【文章內(nèi)容簡介】 VIEW 機(jī)器視覺的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)自動化的發(fā)展，機(jī)器視覺作為一種應(yīng)用系統(tǒng)，其功能（論文）說明書6和特點也得到逐步完善和發(fā)展。機(jī)器視覺通過計算機(jī)來模擬人的視覺，其目的便是用圖像獲取來恢復(fù)現(xiàn)實世界的模型。自從 20 世紀(jì) 50 年代就著眼于研究統(tǒng)計模式識別繼而開始機(jī)器視覺的探討建立了不少機(jī)器視覺理論，Marr 的視覺計算理論目前仍然是機(jī)器視覺的主要理論框架，大多數(shù)機(jī)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(jìn)行目標(biāo)三維描述和識別。在 80 年代末，隨著數(shù)學(xué)物理學(xué)中的不變量理論的引入，形成了視覺不變量理論和應(yīng)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(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)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(xué)易用，易于采用模塊化設(shè)計思想的特點，使得基于 LabVIEW 的機(jī)器視覺系統(tǒng)在采用相應(yīng)的軟件開發(fā)功能包后，更易使系統(tǒng)具有開發(fā)簡單，構(gòu)件靈活，層次清晰的特點，LabVIEW 已成為機(jī)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(nèi)外研究現(xiàn)狀及技術(shù)難題數(shù)字圖像處理技術(shù)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機(jī)進(jìn)行處理的過程。其優(yōu)點是處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進(jìn)行復(fù)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(nèi)容。困難主要在處理速度上，特別是進(jìn)行復(fù)雜的處理。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包括如下內(nèi)容：幾何處理（Geometrical Processing） 、算術(shù)處理（Arithmetic Processing） 、圖像增強(qiáng)（ImageEnhancement） 、圖像復(fù)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(shù)的發(fā)展涉及信息科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及生物學(xué)等學(xué)科，因此數(shù)理及相關(guān)的邊緣學(xué)科對圖像處理科學(xué)的發(fā)展有越來越大的影響。近年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)日趨成熟，它廣泛應(yīng)用于空間探測、遙感、生物醫(yī)學(xué)、人工智能以及工業(yè)檢測等許多領(lǐng)域，并促使這些學(xué)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 256256 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 512512 圖像，第一章 緒論7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(jī)的計算速度、存儲容量等要求較高。（2）占用頻帶較寬數(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(shù)難度較大，成本亦高，這就對頻帶壓縮技術(shù)提出了更高的要求。（3）各像素相關(guān)性大數(shù)字圖像中各個像素是不獨立的，其相關(guān)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(guān)系數(shù)可達(dá) 以上，而相鄰兩幀之間的相關(guān)性比幀內(nèi)相關(guān)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(fù)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(fù)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(dǎo)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(fù)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(zhì)量的評價還有待進(jìn)一步深入的研究。另一方面，計算機(jī)視覺是模仿人的視覺，人的感知機(jī)理必然影響著計算機(jī)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(guān)系，優(yōu)先敏感的結(jié)構(gòu)、屬性和時間特征等，這些都是心理學(xué)和神經(jīng)心理學(xué)正在著力研究的課題。（論文）說明書8第二章 虛擬儀器技術(shù) 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)正處在不斷發(fā)展的進(jìn)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(jī)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(jī)技術(shù)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(jì)和實 VBvIX (MultiMediaExtensions 多媒體擴(kuò)展)技術(shù)的高能 Pentium 處理器、堅固的操作系統(tǒng)、PCI (Peripheral Component Interconnect,外部設(shè)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(yīng)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(nèi)部的視覺系統(tǒng)開發(fā)組聯(lián)合完成的。今天，新技術(shù)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(yīng)用要求的計算機(jī)視覺應(yīng)用系統(tǒng)。虛擬儀器化的視覺應(yīng)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(shù)進(jìn)行細(xì)胞數(shù)量、生物材料合格性等的測定。事實上，當(dāng)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(fù)雜的檢測任務(wù)。 [6]機(jī)器視覺與虛擬儀器結(jié)合的好處是顯而易見的:一方面，傳統(tǒng)的基于硬件的機(jī)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(shù)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(jī)器視覺的分析功能與虛擬儀器的控制功能有效結(jié)合，得到很高的性價比。