基于LabVIEW的图像采集与处理

10.2  利用labview进行图像采集与处理利用LabVIEW进行图像处理是一个非常重要的应用。在许多行业中采用图像的采集和识别来进行判断、控制，使操作更加精确，具有可信度、人性化、智能化。本节将讲解利用LabVIEW进行图像采集和处理的实例。
10.2.1  图像处理介绍

图像处理也可以称作视觉处理。LabVIEW提供了多种图像处理的方法。其中NI公司的视觉采集软件提供的驱动和函数，既能够从数千种连接到 NI 帧接收器上的不同相机上采集图像，也能够从连接在PC、PXI系统或笔记本计算机上标准端口的IEEE 1394和千兆位以太网视觉相机采集图像。
LabVIEW中的视觉开发模块作为强大的机器视觉处理库，配有各类函数，其中包括：边缘检测、颗粒分析、光学字符识别和验证、一维和二维代码支持、几何与模式匹配、颜色工具。该模块可与NI公司的所有软件、C++、Microsoft Visual Basic、Microsoft .NET 相互调用，为用户提供了相当便利的操作。用户可通过视觉开发模块的同步功能，实现与运动或数据采集测量的同步。
NI公司提供的图像处理软件包Vision 8.5.1 Acquisition Software ，是专门为LabVIEW 8.5服务的。它可以在LabVIEW 8.5中完成各种关于图像处理、视觉运行的控制。
10.2.2  实例内容说明

本实例主要完成通过USB摄像头采集图像，并经过一些运算对图像进行数据分析。在实例中用采集到的图片作样本，让系统认识一个像素，然后开始自动查找图像中的相同像素，查找时还要对图片进行翻转，以全面找到相同的像素，最后再标注出这些点的中心位置和点数。
10.2.3  Vision安装与介绍

本例主要通过Vision 8.5.1 Acquisition Software软件包来实现。Vision 8.5.1 Acquisition Software软件包是一种专门的图像处理软件，需要单独安装。此软件一般可以通过供应商购买，也可以通过NI公司网站下载。
1．Vision安装

Vision 8.5.1 Acquisition Software安装步骤如下：
（1）把光盘放入计算机光驱，系统会自动识别，并显示出安装自检界面，如图10-34所示。
（2）当安装程序自检完成后，“Next”按钮显示为可操作状态。此时单击“Next”按钮进入下一个界面，选择安装路径，如图10-35所示。

图10-34  安装自检                               图10-35  选择安装路径
（3）一般此路径就是LabVIEW软件安装的默认路径。如果在安装LabVIEW软件时没有改动路径，则不需要修改此路径。单击“Next”按钮，进入下一步选择安装驱动的界面，如图10-36所示。
（4）在驱动选择界面中，可以选择要安装的驱动类型。这里可以看到有4种驱动可安装。当不需要某种驱动时，在其选项上打叉即可。当选择完要安装的驱动后，单击“Next”按钮，进入下一步的安装确认界面，如图10-37所示。

图10-36  驱动选择                          图10-37  信息确认
（5）对显示的信息确认无误后，单击“Next”按钮开始安装，如图10-38所示。
（6）当安装完上面的所有软件包后，系统会显示安装完成界面，并提示是否选择激活此软件。根据自己的需要选择后，单击“Next”按钮进入下一步骤。最后安装完成的界面如图10-39所示。

图10-38  正在安装                            图10-39  安装完成
2．Vision介绍

Vision是一个图像处理的工具包，当安装完成后，启动LabVIEW软件，可以在前面板与后面板上看到相应的控件和函数。
（1）前面板控件
安装完Vision后，前面板中会自动出现一个Vision选项列表，打开它后可以看到有三个显示控件，如图10-40所示。
— IMAQ Image.ctl：对图像进行分析和处理时用到的一些控件，可用于对图像的类型。图像处理的方式、不同的形态算子，以及颜色的类型的选择等。
— Image Display用于设置图片显示方式，包括放大、移动、选择等。
— Image Display（Classic）也用于对图像显示的设置。它只是设置以经典的方式显示图像。
（2）后面板函数
在后面板中，打开函数选板，可以看到“视觉与运动”下拉列表。打开此列表将显示Vision安装后所有的函数，其中包括运动控制方面的函数，如图10-41所示。
                  
图10-40  Vision显示控件                             图10-41 “视觉与运动”函数
在后面板的函数选板中，可以看到有5大类的“视觉与运动”函数。它们主要是一些图像采集和图像处理的函数。
— NI-IMAQ列表：是图像采集函数列表，主要用于通过NI的系列图像采集板卡来获得图像。其中包括任务的建立、设备的初始化以及硬件参数的设定等函数，如图10-42所示。
— Vision Utilities列表：是视觉应用函数列表，用于对图像进行一些初步的整体操作。它包括的函数节点如图10-43所示。
其中，Image Management 是图像管理模块，包括建立和清除图像任务，获取图像的各类信息，图像的类型转换等函数节点，如图10-44所示。Files是图像文件模块，完成对图像文件的读写，以及图像附加信息的读写操作，如图10-45所示。
                     
