呂國皎，唐 婷

(成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校 a.通信工程系;b.電氣與電子工程系，成都 610071)

虛擬儀器在數(shù)字圖像視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂國皎a，唐 婷b

(成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校 a.通信工程系;b.電氣與電子工程系，成都 610071)

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)一般由軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等步驟完成，其中硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)開發(fā)以及VB進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。利用虛擬儀器的視覺與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并快速進(jìn)行數(shù)字圖像處理，大大縮短設(shè)備儀器開發(fā)時(shí)間。

虛擬儀器;數(shù)字圖像處理;計(jì)算機(jī)視覺

計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，無論是集成電路組裝中對元器件的定位與識別，還是包裝廠中對于包裝完整性的檢測，都需要利用計(jì)算機(jī)視覺來對元件進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)一般由軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等步驟完成，其中硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)開發(fā)以及VB、C語言等應(yīng)用程序的編寫將花費(fèi)大量的時(shí)間。利用虛擬儀器的視覺與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以方便地進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并快速進(jìn)行數(shù)字圖像處理，大大縮短設(shè)備儀器開發(fā)時(shí)間。基于X86平臺的虛擬儀器測控系統(tǒng)是一種最為方便且經(jīng)濟(jì)的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 虛擬儀器及視覺與運(yùn)動(dòng)模塊

虛擬儀器技術(shù)是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用。它代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測試系統(tǒng)到以軟件為中心的測試系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。

視覺與運(yùn)動(dòng)模塊為虛擬儀器的付費(fèi)升級模塊，其內(nèi)部集成了大量的圖像采集硬件驅(qū)動(dòng)軟件以及數(shù)字圖像處理的模塊化函數(shù)，可以方便地進(jìn)行圖像信號的空域及頻域處理。

1.1 基于虛擬儀器的視覺系統(tǒng)

基于虛擬儀器的視覺系統(tǒng)［1］利用NI公司專用的圖像采集設(shè)備可以完成圖像信號的采集，其硬件的驅(qū)動(dòng)程序在視覺模塊中已經(jīng)包含，避免了專門開發(fā)硬件驅(qū)動(dòng)的弊端。并且利用重新編輯后的ImaqDirectShowDll文件對攝像頭部分的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行替代，可以將硬件范圍擴(kuò)展到所有通用的攝像器件。

采集到的圖像數(shù)據(jù)在圖像模塊中將被重新定義為有效的圖像文件，其數(shù)據(jù)可以在軟件內(nèi)部被引用。利用視覺與運(yùn)動(dòng)模塊中定義的大量庫函數(shù)可以輕松地完成數(shù)字圖像的各種處理與變換。由于虛擬儀器同時(shí)兼容計(jì)算機(jī)語言編程，故也可以單獨(dú)為某一功能實(shí)現(xiàn)算法的編寫，如基于自定義加權(quán)模板算子的空域?yàn)V波。

1.2 研究現(xiàn)狀

虛擬儀器在國內(nèi)已經(jīng)普及，虛擬儀器的視覺與運(yùn)動(dòng)模塊已經(jīng)可以用于設(shè)計(jì)一些計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，如三軸影像測量儀、田間多光譜視覺系統(tǒng)等，其模塊化圖形化的設(shè)計(jì)流程可以把開發(fā)時(shí)間壓縮到最短。以一個(gè)圖像采集及識別系統(tǒng)為例，以傳統(tǒng)的設(shè)備開發(fā)流程其軟硬件以驅(qū)動(dòng)的開發(fā)周期至少為1個(gè)月，而利用虛擬儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)的主體部分可以在1h內(nèi)完成，且系統(tǒng)穩(wěn)定為開發(fā)過程節(jié)約了大量的時(shí)間和財(cái)力。

2 虛擬儀器在視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用

虛擬儀器內(nèi)置的庫函數(shù)覆蓋廣泛，現(xiàn)今常用的數(shù)字圖像處理方法在其函數(shù)庫中都可以找到，如圖像采集的控制、圖像文件處理、圖像的增強(qiáng)、直方圖處理、頻域變換等等，如圖1所示。因此，利用這些函數(shù)可以方便地搭建出預(yù)先設(shè)計(jì)好的功能。

圖1 視覺與運(yùn)動(dòng)函數(shù)模塊

其中Ni-imag和Ni-imagdx函數(shù)庫中主要是圖像采集控制的函數(shù)，如圖像的采集開始于結(jié)束控制等等。Vision Utilities庫中主要是圖像的文件處理，比如圖像的定義，圖像文件的讀取、存貯以及屬性轉(zhuǎn)換等。Image Processing為數(shù)字圖像處理模塊，主要完成數(shù)字圖像的空域以及頻域處理。Machine Vision模塊主要為內(nèi)置的一些機(jī)器功能。

本文以一個(gè)圖像采集及識別系統(tǒng)為例介紹如何利用虛擬儀器進(jìn)行視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 視覺系統(tǒng)的硬件部分

利用虛擬儀器進(jìn)行圖像的采集及識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)［2］，其主體在于軟件的設(shè)計(jì)，故硬件方面只需要一臺計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡和圖像攝像頭即可，直接利用USB攝像頭也可以完成圖像數(shù)據(jù)的采集。其硬件平臺相對于其他測試系統(tǒng)而言結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。

