【正文】 ........................................................................ 40 4 設(shè)計錯誤分析 ......................................................................................................................... 41 第五章 設(shè)計總結(jié) .................................................................................................................................. 42 參考文獻 .............................................................................................................................................. 43 致謝 ..................................................................................................................................................... 44 5 第一章 緒論 虛擬儀器的簡介 虛擬儀器 （ Virtual Instrument） 即為利用一系列的開發(fā)軟件和具有相關(guān)功能的硬件相結(jié)合，以高效靈活的特點來滿足開發(fā)者對各方面應(yīng)用功能的需求 [1]。使用者若想更改儀器的功能數(shù)量等，只需要更改軟件中的代碼或數(shù)據(jù)即可，硬件部分不需要進行相關(guān)的改動。 虛擬儀器技術(shù)中最重要的部分為軟件部分，在開發(fā)過程中使用適用的編程軟件或調(diào)用專項的開發(fā)模塊，使開發(fā)者可以更加有效的開發(fā)自己所需的應(yīng)用，并加工美化出能讓用戶易操作的軟件界面。本設(shè)計使用到了 NI 公司提供的圖形化編程軟件 LabVIEW，該軟件支持市面上大部分的外接硬件，也可擴展多種常用的軟件，更擁有易操作的圖形化編程模式，使用戶可以更加方便、直觀的開展各類程序的開發(fā)工作。通過對多款編程開發(fā)軟件相比較后得到， LabVIEW 軟件的開發(fā)過程更加簡單方便。設(shè)計前通過翻閱書籍和網(wǎng)絡(luò)課程等了解 LabVIEW 軟件的內(nèi)容以及在市場上已經(jīng)普及使用的監(jiān)控設(shè)備所包含的具體功能，通過多方面所得到的信息綜合后，歸納出本設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)所具有的功能和特點。 最終通過多方面對比后確定使用 LabVIEW 2020 版本作為軟件部分，高清的 USB 攝像頭作為硬件部分，通過軟硬件相結(jié)合的方式來實現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)控畫面實時的獲取并顯示，以及將獲得的畫面自動保存，并且在通過軟件中的相關(guān)函數(shù)將時間等一些關(guān)鍵的信息元素加 6 入到監(jiān)控畫面中。 7 第二章 LabVIEW 的相關(guān)介紹 LabVIEW 的簡介 LabVIEW 是一款由美國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的軟件 [5]，該程序與常用的編程開發(fā)軟件在功能上比較相似，但是 LabVIEW 與別的編程開發(fā)軟件又有本質(zhì)上的區(qū)別，其中最主要的區(qū)別是：其他的編程程序都是將自己的編程代碼以文本代碼的形式進行開發(fā)，而 LabVIEW 與傳統(tǒng)的開發(fā)程序不同，它使用的是圖形化編輯語言，俗稱為“ G”語言，程序的編寫是以各種功能函數(shù)的圖標(biāo)進行節(jié)點的連線，最后按順序運行各個函數(shù)以完成整個程序的功能 [6]。 LabVIEW 中也含有傳統(tǒng)編程軟件中所必備的擴展程序，例如，界面美化、硬件的擴展、設(shè)置程序運行的斷點等等。 LabVIEW 中的前面板為程序運行時的用戶界面，在用戶面板下有程序框圖對程序的功能進行 編譯，最終通過相關(guān)控件的連接將程序顯示在用戶界面上。它還集成了大量的數(shù)據(jù)采集硬件的功能 [7]。從總體上來說，這是一款上手較為容易并且功能十分齊全的開發(fā)軟件。