【文章內(nèi)容簡介】 ，PCI接口的平均傳輸速率為50～90MB／S，有可能在傳輸瞬間不能滿足高傳輸率的要求。因此，這一任務(wù)通常使用圖像采集卡來完成。圖像采集卡是一塊可插入計算機(jī)或脫離計算機(jī)獨立使用的板卡，圖像采集卡將數(shù)字信號經(jīng)過處理送入計算機(jī)，是圖像采集部分和圖像處理部分的接口。為了避免與其他PCI設(shè)備產(chǎn)生沖突時丟失數(shù)據(jù)，一般在圖像采集卡上應(yīng)有數(shù)據(jù)緩存。一些圖像采集卡還提供數(shù)字I／O的功能。圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)主要有以下幾個：圖像傳輸格式：圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中相機(jī)所采用的輸出信號格式。其中，LVDS、CameraLink和千兆以太網(wǎng)等幾種圖像傳輸形式在機(jī)器視覺工程中應(yīng)用較為廣泛。圖像格式：圖像格式也被稱為像素格式，分為灰度和彩色兩種。灰度圖像在通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可使用10位、12位、16位等來表示圖像的灰度；彩色圖像：可由RGB(或者YUV)3種色彩組合而成。分辨率：采集卡能支持的最大點陣反映了其分辨率的性能。單行最大點數(shù)和單幀最大點數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。采樣頻率：反映采集卡處理圖像的速度和能力的參數(shù)。在進(jìn)行高度圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。本文使用的圖像采集卡為NI公司的IMAQ 1422圖像采集卡。 IMAQ 1422 參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù)內(nèi)存32M傳輸格式LVDS像素精度8,10,12,14,16bit時鐘頻率500K赫茲到40M赫茲總線接口PCINI公司的IMAQ—1422LVDS圖像采集卡是一款非常靈活的，對工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用和科學(xué)研究都適合的圖像采集卡。這一圖像采集卡不僅可以與多個廠家生產(chǎn)的多種型號的相機(jī)配套使用，而且提多種編程軟件的驅(qū)動接口和一些基礎(chǔ)的圖像處理函數(shù)以適和不同用戶的需求。IMAQ．1422圖像采集卡能夠支持的軟件開發(fā)平臺有：LabView、LabWindows／CVI， Visual C+、Visual Basic以及Bortand c++等。Labview是美國國家儀器公司(National Instrument)開發(fā)的一套高效圖形化應(yīng)用開發(fā)軟件，使用數(shù)據(jù)流編程方法來描述程序的執(zhí)行，用圖形語言(G語言)、圖標(biāo)和連線代恃文奉的形式編寫程序，為用戶提供了簡單、易學(xué)的圖形編程方式。labview 具有以下特點【11】：Labview使用所見即所得的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面。針對測試測量和過程控制領(lǐng)域，Labview提供了虛擬儀器面板上所必須的大量顯示或控制對象，如：表頭、旋鈕、圖表等，用戶可以方地將現(xiàn)有控制對象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對象。圖形化的程序語言，又稱為 “G” 語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，Labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。Labview用圖標(biāo)表示功能模塊，使用圖標(biāo)間的連線表示各種功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù)流，使用數(shù)據(jù)流程圖式的圖形化語言編寫代碼。開發(fā)時在開發(fā)環(huán)境的前面板定制界面，后面板會自動生成與前面板相應(yīng)的功能圖標(biāo)。靈活的程序調(diào)試手段和編程效率用戶可在源代碼中設(shè)置斷點單步執(zhí)行源代碼，在源代碼的數(shù)據(jù)流上設(shè)置探針在程序運(yùn)行中觀察數(shù)據(jù)流的變化。