【文章內容簡介】 惡性環(huán)境內識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進設計和制造技術中采用工業(yè)視覺等等。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人，將會給工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)帶來新的面貌，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。 （ 5）軍事公安方面在軍事方面圖像處理和識別主要用于導彈的精確制導，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)和模擬訓練系統(tǒng)等；公安方面主要用于指紋識別、人臉鑒別、不完整圖片的復原以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別就是圖像處理技術成功應用的例子。 [5] （ 6）文化藝術方面的應用目前這類應用有電視畫面的數(shù)字編輯、動畫的制作、電子圖像游戲、紡織工藝品 設計、服裝設計與制作、發(fā)型設計、文物資料照片的復制和修復、運動員動作分析和評分等等。目前正在形成一門新的藝術 ——計算機美術。 （ 7）其它方面的應用數(shù)字圖像處理技術已經(jīng)滲透到社會生活的各個領域，如地理信息系統(tǒng)中二維、三維電子地圖的自動生成、修復等；教育領域各種輔助教學系統(tǒng)研究、制作中；流媒體技術領域等等。 LabVIEW 機器視覺的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著科學技術及工業(yè)自動化的發(fā)展，機器視覺作為一種應用系統(tǒng)，其功能和特點也得到逐步完善和發(fā)展。機器視覺通過計算機來模擬人的視覺，其目的便是用圖像獲取來 恢復現(xiàn)實世界的模型。自從 20 世紀 50 年代就著眼于研究統(tǒng)計模式（論文）說明書 6 識別繼而開始機器視覺的探討建立了不少機器視覺理論， Marr 的 視覺計算理論目前仍然是機器視覺的主要理論框架，大多數(shù)機器視覺研究都著眼于通過計算，提取二維視覺數(shù)據(jù)中的深度信息進行目標三維描述和識別。在 80 年代末，隨著數(shù)學物理學中的不變量理論的引入，形成了視覺不變量理論和應用的新框架。與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)如多媒體系統(tǒng)相比，機器視覺強調的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。 LabVIEW 作為圖形化的編程語言，其易學易用，易于采用模塊化設計思想 的特點，使得基于 LabVIEW 的機器視覺系統(tǒng)在采用相應的軟件開發(fā)功能包后，更易使系統(tǒng)具有開發(fā)簡單，構件靈活，層次清晰的特點， LabVIEW 已成為機器視覺最常用的開發(fā)平臺之一，今后隨著軟件開發(fā)包功能不斷的集成化，多樣化，其對系統(tǒng)成本和項目開發(fā)時 間的 控制作用會更加不可忽視，利用 LabVIEW 開發(fā)及其視覺系統(tǒng)將被更多項目開發(fā)人員選擇。 國內外研究現(xiàn)狀及技術難題 數(shù)字圖像處理技術基本可以分成兩大類：模擬圖像處理（ Analog Image Processing）和數(shù)字圖像處理（ Digtal Image Processing）。數(shù)字圖像處理是指將圖像信號轉換成數(shù)字信號并利用計算機進行處理的過程。其優(yōu)點是處理精度高，處理內容豐富，可進行復雜的非線性處理，有靈活的變通能力，一般來說只要改變軟件就可以處理內容。困難主要在處理速度上，特別是進行復雜的處理。數(shù)字圖像處理技術主要包括如下內容：幾何處理（ Geometrical Processing）、算術處理（ Arithmetic Processing）、圖像增強（ ImageEnhancement）、圖像復原（ Image Restoration）、圖像重建（ Image Reconstruction）、圖像編碼（ Image Encoding）、圖像識別 (Image Recognition)、圖像理解（ ImageUnderstanding）。數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展涉及信息科學、計算機科學、數(shù)學、物理學以及生物學等學科，因此數(shù)理及相關的邊緣學科對圖像處理科學的發(fā)展有越來越大的影響。近年來，數(shù)字圖像處理技術日趨成熟，它廣泛應用于空間探測、遙感、生物醫(yī)學、人工智能以及工業(yè)檢測等許多領域，并促使這些學科產(chǎn)生了新的發(fā)展。 數(shù)字圖像處理目前存在的問題： （ 1）處理信息量很大 數(shù)字圖像處理的信息 大多是二維信息，處理信息量很大。如一幅 256 256 低分辨率黑白圖像，要求約 64kbit 的數(shù)據(jù)量；對高分辨率彩色 512 512 圖像，則要求 768kbit 數(shù)據(jù)量；如果要處理 30 幀 /秒的電視圖像序列，則每秒要求500kbit～ 數(shù)據(jù)量。因此對計算機的計算速度、存儲容量等要求較高。 （ 2）占用頻帶較寬 第一章 緒論 7 數(shù)字圖像處理占用的頻帶較寬。