安裝完畢后，選擇開始→所有程序，找到名為 NI LabVIEW 2020 專業(yè)版，點擊后即可啟動LabVIEW 2020 專業(yè)版，啟動后彈出對話框如圖 1 所示。 VI 創(chuàng)建后，可以觀察到 VI 分為三個部分：前面板、程序框圖、圖標(biāo)。第二層為程序框圖相當(dāng)于程序編程的代碼部分，程序功能的編譯都在程序框圖上進行。 圖 2 新建的 VI面板顯示 視覺與運動模塊介紹 本設(shè)計需要進行圖像的采集和處理，實現(xiàn)此功能需要使用到 LabVIEW 的擴展模塊，即視覺與運動 (vision and motion)模塊。 視覺與運動模塊的安裝步驟是：本設(shè)計采用的是最新的 LabVIEW 2020 版本，此版本功能相對于老版本更加全面，運行速度也相對于較快。全部下載完成后，首先安裝 Vision Development Module(VDM)2020 版，再安裝 NI Vision Acquisition Software（ VAS_2020_02）。 Vision 中主要是用于圖像的顯示和后期處理的控件，用戶可在前面板中到Vision 工具包中的相關(guān) 控件及具體使用方法。 圖 3 Vision顯示控件 從圖中可以觀察到， Vision 打開之后，其中有 6 個與顯示有關(guān)的控件。 （ 1） IMAQ ：該控件是圖像屬性格式進行說明作用。 （ 2） 圖像顯示 (Image Display)：該控件用于在 LabVIEW 中直接創(chuàng)建并顯示所獲取的圖像，創(chuàng)建一個該控件后，會在程序面板中直接顯示一個圖標(biāo)，所編寫的視頻監(jiān)控的最終畫面顯示就是將輸出節(jié)點連 接到該圖標(biāo)，即可把采集的視頻圖像顯示到控件上。這三種在樣式上分別為普通、經(jīng)典、銀色，本質(zhì)上功能是相同的。該控件組中包含了一些對圖像分析、處理以及顏色類型相關(guān)的控件函數(shù)。 10 圖 4 IMAQ 視覺控件 圖 5 機器視覺控件 Vision and Motion（視覺與運動）模塊介紹 安裝完 NI Vision Acquisition Software（ VAS_2020_02）后，在程序 VI 的程序面板上可以看到新的一欄視覺與運動，這個模塊是本設(shè)計主要使用的模塊，其中包含了視頻的采 集和保存等多項功能。其主要的功能為利用外接的硬件設(shè)備對圖像進行采集并且通過一些函數(shù)進行后期的處理。其中包括對采集視頻硬件的初始化與關(guān)閉，獲取硬件設(shè)備信息，硬件參數(shù)的設(shè)定等等。 11 圖 7 NIIMAQ函數(shù) （ 2） Vision Utilities（視覺工具）模塊 該模塊包含一些視覺處理的工具，用于對圖像的畫面進行一系列的加工 處理。 圖 8 Vision Utilities 模塊 Image Management 內(nèi)部為管理圖像的相關(guān)函數(shù)，該函數(shù)集合中的相關(guān)函數(shù)主要用于創(chuàng)建和釋放所采集的圖像，以及包含設(shè)置圖像相關(guān)參數(shù)的函數(shù) [9]。如圖 9所示。 File 則是提供關(guān)于文件讀寫的相關(guān)功能。如圖 10 所示。如圖 11 所示。該函數(shù)作為采集圖像時進行準(zhǔn)備工作的函數(shù)，也是在低速情況或者單捕獲圖像數(shù)據(jù)必不可少的一部分。 IMAQdx Configure Grab VI：該函數(shù)主要功能為采集圖像并配置。 IMAQdx Unconfigure Acquisition VI 與其相反用于取消獲取圖像的配置。若所獲得畫面的圖像類型與所使用的攝像頭支持的畫面格式不匹配，該 VI 將當(dāng)前幀的圖像自動轉(zhuǎn)換到與所使用的攝像頭匹配的格式。完成后調(diào)用 IMAQdx Close Camera VI 用于關(guān)閉攝像機。 IMAQdx Enumerate Cameras VI：該函數(shù)主要功能為向用戶返回計算機中包含的所有關(guān)于 14 攝像頭信息的列表。如圖12 所示。 圖 13 設(shè)計流程開發(fā)圖 圖像采集部分思路 本設(shè)計通過人們?nèi)粘Ｋ褂玫囊曨l聊天的 USB 攝像頭作為圖像采集的硬件結(jié)合 LabVIEW軟件編寫的程序，用攝像頭采集相關(guān)的監(jiān)控畫面并通過軟件程序處理后顯示在計算機上，圖像采集部分的程序框圖如圖 14 所示。具體的編程思路為： IMAQdx Open Camera VI→ IMAQdx Configure Grab VI→IMAQ Create VI→ IMAQdx Grab2 VI→ IMAQ Draw Text VI→ Image Display→ IMAQ Dispose VI獲取攝像頭 創(chuàng)建圖像 臨時緩沖區(qū) 在 while 中動態(tài)實時采集 創(chuàng)建視頻壓縮 在 while 中寫入幀 關(guān)閉視頻壓縮 時間文本 視頻監(jiān)控畫面 圖像動態(tài) 實時采集 圖像的壓縮和保存 時間的記錄 媒體播放器 16 → IMAQdx Close Camera VI。