Labview采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序，這就解決了其他按解釋方式工作的圖形化編程平臺運(yùn)行速度慢的問題，其運(yùn)行速度與編譯C的速度相當(dāng)。熟練的Labview程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右。所以，如果項目開發(fā)時間緊張，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用Labview，以縮短開發(fā)時間。功能強(qiáng)大的函數(shù)庫Labview提供了大量的基本函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用，從底層的VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的硬件控制子程序到儀器驅(qū)動程序，從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算函數(shù)、文件I／O函數(shù)到高級分析庫(包括信號處理窗函數(shù)、濾波器設(shè)計、線性代數(shù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計、曲線擬合等)涵蓋了虛擬儀器設(shè)計中幾乎所有需要的函數(shù)。此外，Labview還支持NI各種專用函數(shù)庫來實現(xiàn)特殊功能，只要安裝相應(yīng)的軟件，用戶就可以像調(diào)用基本函數(shù)庫中的函數(shù)一樣來調(diào)用庫中的功能模塊，如：NI DataSocket封裝了API底層的TCP／IP通訊協(xié)議，用戶無須編寫大量的代碼便可可以用DataSockct開發(fā)出支持TCP／IP動態(tài)數(shù)據(jù)交換、DDE等網(wǎng)絡(luò)功能的應(yīng)用；NI SQL封裝了復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫操作程序，用戶可以通過NI SQL很容易的進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作；NI IMAQ VISION包含了各種機(jī)器視覺開發(fā)應(yīng)用算法，用戶可以基于它快速的開發(fā)自己的機(jī)器視覺應(yīng)用。．跨多種系統(tǒng)平臺如果同一個程序需要運(yùn)行于多個硬件設(shè)備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運(yùn)行在常見的三大臺式機(jī)操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，比如常見的PDA、FPGA以及運(yùn)行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設(shè)備。開放式的開發(fā)平臺Labview提供DLL接口使用能夠在Labview平臺上調(diào)用其他軟件平臺編譯的模塊，從而在Labview環(huán)境下可以控制用戶自己開發(fā)的專用儀器硬件。Labview提供了CIN接口，可以使用戶將自己用C語言編寫的程序集成到整個軟件系統(tǒng)中來。用戶可以根據(jù)項目的需要在Labview現(xiàn)有的功能模塊基礎(chǔ)上定制自己的算法和功能。 一些研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)開發(fā)了機(jī)器視覺系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺或者函數(shù)庫，提供一些常用的算法和工具。例如：DEEL公司openCV函數(shù)庫、mvtee公司HALCON、NI公司LabVIEW軟件的IMAQ Vision等。LabVIEW軟件的視覺模塊包括NI Vision Builder和IMAQ Vision兩部分NIVisionBuilder是一個交互式的開發(fā)環(huán)境開發(fā)人員無需編程即能快速完成視覺應(yīng)用系統(tǒng)的模型建立。美國NI公司的的IMAQ Vision軟件包是NI公司的視覺開發(fā)模塊是專為開發(fā)機(jī)器視覺和科學(xué)成像應(yīng)用的工程師及科學(xué)家而設(shè)計的，是一套包含各種圖像處理函數(shù)的功能庫，它將400多種函數(shù)集成到LabVIEW和Measurement Studio開發(fā)環(huán)境中，以實現(xiàn)功能強(qiáng)大的圖象處理解決方案，為圖象處理提供了完整的功能。