高浩然，童偉，梁馨月，毛遠韜，張曉青

（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100101）

0 引言

當前光纖對接行業(yè)還停留于通過人眼觀測兩根光纖的差值進行調整對接的，不僅費時費力，而且準確度也不夠高。針對于這個問題，打算設計一套自動化的系統(tǒng)可實時的觀測兩根光纖的參數(shù)，并實現(xiàn)自動對接工作。

目前市面上光纖熔接機[11]可直接實現(xiàn)兩根光纖的對接，光纖熔接機其功能就是利用精密機械傳動系統(tǒng)將兩根光纖在空間上準直，然后通過高溫電弧使石英融化，把兩根光纖對接起來。這種方法對接的準確性較高，但是考慮到實際的生產需求，這種方式實現(xiàn)光纖對接的生產效率較低，不能滿足客戶的需求，因此需要一種自動化的裝置，可實時并且快速地實現(xiàn)光纖對接工作。

考慮到系統(tǒng)可實時的監(jiān)控兩根光纖的參數(shù)變化，提出了兩種方案，第一種方案是利用VS2012+OpenCV進行圖像處理，并在MFC[9]界面上進行顯示處理后的圖像及參數(shù)，第二種方案是圖像處理部分選擇在VS+OpenCV進行圖像處理，生成DLL文件，在LabVIEW軟件中進行圖像的顯示。選擇了第二種方案，因為第一種方案在VC中實現(xiàn)實時的圖像處理較為困難、復雜且周期性較長。而第二種方案不存在多線程的問題，大幅降低了系統(tǒng)難度和開發(fā)周期，同時提高了該系統(tǒng)的實時性?？蓸O大地減輕開發(fā)人員的精力，使開發(fā)人員專注于自己項目的開發(fā)。

1 系統(tǒng)框架結構

基于LabVIEW編程平臺的光纖對中系統(tǒng)的框架結構如圖1所示，視覺檢測系統(tǒng)一般分為硬件結構和軟件結構，此系統(tǒng)的硬件結構包括光源、相機。軟件結構包括圖像采集、圖像處理、圖像顯示、數(shù)據(jù)顯示。利用LabVIEW中的生產者-消費者結構，在生產者結構中實現(xiàn)系統(tǒng)輸入圖像和圖像讀取的數(shù)據(jù)傳輸，在消費者結構中，調用OpenCV圖像處理算子，對輸入圖像進行處理，獲得需要的幾何參數(shù)。

圖1 光纖對中系統(tǒng)框架結構圖

在LabVIEW中可采用生產者-消費者結構來實現(xiàn)多線程同時處理。生產者主要負責數(shù)據(jù)的生產，即將系統(tǒng)中圖像信息存入隊列中，消費者主要負責數(shù)據(jù)處理，在本系統(tǒng)中不斷地從隊列中讀取圖像信息。這種循環(huán)結構可實現(xiàn)多個程序之間能夠實時通過隊列實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高了程序運行的效率和設計的靈活性。

OpenCV提供的視覺處理算法非常豐富，并且它部分以C語言編寫，加上其開源的特性，處理得當，不需要添加新的外部支持也可以完整的編譯鏈接生成執(zhí)行程序，所以在本次系統(tǒng)中我們采用OpenCV庫進行的圖像處理部分功能的實現(xiàn)。

2 圖像采集[7]

在LabVIEW平臺上利用生產者-消費者關系[8]，調用相機獲得圖像[1]，將圖像灰度化，調用函數(shù)將X和Y的分辨率從圖片中解析出來，將X和Y的分辨率作為參數(shù)輸入OpenCV圖像處理算子（即DLL文件），在DLL文件中實現(xiàn)對灰度圖像的一系列處理，最后輸出處理后的圖像及需要的幾何參數(shù)。并在LabVIEW的前面板上顯示。

此系統(tǒng)實現(xiàn)的結構是實時地處理圖像并顯示結果，首先，需要利用LabVIEW采集相機的數(shù)據(jù)，如圖2所示，通過調用獲取相機的函數(shù)獲取相機，并將獲取的數(shù)據(jù)存儲在緩沖區(qū)。最后關閉獲取相機的函數(shù)。

圖2 相機獲取圖像流程圖

在獲取圖像后，下一步的工作是進行圖像處理，由于在OpenCV中進行圖像處理大多基于灰度圖像（單通道、易處理），所以在此之前將圖像進行灰度化處理，并通過IMAQGetImageSize函數(shù)將X和Y的分辨率解析出來。將X和Y的分辨率以參數(shù)的形式輸入到動態(tài)鏈接庫中，在動態(tài)鏈接庫中實現(xiàn)對圖像的處理。這樣就可以充分利用VC++的編程能力以及LabVIEW的圖像化優(yōu)勢和LabVIEW中實現(xiàn)多線程的便捷性。

3 圖像處理[4]

在進行圖像處理前，要給LabVIEW提供一個動態(tài)鏈接庫（DLL文件）。本系統(tǒng)采用VS2012編程軟件，首先將OpenCV與VS2012配置好，建立一個動態(tài)鏈接庫，在此對采集到的圖像進行處理，此部分是整個系統(tǒng)的難點與重點。

圖像處理流程如圖3所示：

圖3 圖像處理流程圖

對圖像進行灰度化的處理后，此時應將該DLL文件導入LabVIEW軟件平臺下，在調用庫函數(shù)時，要進行相應的參數(shù)配置，該參數(shù)配置應符合在VC下定義的變量格式。

（1）圖像去噪

在圖像獲取過程中，圖像會受到外界和本身的干擾，這給后續(xù)的圖像分析處理帶來困難。由于噪聲源眾多，噪聲種類復雜，所以平滑的方法也很多，平滑在空間域進行也可以在頻率域進行。空間域常用的方法有：均值濾波、中值濾波和高斯濾波。如圖5所示，原圖在三種濾波方式下的顯示圖。