虛擬儀器把計算機(jī)資源(如微處理器、內(nèi)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(diào)理等)的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析。 虛擬儀器 VI 開發(fā)軟件 LabVIEW 數(shù)字圖像處理是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵，這一切在虛擬儀器系統(tǒng)中是通過計算機(jī)軟件實現(xiàn)的，而目前國內(nèi)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(xué)算法、濾波器以及 FIT 第二章 虛擬儀器技術(shù)9算法，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(biāo)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(xué)的圖形編程方式，這種富有創(chuàng)意的方式把復(fù)雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)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(shè)計者可以象搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)和構(gòu)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(biāo) Z VI 調(diào)用該 V1。這樣就可以把一個復(fù)雜的應(yīng)用程序劃分為一系列簡單的子任務(wù)，為每一個子任務(wù)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(fù)雜的任務(wù)。這使得 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(shè)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(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等。當(dāng)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(yīng)的各個程序前面板都對應(yīng) LabVIEW 圖形編程語言編寫，可以把它理解、節(jié)點、圖框和連線構(gòu)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(diào)用，節(jié)點與外界通過端口進(jìn)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(jié)構(gòu)等，被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(biāo)圖像采集系統(tǒng)研究框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動的方向。 [7]利用 LabVIEW 進(jìn)行圖像處理是一個非常重要的應(yīng)用，在許多行業(yè)中采用圖像的采集和識別來進(jìn)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(qū)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(jī)上采集圖像，也能夠從連接在（論文）說明書10 (PCI eXtensions for PCI 擴(kuò)展)系統(tǒng)或筆記本計算機(jī)上標(biāo)準(zhǔn)端口的 IEEE 1394 和千兆位以太網(wǎng)視覺相機(jī)采集圖像。LabVIEW 中的視覺開發(fā)模塊作為強(qiáng)大的機(jī)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(xué)字符識別和驗證、一維和二維代碼支持、幾何與模式匹配、 NI 公司的所有軟件、C++. Microsoft Visual Basic, ，相互調(diào)用，為用戶提供了相當(dāng)便利的操作用戶可通過視覺開發(fā)模塊的同步功能， 公司提供的圖像處理軟件包可以在 LabVIEW 中完成各種關(guān)于圖像處理、視覺運行的控制。 [8] 虛擬儀器視覺軟件模塊 IMAQ VisionIMAQ Vision 是 LabVIEW 內(nèi)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(qiáng)大的函數(shù)庫，提供了在 LabVIEW 平臺上開發(fā)機(jī)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(zhǔn)、圖像處理、 Builder 是一個交互式的機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，可以在系統(tǒng)軟件設(shè)計的每一步看到輸出的中間結(jié)果，并可以隨時進(jìn)行修改。設(shè)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(yīng)用軟件中，以實現(xiàn)功能強(qiáng)大的圖象處理解決方案?，F(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(yīng)用程序中加入了機(jī)器視覺和圖 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、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 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)的自動化操作中去。Vision 作為圖像處理的工具包，當(dāng)安裝完成后，啟動 LabVIEW 軟件，可以 LabVIEW 2022。(1)前面板控件安裝完 Vision 后，前面板中會自動出現(xiàn)一個 Vision 選項列表，打開它后可以看到五個顯示空間。IMAQ 對圖像進(jìn)行分析和處理時用到的一些空間。第二章 虛擬儀器技術(shù)11Image Display 用于設(shè)置圖片顯示方式，包括放大、移動、選擇等。Image Display（Classic）也用于對圖像顯示的設(shè)置，它只是設(shè)置以經(jīng)典的方式顯示圖像。IMAQ Vision controls 對圖像進(jìn)行分析和處理所用到的一些空間，包括圖像的類型，圖像處理的方式和不同的形態(tài)算子以及顏色的類型的選擇等等，較IMAQ Image ctl 是后期升級才出現(xiàn)的，功能更全。Machine Vision controls 機(jī)器視覺中用到的一些空間，主要是對圖像畫面進(jìn)行選擇的一些工具，包括點，線和面的選擇以及坐標(biāo)系的設(shè)定。 IMAQ Vision 的主要特點 這個圖像軟件具備簡單易用的機(jī)器視覺和圖像處理工具的功能。通過 IMAQ Vision 工程師可以容易的創(chuàng)建完整的視覺系統(tǒng)程序。IMAQ Vision 具有以下特點:（1）加快了應(yīng)用程序開發(fā)速度 IMAQ Vision 在設(shè)計時便考慮到便于開發(fā)者使用，尤其要滿足圖像應(yīng)用開發(fā)者的需求，減輕他們在縮減開發(fā)成本與盡快上市的壓力。其開發(fā)的內(nèi)存管理以及符合命名邏輯的 IMAQ Vision 易學(xué)易用淇內(nèi)建的各種高級函數(shù)相互配合工作，因而使用很少的函數(shù)就能得到不錯的開發(fā)速度。（2）使用 In