圖像處理也可以稱作視覺處理。LabVIEW提供了多種圖像處理的方法。其中NI公司的視覺采集軟件提供的驅(qū)動(dòng)和函數(shù)，既能夠從數(shù)千種連接到 NI 幀接收器上的不同相機(jī)上采集圖像，也能夠從連接在PC、PXI系統(tǒng)或筆記本計(jì)算機(jī)上標(biāo)準(zhǔn)端口的IEEE1394和千兆位以太網(wǎng)視覺相機(jī)采集圖像。

本實(shí)例主要完成通過 USB 攝像頭采集圖像，并經(jīng)過一些運(yùn)算對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在實(shí)例中用采集到的圖片作樣本，讓系統(tǒng)認(rèn)識(shí)一個(gè)像素，然后開始自動(dòng)查找圖像中的相同像素，查找時(shí)還要對(duì)圖片進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以全面找到相同的像素，最后再標(biāo)注出這些點(diǎn)的中心位置和點(diǎn)數(shù)。

一、Vision圖像工具安裝

Vision 是一個(gè)圖像處理的工具包，當(dāng)安裝完成后，啟動(dòng) LabVIEW 軟件，可以在前面板與后面板上看到相應(yīng)的控件和函數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)中，我們會(huì)用到工具前面板的Vision選項(xiàng)列表的三個(gè)圖像顯示控件IMAQ Image.ctl、Image Display、Image Display（Classic）進(jìn)行圖像分析、處理及顯示設(shè)置；也會(huì)用到后面板“視覺與運(yùn)動(dòng)”函數(shù)選板，包括常用的視覺圖像采集函數(shù)組NI-IMAQ、應(yīng)用函數(shù)組Vision Utilities。具體控件與函數(shù)使用方法，可自行參考百度索引或者Vision視覺助手相關(guān)的書籍手冊(cè)。

二、圖像采集

要處理圖像，必須先要獲取一張圖像。獲取圖像是通過調(diào)用 Vision 中的 IMAQ USB 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。它的最大優(yōu)勢(shì)在于可以自動(dòng)識(shí)別 USB 攝像頭，并讀取數(shù)據(jù)。

選擇“函數(shù)”|“Vision and Motion”|“IMAQ USB”命令，打開IMAQ USB函數(shù)下拉列表，如圖1所示。

在進(jìn)行圖像采集時(shí)，先要用IMAQ Create函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)圖像任務(wù)，此函數(shù)的接線如圖2所示。

圖1 圖像采集函數(shù)

圖2 IMAQ Create函數(shù)圖標(biāo)

這里通過此函數(shù)對(duì)圖像的名稱和類型大小等進(jìn)行定義，否則后面的工作沒有辦法進(jìn)行。然后再通過一個(gè) USB 啟動(dòng)函數(shù)來調(diào)用 USB 攝像頭設(shè)備。此函數(shù)是 NI 公司自己研發(fā)專門讀取 USB 設(shè)備的函數(shù)，其內(nèi)部通過調(diào)用ImaqDirectShowDll.dll文件來實(shí)現(xiàn)。

打開USB設(shè)備后，就要從此設(shè)備上獲取數(shù)據(jù)，所以用了一個(gè)IMAQ USB Grab Acquire函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。整個(gè)圖像采集程序框圖如圖3所示。

圖3 圖像采集

三、圖像處理過程

此處的圖像處理包括對(duì)圖像進(jìn)行采樣，找出與采樣點(diǎn)相同的圖像。為了找出各種角度放置的采樣點(diǎn)，在查找的同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行了360°的翻轉(zhuǎn)，這樣可以找出圖像上所有相同點(diǎn)。

1.整體設(shè)計(jì)

在本實(shí)例設(shè)計(jì)中，對(duì)一張圖片先設(shè)置好要查找的內(nèi)容，然后開始自動(dòng)查找，最后對(duì)找出的內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)記和顯示。

由于軟件的運(yùn)行比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)的采集又是實(shí)時(shí)的，要求處理速度比較快，所以要對(duì)其進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，合理安排控件的調(diào)用和執(zhí)行順序。本程序中采用了一個(gè)大循環(huán)，保持程序的持續(xù)運(yùn)行。在內(nèi)部再調(diào)用一個(gè)順序結(jié)構(gòu)來控制程序的執(zhí)行順序 ，這樣可以保證程序按編程者的思路進(jìn)行。具體的工作流程圖如圖4所示。

圖4 整個(gè)程序流程圖

2.設(shè)置查找像素

讀取了圖像數(shù)據(jù)后，還要設(shè)置查找的像素。這里通過一個(gè)光標(biāo)選擇函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