圖2 圖像的頻域?yàn)V波

2.2 視覺系統(tǒng)的軟件部分

采集到的數(shù)據(jù)首先需要對其進(jìn)行圖像的創(chuàng)建和定義，需要用到IMAQ Create函數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被讀取以后就可以對圖像進(jìn)行操作。

2.2.1 完成圖像的噪聲處理

采集到的圖像不可避免會(huì)引入一些噪聲，這些噪聲的存在會(huì)使得圖像的識別存在誤差，故應(yīng)當(dāng)去除某些噪聲還原真實(shí)圖像［3］。在實(shí)際的圖像采集過程中由于光源的不確定性也可能導(dǎo)致圖像的顏色發(fā)生偏差，如紅光照射下的圖像會(huì)偏紅，故在此過程中也可以考慮將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像進(jìn)行處理，在此可以調(diào)用IMAQ cast image函數(shù)進(jìn)行處理。

圖像的噪聲抑制處理可以分為空域?yàn)V波和頻域?yàn)V波2類，其中K近鄰的邊界保持類濾波為空域內(nèi)比較常用的濾波方式，頻域?yàn)V波則可以用FFT(快速傅里葉變換)進(jìn)行處理。圖2為利用FFT變換進(jìn)行濾波。

2.2.2 圖像的分析與識別

對于圖像的采集與識別可以按照不同的應(yīng)用范圍對其進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)，若需要對某一電路板的焊接質(zhì)量進(jìn)行評判［4］，就可以用某一元件的標(biāo)準(zhǔn)焊接圖像作為參考，在采集到的圖像中進(jìn)行查找，若查找到的匹配數(shù)目越多，則可以證明焊接質(zhì)量相對較好。同樣對于實(shí)際的機(jī)器設(shè)備也可以用識別模塊來達(dá)到電路板mark點(diǎn)的識別與定位［5］。在此步驟中需要應(yīng)用到Find patterns函數(shù)，如圖3所示。

圖3 圖像的分析與識別

圖4 采集到的電路板圖像及其識別

2.2.3 結(jié)果的輸出與分析

在完成了圖像數(shù)據(jù)的分析和處理之后，最后的結(jié)果可以用圖像顯示控件進(jìn)行輸出，并且根據(jù)其過程中的分析數(shù)據(jù)對軟件的設(shè)計(jì)功能進(jìn)行評判［6］。虛擬儀器可以提供強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析能力，使得用戶可以方便地對這些測試參數(shù)進(jìn)行處理，在測控系統(tǒng)中，這些測試參數(shù)可以作為一些反饋指標(biāo)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。如圖4為采用USB攝像頭進(jìn)行電路板圖像采集的實(shí)例。

3 結(jié)束語

利用虛擬儀器的視覺與運(yùn)動(dòng)模塊可以方便地進(jìn)行各種計(jì)算機(jī)視覺程序的開發(fā)，大大縮短設(shè)備的開發(fā)時(shí)間，減少設(shè)計(jì)測試成本。本文介紹了該模塊的功能，以及利用該模塊實(shí)現(xiàn)了一種電路板質(zhì)量檢測的方法，并詳細(xì)敘述了該方法的圖像處理方式與流程。通過實(shí)際的測試，此方法可以完成預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，利用虛擬儀器視覺技術(shù)開發(fā)儀器設(shè)備將會(huì)越來越普及。

［1］李培江，李淑清，高華，等.基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007(8):26-28.

［2］齊龍，馬旭，周海波.基于虛擬儀器技術(shù)的田間多光譜視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009(1):157-161.

［3］潘開林，李逆，丘偉陽，等.基于虛擬儀器的PCBA多通道視覺檢測系統(tǒng)［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2009(6):530-534.

［4］胡仲波.基于虛擬儀器技術(shù)的PCB視覺檢測系統(tǒng)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.

［5］王付軍.基于圖像處理的電子元件焊接質(zhì)量檢測［D］.保定:河北大學(xué)，2010.

［6］高湘玲.PCB數(shù)字圖像檢測與識別研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2002.

Application of Virtual Instrument in Digital Image Vision Systems

LV Guojiaoa，TANG Tingb
(a.Communication Engineering Department;b.Electrical and Electronic Engineering Department，Chengdu Electromechanical College，Chengdu 610071，China)

In industrial machinery and equipment，the computer vision system has an irreplaceable position.Traditional computer vision systems are generally designed with software and hardware systems，where hardware design，driver development，and VB for the preparation of the application are very timeconsuming process.Use of vision and movement of virtual instrument system can facilitate the computer vision systems design，speed up digital image processing，and therefore greatly reduce the equipment and instrument development time.

Virtual Instrument;Digital Image Processing;Computer Vision.

TP391.9

A

1008-5440(2011)03-0023-03

2011-03-18

呂國皎(1985-)，男(漢族)，四川成都人，助教，碩士，研究方向:光學(xué)工程。

唐婷(1979-)，女(漢族)，四川成都人，講師，碩士，研究方向:自動(dòng)化技術(shù)。