IMAQ Vision的主要功能NI 公司的IMAQ Vision軟件包LabVIEW,LabWindows/Cvi,ComponentWorks以及其他ActiveX容器應(yīng)用程序中加入了機(jī)器視覺和圖象處理的功能。IMAQ Vision中包含一套豐富的函數(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、計算和測量等。最終用戶、系統(tǒng)集成商和原始設(shè)備制造商都可以使用IMAQ Vision以加快工業(yè)視覺和科學(xué)圖像應(yīng)用的開發(fā)。IMAQ Vision可用于工廠和實驗室里那些需要高可靠性、高速的視覺系統(tǒng)的自動化操作中。IMAQ Vision的主要特點(1)加快了應(yīng)用程序開發(fā)速度IMAQ Vision在設(shè)計時便考慮到使用的簡便性，尤其能滿足圖像應(yīng)用開發(fā)人員的需求，以減輕他們在降低成本與縮短上市時間方面的壓力。開發(fā)的內(nèi)存管理以及符合命名邏輯的VI、函數(shù)和參數(shù)使得IMAQ Vision易于學(xué)習(xí)；其內(nèi)建的各種高級函數(shù)可以直觀的相互配合工作，因此可以使用很少的函數(shù)而得到更快的開發(fā)速度。(2)使用Intel MMX技術(shù)以提高性能Windows NT／98／95版的m飲Q Vision利用了Intel MMX技術(shù)。在圖象處理中處理8位圖象時，通常會用到整數(shù)或者浮點運(yùn)算函數(shù)，而MMX技術(shù)可以加快這些運(yùn)算的速度．使用具有MMX技術(shù)的奔騰處理器執(zhí)行很多IMAQ Vision的函數(shù)時，其性能要比不具有MMX技術(shù)的奔騰處理器提高最大4倍。(3)ActiveX控件IMAQ Vision ActiveX控件是ComponentWorks產(chǎn)品家族的一員，它為MicrosoftVisual BasicMicrosoft Visual C++和其他ActiveX開發(fā)環(huán)境提供了三個等級的控件：瀏覽器控件可以30幀1秒或更高的速率顯示圖象，并且提供了感興趣區(qū)域ROI(Region ofInterest)選擇工具：NI—IMAQ像采集控件使用屬性頁的形式簡化了圖像捕捉：機(jī)器視覺和圖象處理控件提供了上百種處理函數(shù)。(4)可與DAQ(DataAcquisition)配合工作進(jìn)行圖像采集IMAQ軟、硬件的設(shè)計目標(biāo)之一就是能夠很容易的和NI DAQ產(chǎn)品集成。IMAQ硬件上的總線可以使不同板卡使用共同的定時信號，從而實現(xiàn)圖像和數(shù)字量的定時、同步。(5)IMAQ Vision的使用環(huán)境IMAQ Vision針對不同開發(fā)環(huán)境有不同的使用方法，開發(fā)人員可以根據(jù)需要來進(jìn)行靈活選擇。利用LabVIEW,BridegVIEW等圖形化開發(fā)環(huán)境可以加快開發(fā)速度，同時提高系統(tǒng)的可靠性．這種環(huán)境下HVtAQ Vision的各種處理功能以Ⅵ的形式出現(xiàn)；若開發(fā)人員想利用現(xiàn)有的通用開發(fā)環(huán)境，可以使用m隊Q VisionActiveX控件，它可以在MicrosofiVisual Basic．Microsoft Visual C++和其他ActiveX開發(fā)環(huán)境中以可視化控件的形式提供圖象處理功能。(6)圖像采集驅(qū)動軟件NI．IMAQ不論使用LabVIEW．LabWindows／CVI．C或者Visual Basic．NI．IMAQ都能提供對NI．IMAQ采集設(shè)備的高層控制。NI．IMAQ是針對圖像采集的一個完整的而可靠的API．NI．IMAQ可以完成圖像采集所需的與計算機(jī)板卡有關(guān)的工作而無須進(jìn)行寄存器級編程。NI．IMAQ與NI．DAQ和其他的NI驅(qū)動軟件完全兼容，以便將圖像繼承到任何基于NI產(chǎn)品的解決方案中。 機(jī)器視覺系統(tǒng)要實現(xiàn)預(yù)定的功能離不開相應(yīng)的計算機(jī)軟件，圖像處理軟件要實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集，并且進(jìn)一步通過特定的算法對采集的數(shù)字圖像進(jìn)行分析、處理，最終將結(jié)果顯示或根據(jù)需要傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制部分。系統(tǒng)軟件的設(shè)計在整個系統(tǒng)的設(shè)計中占有重要的地位，是提升機(jī)器視覺系統(tǒng)性能的重要保障。