图10-42  NI-IMAQ函数列表                        图10-43  Vision Utilities函数列表
                     
图10-44  Image Management函数列表                           图10-45  Files函数列表
External Display是图像的外部显示模块，如选中某一光标区域等。Pixel Manipulation是图像像素处理模块。此模块中的函数节点对图像的像素直接进行操作，包括图像上的点、线、面像素值的获取和设定，以及在图像中插入文本。Overlay是图像覆盖模块，可以对图像上的某一点、线、面（多边形、矩形和圆）进行覆盖。此种覆盖为非破坏性的覆盖，即不破坏原有的图像，覆盖信息可以另外和图像一起保存。Color Utilities是颜色应用模块，用于彩色图像中色彩的提取，图像中某点、线、面中色彩的设定或获取，以及不同色彩模型的转换。
10.2.4  图像采集

要处理图像，必须先要获取一张图像。获取图像是通过调用Vision中的IMAQ USB函数来实现的。它的最大优势在于可以自动识别USB摄像头，并读取数据。选择“函数”|“Vision and Motion”|“IMAQ USB”命令，打开IMAQ USB函数下拉列表，如图10-46所示。
在进行图像采集时，先要用IMAQ Create函数创建一个图像任务，此函数的接线如图10-47所示。
            
图10-46  图像采集函数                      图10-47  IMAQ Create函数图标
这里通过此函数对图像的名称和类型大小等进行定义，否则后面的工作没有办法进行。然后再通过一个USB启动函数来调用USB摄像头设备。此函数是NI公司自己研发专门读取USB设备的函数，其内部通过调用ImaqDirectShowDll.dll文件来实现。
打开USB设备后，就要从此设备上获取数据，所以用了一个IMAQ USB Grab Acquire函数来实现。整个图像采集程序框图如图10-48所示。
10.2.5  图像处理过程

此处的图像处理包括对图像进行采样，找出与采样点相同的图像。为了找出各种角度放置的采样点，在查找的同时对图像进行了360°的翻转，这样可以找出图像上所有相同点。
1．整体设计

在本实例设计中，对一张图片先设置好要查找的内容，然后开始自动查找，最后对找出的内容进行标记和显示。
由于软件的运行比较复杂，数据的采集又是实时的，要求处理速度比较快，所以要对其进行整体设计，合理安排控件的调用和执行顺序。本程序中采用了一个大循环，保持程序的持续运行。在内部再调用一个顺序结构来控制程序的执行顺序，这样可以保证程序按编程者的思路进行。具体的工作流程图如图10-49所示。
         
图10-48  图像采集                                  图10-49  整个程序流程图
2．设置查找像素

读取了图像数据后，还要设置查找的像素。这里通过一个光标选择函数来实现。先用函数IMAQ Setup Learn Pattern 2来设置需要记录的各项，然后再用IMAQ Extract函数进行光标设置。这样就记录了此光标区域的图像数据。它的程序框图如图10-50所示。

图10-50  设置查找像素
这里用一个条件结构来控制是否进入记录像素的程序。也就是当选择了要记录的像素后，才进入此分支程序。在这一分支程序中，又利用了一个顺序结构，这样提高了程序运行的效率。它的程序如图10-51所示。

图10-51  复位记录按钮
3．开始查找

当设置完以上要查找的像素后，就可以在需要的图片中查找此像素。为了查找有用的像素，在选择了“开始查找”后，要先读取上面标记的像素，再进行查找。此处程序的设计中，也是先运行一个条件结构，再运行顺序结构，按顺序执行程序。读取光标选择像素的程序如图10-52所示。

图10-52  读取选择的像素
当读取像素后，利用顺序结构在第二帧的图像中继续查找。在这一帧中放置了一个循环，并限制循环次数为4。此时先用一个IMAQ Rotate对图像进行翻转，每次翻转90°。这样就可以在循环4次时翻转一周，对图像上各个角度的像素进行查找。再把图像送到IMAQ Match Pattern 2函数，对其进行查找。通过此函数直接输出找到的像素信息的数组。为了对找到的信息进行处理，又用一个For循环对此数据和簇进行拆分。这里的For循环次数直接由数组大小来控制。把数组拆开后再找到像素的中心位置，并按设置好的字体和格式显示出来。对字体的设置，前面板如图10-53所示。
从图10-52中可以看出，其中包括字体名称、字体大小、下画线、加粗等标记方式。标记字体程序如图10-54所示。
  