圖4 三種濾波結果對比

采用鄰域平均法的均值濾波器能有效地抑制噪聲，但是在求均值的計算過程中，圖像的邊緣點也進行了均值處理，這樣就是的圖像清晰度降低，畫面變得模糊。中值濾波是一種非線性濾波技術，中值濾波器的優(yōu)點是運算簡單而且速度較好，中值濾波可以克服一定條件下均值濾波帶來的圖像細節(jié)模糊，但是對于一些細節(jié)多，特別是點、線和尖頂多的圖像不適合采用中值濾波。高斯濾波是一種線性的平滑濾波，適用于消除高斯噪聲。高斯濾波的具體操作是：用一個模板掃描圖像中的每一個像素，用模板確定的鄰域內的像素的加權平均灰度值去替代模板中心像素點的值。比較以上的各種濾波效果，對于本次課題來說高斯濾波優(yōu)于其他兩種濾波方式。

（2）邊緣檢測[10]

在邊緣檢測中我們使用Canny算子，Canny算子提供兩個閾值，這兩個閾值可在進行閾值化操作時，更加方便靈活。當閾值2取值為200，閾值1分別為50和20時，如圖5所示。

圖5 Canny算子閾值1分別為50和20

當閾值2取值為250，閾值1分別為20和10時，如圖6所示。

圖6 Canny算子閾值1分別為20和10

當閾值1分別為20時，閾值2分別為250和200時，如圖7所示。

由以上分析可得，當使用Canny算子時，閾值1的作用是濾除掉小于閾值1的像素，閾值2的作用是濾掉閾值2以上的像素。故得到的結果是介于閾值1和閾值2之間的圖像。選擇合適的閾值對于本次圖像處理具有非常重要的意義。

圖7 Canny算子閾值2分別為250和200

（3）形態(tài)學操作[6]

在光纖數(shù)字化過程中，不可避免地會給光纖圖像帶來各種偽信息。例如，可能會造成原本連接的條線出現(xiàn)斷裂，利用形態(tài)學的知識，主要是為了補償數(shù)字化過程中因為某種原因引起的有用信息的丟失。形態(tài)學操作的高級形態(tài)主要有開運算和閉運算，其都是建立在腐蝕和膨脹這兩個基本操作之上的，開運算就是先腐蝕后膨脹的過程，閉運算是先膨脹后腐蝕的過程。開運算可以用來消除小物體，在纖細點處分離物體，平滑較大物體的邊界同時并不明顯改變其面積。閉運算可以排除小型空洞。

此文在形態(tài)學這個處理中為例實現(xiàn)將光纖中的孔洞填充的目的，因此采用閉運算的操作。

（4）查找矩形

光纖在經過閉運算后，在圖像中會以細長條的形式呈現(xiàn)，在此文中將光纖提取的辦法是用旋轉矩形查找圖像中的矩形區(qū)域，并畫出矩形。

（5）顯示光纖中心線

在畫出光纖的矩形框之后，此時應當尋找光纖的中心線，由于此文采用旋轉矩形框選矩形，就存在光纖頂點位置的不確定，頂點位置不確定就沒有辦法找到光纖的中心線，在這里采取的方法是利用旋轉矩形的角度，從而限定了頂點位置，這樣就可以找到光纖的中心線。

（6）計算幾何參數(shù)

利用兩根光纖中心線的參數(shù)，根據(jù)斜率與角度的關系，即可計算出光纖的幾何參數(shù)。

4 參數(shù)輸出及顯示

此系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有以下4個方面：

（1）檢測左側光纖與水平面的夾角

（2）檢測右側光纖與水平面的夾角

（3）計算兩根光纖的角度差

（4）檢測出兩根光纖的水平距離

在進行圖像處理時，給定圖像處理函數(shù)提供對應的實參，圖像處理函數(shù)一次只能返回一個結果，所以在定義形參時，考慮到這一點，在這里定義了兩個形參變量。

_declspec(dllexport)int PreviousImage1(int rows，int cols，unsigned__int8*data，int flag，int flag1)。

（1）當flag=0：代表計算光纖的角度問題。

將flag1置為0，則result值為左側光纖與水平面的夾角。

將flag1置為1，則result值為右側光纖與水平面的夾角。

flag1取其他值時，result值為兩個光纖的差值。

（2）當flag取任意其他值時，代表兩根光纖之間的距離。

當分別滿足flag和flag1條件時，就可返回不同值。如圖8為圖像處理結果及參數(shù)顯示。該圖像表示右側光纖與水平面的夾角是4度，即光纖順時針旋轉4度即可使光纖位于水平狀態(tài)。

圖8 圖像處理結果及參數(shù)顯示

圖9為在VS2012中進行的圖像處理[9]，與在Lab?VIEW中圖像處理相比，VS2012中的數(shù)據(jù)更為準確，但是界面的友好性不夠，LabVIEW與VS2012相比，右側光纖角度誤差在一個像素以內，此誤差可以接受，而且此次的光纖對中工作要求實時檢測，在LabVIEW中更容易實現(xiàn)此項功能。故選擇了LabVIEW軟件實現(xiàn)此次的光纖對中工作。

圖9 在VS2012中實現(xiàn)光纖對中

5 結語

本文以LabVIEW軟件為平臺，通過調用VC++與OpenCV的動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)了圖像的采集、處理以及結果的顯示，它將機器視覺技術應用在光纖對中的檢測中，能夠快速準確地提取需要的幾何參數(shù)，對于提高工作效率，實現(xiàn)自動化光纖對中具有很強的優(yōu)勢。