語言信息相比，占用的頻帶要大幾個數(shù)量級。如電視圖像的帶寬約 ，而語音帶寬僅為 4kHz 左右。所以在成像、傳輸、存儲、處理、顯示等各個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)上，技術 難度較大，成本亦高，這就對頻帶壓縮技術提出了更高的要求。 （ 3）各像素相關性大 數(shù)字圖像中各個像素是不獨立的，其相關性大。在圖像畫面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。就電視畫面而言，同一行中相鄰兩個像素或相鄰兩行間的像素，其相關系數(shù)可達 以上，而相鄰兩幀之間的相關性比幀內相關性一般說還要大些。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。 （ 4）無法復現(xiàn)三維景物的全部幾何信息 由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖象本身不具備復現(xiàn)三維景物的全部幾何信息的能力，很顯然三維景物背后部分信息在二維圖像畫面上是反映不 出來的。因此，要分析和理解三維景物必須作合適的假定或附加新的測量，例如雙目圖像或多視點圖像。在理解三維景物時需要知識導引，這也是人工智能中正在致力解決的知識工程問題。 （ 5）受人的因素影響較大 數(shù)字圖像處理后的圖像一般是給人觀察和評價的，因此受人的因素影響較大。由于人的視覺系統(tǒng)很復雜，受環(huán)境條件、視覺性能、人的情緒愛好以及知識狀況影響很大，作為圖像質量的評價還有待進一步深入的研究。另一方面，計算機視覺是模仿人的視覺，人的感知機理必然影響著計算機視覺的研究。例如，什么是感知的初始基元，基元是如何組成的，局部與 全局感知的關系，優(yōu)先敏感的結構、屬性和時間特征等，這些都是心理學和神經(jīng)心理學正在著力研究的課題。 （論文）說明書 8 第二章 虛擬儀器技術 基于虛擬儀器的機器視覺系統(tǒng) 機器視覺系統(tǒng)正處在不斷發(fā)展的進程中，上文已經(jīng)給出了其發(fā)展的趨勢，而基于虛擬儀器的機器視覺系統(tǒng)正是這些發(fā)展趨勢的集中體現(xiàn)。 隨著計算機技術的不斷發(fā)展，基于虛擬儀器的視覺系統(tǒng)愈發(fā)趨于經(jīng)濟和實用 .含 VBvIX (MultiMediaExtensions 多媒體擴展 )技術的高能 Pentium 處理器、堅固的操作系統(tǒng)、 PCI (Peripheral Component Interconnect,外部設備互連 )局部總線以及具有友好用戶接口的、基于虛擬儀器的圖像采集軟硬件，使今天的視覺應用系統(tǒng)的性能大大優(yōu)于以往的系統(tǒng)，而同時成本卻在不斷下降。 過去，視覺系統(tǒng)的建立是由系統(tǒng)集成人員、 OEM (Original Equipment Manufactures)和企業(yè)內部的視覺系統(tǒng)開發(fā)組聯(lián)合完成的。今天，新技術和基于虛擬儀器的圖像處理軟件，使用戶在極低成本下就可開發(fā)完成滿足大多數(shù)應用要求的計算機視覺應用系統(tǒng)。虛擬儀器化的視覺應用系統(tǒng)能夠為自動化系統(tǒng)提供過程監(jiān)視、信息集中 和反饋控制，實驗室自動化與圖像處理系統(tǒng)則能夠利用濾波與分析技術進行細胞數(shù)量、生物材料合格性等的測定。事實上，當今基于虛擬儀器的視覺系統(tǒng)己能夠以前所未有效率、靈活性、一致性、可靠性和數(shù)據(jù)吞吐能力，執(zhí)行更加復雜的檢測任務。 [6] 機器視覺與虛擬儀器結合的好處是顯而易見的 :一方面，傳統(tǒng)的基于硬件的機器視覺系統(tǒng)價格昂貴，開發(fā)難度大 (一般采用匯編語言編程 )，開發(fā)周期長，而采用虛擬儀器技術則可以克服這些缺點，開發(fā)出滿足市場需要、廉價、高效的檢測儀器。另一方面，可以將機器視覺的分析功能與虛擬儀器的控制功能有效結合，得到很 高的性價比。虛擬儀器把計算機資源 (如微處理器、內存、顯示器等 )和儀器硬件 (如 A/D, D/A,數(shù)字 LO、定時器、信號調理等 )的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析。 VI 開發(fā)軟件 LabVIEW 數(shù)字圖像處理是視覺系統(tǒng)的關鍵，這一切在虛擬儀器系統(tǒng)中是通過計算機軟件實現(xiàn)的，而目前國內外使用的最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺是 1I 公司的LabVIEW 和 Labwindows/CVIo 基于這兩種軟件的 IMAQ Vision 則為這兩種平臺提供了完整的圖像處理函數(shù)庫和功能模塊，例如各類邊緣檢 測算子、自動閉值處理、各種形態(tài)學算法、濾波器以及 FIT 等 .其中包含大量當前證明成功的理論算法，第二章 虛擬儀器技術 9 使用戶無需專業(yè)編程經(jīng)驗，即可迅速開發(fā)完成優(yōu)秀的、適合本專業(yè)的圖像處理與分析系統(tǒng)。 LabVIEW 是一種可以用圖形來建立程序的軟件開發(fā)工具。在基于文本的編程語言中，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令，與之不同的 LabVIEW 使用數(shù)據(jù)流編程方法來描述程序的執(zhí)行。 