        图10-53  标记字体设置                    图10-54  标记字体程序
可以看到，最复杂的设置是对标记内容的组合与写入。这里先由Draw Pattern Matches Position函数读取各个记录点的坐标值，然后用一个字符串组合函数把标记和坐标值组合成一个标记字符串。最后由IMAQ Draw Text函数把组合好的标记信息直接写入图像界面中。整个标记程序如图10-55所示。

图10-55  完整标记程序
当第二帧执行完后，进入第三帧的图像大小设置。因为在前面查找的过程中，为了查找得更加精确，对图像进行了像素的放大，这里为了显示的方便，就需要对图像进行还原，这样才可以看得清楚。此处用了IMAQ Extract 函数，对显示的图像进行放大和缩小，但是没有改变真正的图像。它的程序框图如图10-56所示。

图10-56  图像还原
4．程序前面板

当所有后面板程序编写完后，就要进行前面板控件布局。由于此程序中涉及的控件不多，所以很好设置整体布局。程序界面如图10-57所示。其中，“标签类型”是为了给标签进行不同的编号，在当前坐标前面加的一个前缀，这样更好区分不同的像素点。“最大数目”是查找出目标的最大限制。如果设置为40，则最多只能找出40个目标。当大于此值时，则将多出来的其他目标量忽略。
下面对查找时要放大的倍数进行设置，这里只是对二维的数据放大，所以在界面上设置两个值，一个是X，另一个是Y。前面板布局如图10-58所示。
                        
          图10-57  控制项设置                       图10-58  放大设置
为了对系统的工作进行控制，需要设置4个按钮。它们分别如下：
— 开始采集：用于启动采集，完成整个任务的第一个动作，采集一张图片。
— 记录标记：用于对光标选择的区域进行记录，以识别设置像素。
— 开始查找：启动整个系统，对采集到的图片进行查找，找出相同像素并进行标记。
— 停止工作：系统停止工作。
界面布局如图10-59所示。
接下来对查找后的图像进行显示，这是非常关键的一个步骤。这里还对查找到的总个数进行了统计，这样可以让人对查找结果一目了然，完整的前面板界面如图10-60所示。
   
         图10-59  按钮设置                             图10-60  完整界面
10.2.6  程序调试

程序编写完成后，要对系统进行软硬件的联机调试。这里把NI公司的USB摄像头和计算机连接，并在计算机上安装此软件工具包。具体操作如下：
（1）运行本程序，在摄像头下放置好一块电路板，并对其设置好焦距和亮度。单击“开始采集”按钮，对其进行采集，并显示实时采集到的图像，如图10-61所示。
（2）当采集完一次后，在界面上可以看到清晰的采集结果。此时我们用光标在需要进行识别的地方画出一个区域。此时光标变为绿色，表示用光标选中了要记录的像素。然后单击“学习标记”按钮，此光标消失，表示已经记录（学习）完成，如图10-62所示。
从图上可以看出，这里选中的是电路板上字母C，让程序学习记录，并找出界面上所有的字母C。

图10-61  图像采集

图10-62  设置学习区域
（3）记录学习完成后，就可以查找相同像素的点了。单击“开始查找”按钮后，程序开始在此图上查找记录的像素点，并以此像素点为标准，进行比对，找出相同的点。查找的过程中标出了各个点的坐标和编号。这里把标签类型设置为“A”，以Shift Invariant的方式查找，精度设置为700，最大数目设置为40。这样就可找出所有相同的元素。程序运行时如图10-63所示。

图10-63  查找结果
从图中可以看出，查找过程中，程序找出了所有字母C，并标注了它们的坐标和标签。此处的标签有些不是端正的，主要是由于在对图片进行翻转查找时，按相应的角度找到后直接就标记了。如标签A43（70，471）表示的意义如下：字母A是对程序进行查找前设置的标签类型。4表示此图片翻转到第4次找到的，即第4个角度。3表示是此角度下的第3个点。（70，471）表示当前查找到像素的中心坐标，即此目标的X=70，Y=471，坐标的值是从图像开始的左上角界面算起的。同时可以看到界面的下面显示了图片的属性，如图片大小、位数等。最后还可以看到一个“已查找到总个数”本框，此处显示的是8个目标。这和图上标注的一样，也和实际完全相符。
（4）完成查找后，单击“停止工作”按钮中断此程序的运行。系统退出图像采集和处理环节。
10.2.7  实例总结

本例讲解了LabVIEW中图像处理方面的具体应用，主要对如何利用Vision工具包采集图像进行了详细的讲解。同时采集到图像后进行了各类复杂的运算，其中编程的思路也是笔者的经验展示，读者需要用心体会，掌握设置不同事件的合理运行顺序。