先用函數(shù)IMAQ Setup Learn Pattern 2來設(shè)置需要記錄的各項(xiàng)，然后再用IMAQ Extract函數(shù)進(jìn)行光標(biāo)設(shè)置。這樣就記錄了此光標(biāo)區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。它的程序框圖如圖5所示。

圖5 設(shè)置查找像素

這里用一個(gè)條件結(jié)構(gòu)來控制是否進(jìn)入記錄像素的程序。也就是當(dāng)選擇了要記錄的像素后，才進(jìn)入此分支程序。在這一分支程序中，又利用了一個(gè)順序結(jié)構(gòu)，這樣提高了程序運(yùn)行的效率。它的程序如圖6所示。

圖6 復(fù)位記錄按鈕

3.開始查找

當(dāng)設(shè)置完以上要查找的像素后，就可以在需要的圖片中查找此像素。為了查找有用的像素，在選擇了“開始查找”后，要先讀取上面標(biāo)記的像素，再進(jìn)行查找。

此處程序的設(shè)計(jì)中，也是先運(yùn)行一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，再運(yùn)行順序結(jié)構(gòu)，按順序執(zhí)行程序。讀取光標(biāo)選擇像素的程序如圖7所示。

圖7 讀取選擇的像素

當(dāng)讀取像素后，利用順序結(jié)構(gòu)在第二幀的圖像中繼續(xù)查找。在這一幀中放置了一個(gè)循環(huán)，并限制循環(huán)次數(shù)為4。此時(shí)先用一個(gè)IMAQ Rotate對(duì)圖像進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，每次翻轉(zhuǎn)90°。這樣就可以在循環(huán)4次時(shí)翻轉(zhuǎn)一周，對(duì)圖像上各個(gè)角度的像素進(jìn)行查找。再把圖像送到IMAQ Match Pattern 2函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行查找。通過此函數(shù)直接輸出找到的像素信息的數(shù)組。為了對(duì)找到的信息進(jìn)行處理，又用一個(gè)For循環(huán)對(duì)此數(shù)據(jù)和簇進(jìn)行拆分。這里的For循環(huán)次數(shù)直接由數(shù)組大小來控制。把數(shù)組拆開后再找到像素的中心位置，并按設(shè)置好的字體和格式顯示出來。對(duì)字體的設(shè)置，前面板如圖8所示。

圖8 標(biāo)記字體設(shè)置

從圖7中可以看出，其中包括字體名稱、字體大小、下畫線、加粗等標(biāo)記方式。標(biāo)記字體程序如圖9所示。

圖9 標(biāo)記字體程序

可以看到，最復(fù)雜的設(shè)置是對(duì)標(biāo)記內(nèi)容的組合與寫入。這里先由Draw Pattern Matches Position函數(shù)讀取各個(gè)記錄點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后用一個(gè)字符串組合函數(shù)把標(biāo)記和坐標(biāo)值組合成一個(gè)標(biāo)記字符串。最后由IMAQ Draw Text函數(shù)把組合好的標(biāo)記信息直接寫入圖像界面中。整個(gè)標(biāo)記程序如圖10所示。

圖10 完整標(biāo)記程序

當(dāng)?shù)诙瑘?zhí)行完后，進(jìn)入第三幀的圖像大小設(shè)置。因?yàn)樵谇懊娌檎业倪^程中，為了查找得更加精確，對(duì)圖像進(jìn)行了像素的放大，這里為了顯示的方便，就需要對(duì)圖像進(jìn)行還原，這樣才可以看得清楚。此處用了IMAQ Extract函數(shù)，對(duì)顯示的圖像進(jìn)行放大和縮小，但是沒有改變真正的圖像。它的程序框圖如圖11所示。

圖11 圖像還原

4.程序前面板

當(dāng)所有后面板程序編寫完后，就要進(jìn)行前面板控件布局。由于此程序中涉及的控件不多，所以很好設(shè)置整體布局。程序界面如圖12所示。其中，“標(biāo)簽類型”是為了給標(biāo)簽進(jìn)行不同的編號(hào)，在當(dāng)前坐標(biāo)前面加的一個(gè)前綴，這樣更好區(qū)分不同的像素點(diǎn)。“最大數(shù)目”是查找出目標(biāo)的最大限制。如果設(shè)置為40，則最多只能找出40個(gè)目標(biāo)。當(dāng)大于此值時(shí)，則將多出來的其他目標(biāo)量忽略。

下面對(duì)查找時(shí)要放大的倍數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這里只是對(duì)二維的數(shù)據(jù)放大，所以在界面上設(shè)置兩個(gè)值，一個(gè)是X，另一個(gè)是Y。前面板布局如圖13所示。

圖12 控制項(xiàng)設(shè)置

圖13 放大設(shè)置

為了對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制，需要設(shè)置4個(gè)按鈕。它們分別如下：