軟件系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)合理高效和簡潔，以保證整個檢測系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定和可靠。程序流程框圖見圖2，2。K標(biāo)定并保存K參數(shù)開始初始化相機(jī)定定K讀取并標(biāo)K定參數(shù)圖像采集參數(shù)測量特征提取步進(jìn)電機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)控制圖像預(yù)處理是否結(jié)束結(jié)束 程序流程框圖3 圖像采集和預(yù)處理機(jī)器視覺系統(tǒng)對所采集到圖像質(zhì)量的要求根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)所承擔(dān)的任務(wù)不同而有所側(cè)重。對于基于機(jī)器視覺的測量任務(wù)來說，圖像中被測量目標(biāo)的邊緣信息和灰度信息是非常重要的，這是測量精度的重要決定因素。通常，機(jī)器視覺軟件需要對圖像消除噪聲、校正失真、釘選擇性的突出圖像中的特征部分．使得視覺系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的提取到圖像中所需要的信息。本章介紹了圖像的增強(qiáng)、圖像濾波與圖像邊緣檢測方法。 圖像的采集設(shè)計本文使用的圖像采集硬件是NI公司的IMAQ422圖像采集卡支持UNIQ公司的UP800相機(jī)。在NI網(wǎng)站上得到相機(jī)的信息文件、相機(jī)支持文件以及相機(jī)數(shù)據(jù)文件后，IMAQ函數(shù)便可以直接使用控制相機(jī)的動作，進(jìn)而進(jìn)行圖像采集操作。根據(jù)本文的需要，使用相機(jī)的單幀采集工作方式，相機(jī)的控制和圖像采集過程大致為：相機(jī)初始化、建立圖像采集任務(wù)、采集圖像關(guān)閉相機(jī)、刪除任務(wù)。3 .3圖像增強(qiáng)由于采集到的圖像不可避免的會存在噪聲，使得在機(jī)器視覺工程中所采集的圖像中的一些有用的細(xì)節(jié)信息會不明顯．通過圖像增強(qiáng)處理可以將這些細(xì)節(jié)部分突出出來，使圖像更加有利于計算機(jī)的處理與分析，這也是圖像增強(qiáng)技術(shù)的主要目的所在。國內(nèi)外對圖像增強(qiáng)的方法的研究也比較多【16】，通常使用直方圖變換。3 .3 .1直方圖一般來說，在一幅數(shù)字圖像中存在不同亮度的像素，同一亮度的像素數(shù)量也不一樣。直方圖是描述數(shù)字圖像的灰度分布的統(tǒng)計圖表。直方圖的橫坐標(biāo)為扶度值r：縱坐標(biāo)為具有某個灰度值的像素的數(shù)量H。圖3．1是一個零件在不問的照明條件下的兩幅圖像以及各自的直方圖?？梢钥闯?，兩幅圖像的狄度范圍、灰度分布、整幅圖像的對比度和平均亮度有根明顯的不同。圖3．1是1MM的量塊的源圖像。通過修改圖像的直方圖的方法可以使圖像的特性發(fā)生改變，使圖像性向著有利于工程需要的方向改變。從直方圖中可以看出，經(jīng)過閥值在50左右的時候使得圖像能更清晰的顯示出來。 源圖像圖像的獲取過程，成像系統(tǒng)的限制或者外界環(huán)境的干擾會降低所采集到的圖像的質(zhì)量，這種對質(zhì)量的影響主要噪聲和畸變。其中，圖像的畸變將在下一章中具體討論。圖像的噪聲產(chǎn)生的原因只要有以下兩個方面：外界環(huán)境干擾包括被檢測對象表面光特性和照明方式的選擇。，照明方式的選擇不當(dāng)會造成光照的不均勻，特征不明顯。CCD圖像感器一身噪聲人體可以分為三類：同定模式噪聲、讀出噪聲和散粒噪聲。信號強(qiáng)度比強(qiáng)時通常產(chǎn)牛固定模式噪聲，同定模式噪聲是由于整個CCD圖像感器像素川是敏度的不一致。通過提高CCD的工藝，固定模式噪聲可以減少；在信號強(qiáng)度較低時，噪聲主要是是圖像傳感器工作時產(chǎn)生的讀出噪聲。散粒噪聲包含兩部分：信號散粒噪聲和一部分暗電流泊松噪聲，暗電流可以通過降低環(huán)境溫度或改善工藝使之達(dá)到很小，而信號散粒噪聲是光電子過程所特有的，不能去掉的。圖像中的噪聲會給圖像的分析帶來困難，利用圖像濾波可以有效地改善圖像質(zhì)量。均值濾波的思想是將圖像中的每一個像素的平均值來代替。假設(shè)圖像中位置為(i，j)的像素，它的灰度值為f(i，j)，則經(jīng)過均值濾波后的輸出值h(i，j)為：像素的灰度值用這像素及其周圍一定大小鄰域內(nèi)所有hi,j=1Mk,l∈Nfk,l （31）