LabVIEW 用圖形語言 (G 語言 )、圖標和連線代替文本的形式編寫程序，它創(chuàng)造性的為用戶提供了簡單、易學的圖形編程方式，這種富有創(chuàng)意的方式把復雜、煩瑣、費時的語言編 程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能，并用線把各種用圖形表示的功能連接起來的簡單方式，設計者可以象搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)和構造自己的儀器面板。這種圖形化的編程方式也深受筆者喜愛。 LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)的程序稱為 VI，類似于傳統(tǒng)編程語言的函數(shù)或子程序。VI 由程序前面板、框圖程序和圖標 Z 連接器組成 .連接器用于更上層的 VI 調用該 V1。這樣就可以把一個復雜的應用程序劃分為一系列簡單的子任務，為每一個子任務創(chuàng)建一個子 VI，在將他們在另一個框圖程序中組合完成復雜的任務。這使得 LabVIEW 符合模塊化的程 序設計概念 .LabVIEW 的開發(fā)環(huán)境包括程序前面板窗口、框圖程序窗口，另外還有三種操作模板 :工具模板、控制模板和功能模板。 程序前面板用于模擬真實儀表的前面板，可以設置輸入數(shù)值和觀察輸出量 .在前面板上，輸入量稱為控制 (Controls),輸出量稱為顯示 (Indicators).控制和顯示是通過各種圖標形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂 .程序的前面板在前面板窗口中完成。當前面板窗口處于活動狀態(tài)時，工具模板和控制模板可用。相應的各個程序前面板都對應著一段框圖程序 .在框圖程 序窗口用 LabVIEW 圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼 .端口、節(jié)點、圖框和連線構成了后面板程序。其中端口用于同步程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù) 。通過節(jié)可實現(xiàn)函數(shù)和功能調用，節(jié)點與外界通過端口進行數(shù)據(jù)交換 。另外圖框在 LabVIEW 中也是一種節(jié)點，是 LabVIEW 控制 VI程序執(zhí)行方式的圖形表示，如順序、條件和循環(huán)控制結構等，被用來實現(xiàn)結構化程序控制命令 。連線則代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了 基于 LabVIEW 的 標圖像采集系統(tǒng)研究框圖內的數(shù)據(jù)流動的方向。 [7] 利用 LabVIEW 進行圖像處理是一 個非常重要的應用，在許多行業(yè)中采用圖像的采集和識別來進行判斷、控制，使操作更加精確，具有可信度、人性化、智能化。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動和函數(shù)，既能夠從數(shù)千種連接到 NI (National Instruments)幀接收器上的不同相機上采集圖像，也能夠從連接在 (PCI （論文）說明書 10 eXtensions for PCI 擴展 )系統(tǒng)或筆記本計算機上標準端口的 IEEE 1394 和千兆位以太 網(wǎng)視覺相機采集圖像。 LabVIEW 中的視覺開發(fā)模塊作為強大的機器視覺處理庫，配有各類函數(shù)，其中 包括 :邊緣檢測、顆粒分析、光學字符識別和驗證、一維和二維代碼支持、幾何與模式匹配、顏色工具 .該模塊可與 NI 公司的所有軟件、 C++. Microsoft Visual Basic, ，相互調用，為用戶提供了相當便利的操作用戶可通過視覺開發(fā)模塊的同步功能，實現(xiàn)與運動或數(shù)據(jù)采集測量的同步 .NI 公司提供的圖像處理軟件包可以在 LabVIEW 中完成各種關于圖像處理、視覺運行的控制。 [8] 虛擬儀器視覺軟件模塊 IMAQ Vision IMAQ Vision 是 LabVIEW 內置的視覺開發(fā)工具包，其中包括 IMAQ Vision 和Vision Builder 兩個組件。 IMAQ Vision 是一個功能強大的函數(shù)庫，提供了在LabVIEW 平臺上開發(fā)機器視覺系統(tǒng)所需要的各種子程序，例如圖像采集、系統(tǒng)凌準、圖像處理、幾何量測量等 .Vision Builder 是一個 交互 式的機器視覺系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，可以在系統(tǒng)軟件設計的每一步看到輸出的中間結果，并可以隨時進行修改。設計完成后能夠自動生成 LabVIEW 程 序代碼。 NI 的 IMAQ Vision 軟件包為圖象處理提供了完整的功能，它將 400 多種功能整合到應用軟件中，以實現(xiàn)功能強大的圖象處理解決方案。現(xiàn)在的圖象采集用戶可以利用 LabVIEW 圖形化編程的優(yōu)異性能和高效率，開發(fā)出基于通用編程語言的解決方案。 [9] HI 公司的 IMAQ Vision 軟件包在 LabVIEW 應用程序中加入了機器視覺和圖象處理的功能 .IMAQ Vision 中包含一套豐富的為 MMR 而優(yōu)化的函數(shù)，可用來完成灰度、彩色以及二值圖象的顯示、處理 (統(tǒng)計、濾波和幾何變化 )、形狀匹配、斑點分析