— 開始采集：用于啟動(dòng)采集，完成整個(gè)任務(wù)的第一個(gè)動(dòng)作，采集一張圖片。

— 記錄標(biāo)記：用于對(duì)光標(biāo)選擇的區(qū)域進(jìn)行記錄，以識(shí)別設(shè)置像素。

— 開始查找：啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)采集到的圖片進(jìn)行查找，找出相同像素并進(jìn)行標(biāo)記。

— 停止工作：系統(tǒng)停止工作。

界面布局如圖14所示。

圖14 按鈕設(shè)置

接下來對(duì)查找后的圖像進(jìn)行顯示，這是非常關(guān)鍵的一個(gè)步驟。這里還對(duì)查找到的總個(gè)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，這樣可以讓人對(duì)查找結(jié)果一目了然，完整的前面板界面如圖15所示。

圖15完整界面

5.程序調(diào)試

程序編寫完成后，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件的聯(lián)機(jī)調(diào)試。這里把NI公司的USB攝像頭和計(jì)算機(jī)連接，并在計(jì)算機(jī)上安裝此軟件工具包。具體操作如下：

（1）運(yùn)行本程序，在攝像頭下放置好一塊電路板，并對(duì)其設(shè)置好焦距和亮度。單擊“開始采集”按鈕，對(duì)其進(jìn)行采集，并顯示實(shí)時(shí)采集到的圖像，如圖16所示。

（2）當(dāng)采集完一次后，在界面上可以看到清晰的采集結(jié)果。此時(shí)我們用光標(biāo)在需要進(jìn)行識(shí)別的地方畫出一個(gè)區(qū)域。此時(shí)光標(biāo)變?yōu)榫G色，表示用光標(biāo)選中了要記錄的像素。然后單擊“學(xué)習(xí)標(biāo)記”按鈕，此光標(biāo)消失，表示已經(jīng)記錄（學(xué)習(xí)）完成，如圖17所示。

從圖上可以看出，這里選中的是電路板上字母C，讓程序?qū)W習(xí)記錄，并找出界面上所有的字母C。

圖16 圖像采集

圖17 設(shè)置學(xué)習(xí)區(qū)域

（3）記錄學(xué)習(xí)完成后，就可以查找相同像素的點(diǎn)了。單擊“開始查找”按鈕后，程序開始在此圖上查找記錄的像素點(diǎn)，并以此像素點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比對(duì)，找出相同的點(diǎn)。查找的過程中標(biāo)出了各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和編號(hào)。這里把標(biāo)簽類型設(shè)置為“A”，以Shift Invariant的方式查找，精度設(shè)置為700，最大數(shù)目設(shè)置為40。這樣就可找出所有相同的元素。程序運(yùn)行時(shí)如圖18所示。

圖18 查找結(jié)果

從圖中可以看出，查找過程中，程序找出了所有字母 C，并標(biāo)注了它們的坐標(biāo)和標(biāo)簽。此處的標(biāo)簽有些不是端正的，主要是由于在對(duì)圖片進(jìn)行翻轉(zhuǎn)查找時(shí)，按相應(yīng)的角度找到后直接就標(biāo)記了。如標(biāo)簽 A43（70，471）表示的意義如下：字母 A是對(duì)程序進(jìn)行查找前設(shè)置的標(biāo)簽類型。4表示此圖片翻轉(zhuǎn)到第4次找到的，即第4個(gè)角度。3表示是此角度下的第3個(gè)點(diǎn)。（70，471）表示當(dāng)前查找到像素的中心坐標(biāo)，即此目標(biāo)的 X=70，Y=471，坐標(biāo)的值是從圖像開始的左上角界面算起的。

同時(shí)可以看到界面的下面顯示了圖片的屬性，如圖片大小、位數(shù)等。最后還可以看到一個(gè)“已查找到總個(gè)數(shù)”本框，此處顯示的是8個(gè)目標(biāo)。這和圖上標(biāo)注的一樣，也和實(shí)際完全相符。

（4）完成查找后，單擊“停止工作”按鈕中斷此程序的運(yùn)行。系統(tǒng)退出圖像采集和處理環(huán)節(jié)。

四、實(shí)例總結(jié)

本例講解了LabVIEW中圖像處理方面的具體應(yīng)用，主要對(duì)如何利用Vision工具包采集圖像進(jìn)行了詳細(xì)的講解。同時(shí)采集到圖像后進(jìn)行了各類復(fù)雜的運(yùn)算，其中編程的思路也是筆者的經(jīng)驗(yàn)展示，讀者需要用心體會(huì)，掌握設(shè)置不同事件的合理運(yùn)行順序。

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責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：純干貨分享！手把手教你工業(yè)圖像視覺識(shí)別與處理

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