法恢复。【例8-3】图像置乱算法（方案
28、2）clearclcX=imread(cameraman.tif);subplot(121)imshow(X)title(原图像原图像)%显示原图像显示原图像A=X(:);B=randperm(65536);%生成随机排列整数生成随机排列整数 矩阵，作为置乱密钥矩阵，作为置乱密钥C=zeros(65536,1);for i=1:65536 C(i)=A(B(i);%置乱，用密钥重新排列置乱，用密钥重新排列 图像矩阵图像矩阵end D=zeros(256);k=1;for i=1:256%将单列矩阵转换成与原图将单列矩阵转换成与原图像同样尺寸的矩阵像同样尺寸的矩阵 for j=1:256 D(j
29、,i)=C(k);k=k+1;endendsubplot(122)imshow(uint8(D)%uint8(D)强制转强制转 换换D的数据格式的数据格式title(置乱后的图像置乱后的图像)imwrite(uint8(D),d:image.bmp,bmp)%保存置乱后的图像保存置乱后的图像fid=fopen(d:test.bin,wb)%保存密钥保存密钥fwrite(fid,B,double)fclose(fid)【例8-4】方案2的图像恢复程序clearclcRD=imread(d:image.bmp,bmp);%读入读入 置乱后的图像置乱后的图像subplot(121)imshow(RD
30、)title(置乱后的图像置乱后的图像)fid=fopen(d:test.bin,rb)%读入密钥读入密钥RB=fread(fid,65536,double);fclose(fid)RC=RD(:);%生成单列矩阵生成单列矩阵RA=zeros(65536,1);for i=1:65536 RA(RB(i)=RC(i);%恢复，用密钥重恢复，用密钥重 新排列置乱的矩阵新排列置乱的矩阵EndX=zeros(256);k=1;for i=1:256%将单列矩阵转换成与原图像将单列矩阵转换成与原图像 同样尺寸的矩阵同样尺寸的矩阵 for j=1:256 X(j,i)=RA(k);k=k+1;enden
31、dX=uint8(X);subplot(122)imshow(X)title(恢复的图像恢复的图像)三、项目评价（1）客观评价 利用峰值信噪比和相关系数等指标评价图像置乱效果和恢复效果。（2）算法评价 主要评价算法实现方案的优势和缺陷，安全性如何？运算时间是多少？有无实用价值等方面。（3）项目开发文档评价 主要评价文档内容是否完整、分析是否全面、结构是否合理、语句是否通顺、编辑排版是否规范等方面。（4）论述答辩过程评价 主要评价答辩态度如何、思路是否清晰、回答是否准确、语言是否流畅、对算法不足方面有无认识等方面。8.4 数字水印技术 数字水印就是将版权（或认证）信息嵌入到多媒体数据中，但不影响
32、原始数据的正常使用，目的是鉴别非法复制或盗用的数字图像产品，主要用于数字产品的知识产权保护、产品防伪等方面。一、项目说明一、项目说明1项目背景介绍（1）数字水印分类1）按水印特性划分2）按水印所附载的媒体划分3）按水印的检测过程划分4）按水印的内容划分（2）数字水印的评价1）隐蔽性是指原始图像在嵌入水印后的改变程度。可以用原始图像与嵌入水印后的图像进行比较来确定其隐蔽性。2）鲁棒性是指含有水印的图像在经过各种线性和非线性处理后，提取的水印与原始水印之间的差别。差别的大小常用来判断待测图像中是否存在水印。3）水印容量是指水印的信息量。水印容量和鲁棒性之间是相互矛盾的，水印容量的增加会带来鲁棒性的
33、下降，对隐蔽性也有同样的影响。2项目要求 以一幅256256的256级灰度图像woman作为原始图像，以一幅256256的黑白图像text.png的局部作为水印图像。水印检测不需要原始图像，只需要密钥；水印具有一定的隐藏性和鲁棒性。（1）隐蔽性要求含有水印的图像与原始图像在视觉上无明显改变、峰值信噪比大于30、相关系数大于0.95。提取的水印图像与嵌入的水印图像相关系数大于0.9，视觉上无明显差别。（2）鲁棒性要求含有水印的图像经过剪切、加噪声、滤波、压缩等处理后，提取的水印图像在视觉上变化不大，与原水印的峰值信噪比大于30、相关系数大于0.85。（3）水印容量在满足隐蔽性和鲁棒性指标的前提下
34、，水印容量越多越好。3实施步骤1）讨论、研究项目要求，明确项目内容；2）检索、阅读参考资料，学习项目设计提示；3）仿真算法，讨论、评价、修改算法，并确定一个项目实现方案；4）实现方案，完成项目；5）撰写项目报告；6）项目演示、讲解设计方案，完成项目评价。二、项目设计提示（1）数字水印嵌入模型（2）数字水印提取模型（3）算法介绍1）最低有效位算法（LSB）：是一种典型的空间域信息隐藏算法。用特定的密钥产生随2）变换域水印算法：变换域水印算法是目前研究最多的一种数字水印，具备鲁棒性强、隐蔽性好的特点。【例8-5】水印嵌入算法clearclcX=imread(cameraman.tif);%调入原始
35、图像调入原始图像subplot(131)imshow(X)title(原始图像原始图像)DW=imread(text.png);%读入原始图像读入原始图像subplot(132)imshow(DW)title(水印的原始图像水印的原始图像)key=10;%密钥密钥key，量化步长为，量化步长为10DX=zeros(256);for i=1:256 for j=1:256 d=X(i,j)/key;%量化元素量化元素 rd=round(d);%四舍五入取整四舍五入取整 c=rem(rd,2);%除除2取余数。偶数时，取余数。偶数时，c=0；奇数；奇数 时，时，c=1 if DW(i,j)=c%判
36、断元素与水印序列的奇判断元素与水印序列的奇 、偶是否相同、偶是否相同 DX(i,j)=X(i,j)+(rd-d)*key;%相同，量化成最近相同，量化成最近 的步长整数倍的步长整数倍 else DX(i,j)=X(i,j)+(rd-d+1)*key;%不同，增加一个不同，增加一个 步长。如80变为90 end endendsubplot(133)DX=uint8(DX);%为了正确显示和保存，为了正确显示和保存，强制类型转换强制类型转换imshow(DX)title(含有水印的图像含有水印的图像)imwrite(DX,d:waterimage.bmp,bmp)%保存含有保存含有 水印的图像水印
37、的图像【例8-6】水印提取算法clearclcR=imread(d:waterimage.bmp,bmp);%读入待测图像读入待测图像subplot(131)imshow(R)title(含有水印的图像含有水印的图像)DW=imread(text.png);%读入水印的原始图像读入水印的原始图像subplot(132)imshow(DW)title(水印的原始图像水印的原始图像)key=10;%密钥密钥RW=zeros(256);for i=1:256 for j=1:256 d=R(i,j)/key;%量化元素量化元素 rd=round(d);%四舍五入取整四舍五入取整 c=rem(rd,2);%除除2取余数取余数 if c=1 RW(i,j)=1;%奇数，水印元素为奇数，水印元素为1 else RW(i,j)=0;%偶数，水印元素为偶数，水印元素为0 end endendsubplot(133)imshow(RW)%显示提取的水印图像显示提取的水印图像title(提取的水印图像提取的水印图像)三、项目评价 重点评价对新技术的理解能力和研究能力，主要评价以下几个方面：（1）信息获取和归纳能力（2）新技术的研究能力（3）算法评价（4）论文评价（5）答辩过程评价