整個獲取每幀圖像處理再顯示到窗口上在一個帶控件的 While 循環(huán)中，按下循環(huán)下的停止鍵則跳出循環(huán)，打開攝像頭和獲取內(nèi)存與關(guān)閉攝像頭和釋放內(nèi)存相對應(yīng)，在按下停止后執(zhí)行 IMAQ Dispose VI 釋放緩存和 IMAQdx Close Camera VI 關(guān)閉攝像機從而程序停止運行。 創(chuàng)建 VI 程序 啟動 LabVIEW 2020，創(chuàng)建新的 VI 程序，并且命名為 。 17 圖 15 新建 VI 程序 IMAQdx Open Camera VI 的使用 該部分設(shè)計主要是基于 USB 攝像頭上，所以首先要選擇所需要打開的 USB 攝像頭，再在視覺與運動模塊中找到 IMAQdx Open Camera VI 左擊拖入程序框圖中，如圖 16 所示，并將之前選擇好的 USB 攝像頭連接至 Session In 上， USB 攝像頭信息則會通過 Session In 端口傳輸進該函數(shù)中。 圖 16 IMAQdx Open Camera VI Error in 與 Error out 用于輸入和輸出程序運行中出現(xiàn)的錯 誤，并可通過 Error out 顯示的錯誤代碼來查詢出程序的錯誤。 圖 17 IMAQdx Open Camera VI 的前面板和程序框圖 18 IMAQdx Configure Grab VI 的使用 在視覺與運動模塊 IMAQdx 中選擇該函數(shù)，此函數(shù)的作用主要是對之前打開的 USB 攝像頭進行配置和控制攝像頭開始采集圖像，如圖 18 所示。從程序框圖中可以看出，該函數(shù)包含一個條件結(jié)構(gòu)，即在輸入的攝像頭打開狀態(tài)為真是開始采集圖像。 圖 20 IMAQ Create VI 其中 Image Name 為加粗表示此端口必須要有輸入，即要給此設(shè)置一個名字，本設(shè)計設(shè)置 19 成 image。 Border Size 決定了寬度，圖 像的邊界。 圖 21 IMAQ Create VI 的前面板和程序框圖 IMAQdx Grab2 VI 的使用 在視覺與運動模塊 IMAQdx 中選擇該函數(shù)，此函數(shù)的作用是獲得當(dāng)前傳入采集的單幀圖像，并存入之前獲得的緩存中。若設(shè)置的攝像頭視頻格式與獲取的圖像類型不匹配，則系統(tǒng)會自動將獲取的圖形轉(zhuǎn)化到合適的圖像類型格式，如圖 22 所示。 Buffer Number Out：作用是輸出系統(tǒng)緩沖區(qū)域的數(shù)值。 20 圖 23 IMAQdx Grab2 VI 的前面板和程序框圖 Image Display 的使用 在前面板的 Vision 中找到 Image Display 并拖至前面板上，拖入后程序框圖中也會出現(xiàn)相對應(yīng)的一個函數(shù)，將該函數(shù)連接 IMAQdx Grab2 VI，則所獲得的每一幀處理的圖像則會按順序在該窗口上顯示出來，如圖 24 所示。本設(shè)計要求可以控制 USB 攝像頭監(jiān)控的開關(guān)，所以我們選擇帶停止功能的 While。通常 For 循 環(huán)在已知循環(huán)次數(shù)的情況下使用，而 While 循環(huán)在未知循環(huán)次數(shù)的情況下使用。 While 循環(huán)流程圖如圖 25 所示。 IMAQ Dispose VI 的使用 在視覺與運動模塊中 Vision Utilities 的 Image Management 里找到 IMAQ Dispose VI函數(shù)，該函數(shù)的主要功能是將之前提供的緩存清除， IMAQ Create VI 和 IMAQ Dispose VI一般為配套使用，如圖 26 所示。如圖 27所示。 23 圖 28 動態(tài)圖像采集畫面 視頻圖像的壓縮與保存 本設(shè)計中視頻圖像的壓縮與保存是基于前一部分圖像采集的前提下進行的。此外還需要通過 IMAQ AVI2 Get Codec Names VI 獲得壓縮視頻圖像所需的編碼器名稱列表。 圖 29 視頻畫面的壓縮、保存程序框圖 IMAQ AVI2 Create VI（創(chuàng)建視頻）的使用 在視覺與運動模塊中 Vision Utilities的 File里找到 AVI函數(shù)組，在其中左擊 IMAQ AVI2 Create VI，拖至程序框圖中。 24 圖 30 IMAQ AVI2 Create VI AVI Path：是壓縮保存的視頻