【文章內容簡介】 ，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或脫離計算機獨立使用的板卡，圖像采集卡將數字信號經過處理送入計算機，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設備產生沖突時丟失數據，一般在圖像采集卡上應有數據緩存。一些圖像采集卡還提供數字I／O的功能。圖像采集卡的技術參數主要有以下幾個：圖像傳輸格式：圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中相機所采用的輸出信號格式。其中，LVDS、CameraLink和千兆以太網等幾種圖像傳輸形式在機器視覺工程中應用較為廣泛。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?；叶葓D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。單行最大點數和單幀最大點數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。在進行高度圖像采集時，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 參數性能指標參數內存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)現場應用和科學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的多種型號的相機配套使用，而且提多種編程軟件的驅動接口和一些基礎的圖像處理函數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用開發(fā)軟件，使用數據流編程方法來描述程序的執(zhí)行，用圖形語言(G語言)、圖標和連線代恃文奉的形式編寫程序，為用戶提供了簡單、易學的圖形編程方式。labview 具有以下特點【11】：Labview使用所見即所得的可視化技術建立人機界面。針對測試測量和過程控制領域，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，用戶可以方地將現有控制對象修改成適合自己工作領域的控制對象。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人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此，Labview是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。Labview用圖標表示功能模塊，使用圖標間的連線表示各種功能模塊間傳遞的數據流，使用數據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的功能圖標。靈活的程序調試手段和編程效率用戶可在源代碼中設置斷點單步執(zhí)行源代碼，在源代碼的數據流上設置探針在程序運行中觀察數據流的變化。Labview采用編譯方式運行32位應用程序，這就解決了其他按解釋方式工作的圖形化編程平臺運行速度慢的問題，其運行速度與編譯C的速度相當。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，應該優(yōu)先考慮使用Labview，以縮短開發(fā)時間。功能強大的函數庫Labview提供了大量的基本函數庫供用戶直接調用，從底層的VXI、GPIB、串口及數據采集板的硬件控制子程序到儀器驅動程序，從基本的數學函數、字符串處理函數、數據運算函數、文件I／O函數到高級分析庫(包括信號處理窗函數、濾波器設計、線性代數概率論與數理統(tǒng)計、曲線擬合等)涵蓋了虛擬儀器設計中幾乎所有需要的函數。此外，Labview還支持NI各種專用函數庫來實現特殊功能，只要安裝相應的軟件，用戶就可以像調用基本函數庫中的函數一樣來調用庫中的功能模塊，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)數據交換、DDE等網絡功能的應用；NI SQL封裝了復雜的數據庫操作程序，用戶可以通過NI SQL很容易的進行數據庫操作；NI IMAQ VISION包含了各種機器視覺開發(fā)應用算法，用戶可以基于它快速的開發(fā)自己的機器視覺應用。．跨多種系統(tǒng)平臺如果同一個程序需要運行于多個硬件設備之上，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行在常見的三大臺式機操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設備，比如常見的PDA、FPGA以及運行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設備。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。用戶可以根據項目的需要在Labview現有的功能模塊基礎上定制自己的算法和功能。 一些研究機構或企業(yè)開發(fā)了機器視覺系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺或者函數庫，提供一些常用的算法和工具。例如：DEEL公司openCV函數庫、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)機器視覺和科學成像應用的工程師及科學家而設計的，是一套包含各種圖像處理函數的功能庫，它將400多種函數集成到LabVIEW和Measurement Studio開發(fā)環(huán)境中，以實現功能強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中包含一套豐富的函數，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)集成商和原始設備制造商都可以使用IMAQ Vision以加快工業(yè)視覺和科學圖像應用的開發(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)加快了應用程序開發(fā)速度IMAQ Vision在設計時便考慮到使用的簡便性，尤其能滿足圖像應用開發(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)的內存管理以及符合命名邏輯的VI、函數和參數使得IMAQ Vision易于學習；其內建的各種高級函數可以直觀的相互配合工作，因此可以使用很少的函數而得到更快的開發(fā)速度。(2)使用Intel MMX技術以提高性能Windows NT／98／95版的m飲Q Vision利用了Intel MMX技術。在圖象處理中處理8位圖象時，通常會用到整數或者浮點運算函數，而MMX技術可以加快這些運算的速度．使用具有MMX技術的奔騰處理器執(zhí)行很多IMAQ Vision的函數時，其性能要比不具有MMX技術的奔騰處理器提高最大4倍。(3)ActiveX控件IMAQ Vision ActiveX控件是ComponentWorks產品家族的一員，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：機器視覺和圖象處理控件提供了上百種處理函數。(4)可與DAQ(DataAcquisition)配合工作進行圖像采集IMAQ軟、硬件的設計目標之一就是能夠很容易的和NI DAQ產品集成。IMAQ硬件上的總線可以使不同板卡使用共同的定時信號，從而實現圖像和數字量的定時、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)人員可以根據需要來進行靈活選擇。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；若開發(fā)人員想利用現有的通用開發(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板卡有關的工作而無須進行寄存器級編程。NI．IMAQ與NI．DAQ和其他的NI驅動軟件完全兼容，以便將圖像繼承到任何基于NI產品的解決方案中。 機器視覺系統(tǒng)要實現預定的功能離不開相應的計算機軟件，圖像處理軟件要實現圖像數據的采集，并且進一步通過特定的算法對采集的數字圖像進行分析、處理，最終將結果顯示或根據需要傳送給執(zhí)行機構的控制部分。系統(tǒng)軟件的設計在整個系統(tǒng)的設計中占有重要的地位，是提升機器視覺系統(tǒng)性能的重要保障。軟件系統(tǒng)的設計應合理高效和簡潔，以保證整個檢測系統(tǒng)運作的穩(wěn)定和可靠。程序流程框圖見圖2，2。K標定并保存K參數開始初始化相機定定K讀取并標K定參數圖像采集參數測量特征提取步進電機控制步進電機控制圖像預處理是否結束結束 程序流程框圖3 圖像采集和預處理機器視覺系統(tǒng)對所采集到圖像質量的要求根據機器視覺系統(tǒng)所承擔的任務不同而有所側重。對于基于機器視覺的測量任務來說，圖像中被測量目標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)可以快速準確的提取到圖像中所需要的信息。本章介紹了圖像的增強、圖像濾波與圖像邊緣檢測方法。 圖像的采集設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。在NI網站上得到相機的信息文件、相機支持文件以及相機數據文件后，IMAQ函數便可以直接使用控制相機的動作，進而進行圖像采集操作。根據本文的需要，使用相機的單幀采集工作方式，相機的控制和圖像采集過程大致為：相機初始化、建立圖像采集任務、采集圖像關閉相機、刪除任務。3 .3圖像增強由于采集到的圖像不可避免的會存在噪聲，使得在機器視覺工程中所采集的圖像中的一些有用的細節(jié)信息會不明顯．通過圖像增強處理可以將這些細節(jié)部分突出出來，使圖像更加有利于計算機的處理與分析，這也是圖像增強技術的主要目的所在。國內外對圖像增強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，在一幅數字圖像中存在不同亮度的像素，同一亮度的像素數量也不一樣。直方圖是描述數字圖像的灰度分布的統(tǒng)計圖表。直方圖的橫坐標為扶度值r：縱坐標為具有某個灰度值的像素的數量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量，這種對質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。信號強度比強時通常產牛固定模式噪聲，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；在信號強度較低時，噪聲主要是是圖像傳感器工作時產生的讀出噪聲。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。假設圖像中位置為(i，j)的像素，它的灰度值為f(i，j)，則經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所有hi,j=1Mk,l∈Nfk,l （31）