【正文】 ? 接口的匹配。如 CAMERALINK，F(xiàn)IREWIRE1384 等。 系統(tǒng)平臺(tái)的選擇，目前市場(chǎng)上主流的硬件平臺(tái)主要分為 PC 式系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，在選擇時(shí)需要考慮以下因素： 1) 系統(tǒng)板卡硬件功能、軟件包的功能、系統(tǒng)開發(fā)時(shí)限。 PC 式視覺系統(tǒng)和嵌入式視覺系統(tǒng)的對(duì) 比 ， 如表 。這是機(jī)器視覺系統(tǒng)中很重要的一個(gè)步驟 。 而是經(jīng)過運(yùn)算處理之后的檢測(cè)結(jié)果（ 如面積數(shù)據(jù) ）。首先采用 CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)。最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量 、 個(gè)數(shù)、合格 /不合格、有 /無等。 機(jī)器 視覺系統(tǒng)基本的流程圖如圖 。為本文研究人眼追蹤系統(tǒng)的搭建提供了理論依據(jù) 。這 打破了專用臺(tái)式儀器在行業(yè)的壟斷，突出了軟件的強(qiáng)大功能和優(yōu)勢(shì)，而且能夠讓用戶 靈活的自定義不同任務(wù)要求，從而產(chǎn)生了具有里程碑意義的新一代儀器 —— 虛擬儀器。 軟件是虛擬儀器的靈魂， LabVIEW是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，使用 “ 所見即所得 ” 的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，形象逼真，操作簡(jiǎn)單。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh的多種版本。利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能和靈活性，工程師和科學(xué)家擁有了前所未有的能力來有效地測(cè)量、控制、監(jiān)視、診斷、自動(dòng)化、測(cè)試和描述任何過程。 LabVIEW具有以下特點(diǎn)： 1) 采用圖形數(shù)據(jù)流編程。 3) 擁有大量的調(diào)試手段。 4) 具有很強(qiáng)的靈活性，虛擬儀器的功能由用戶自己定義，這意味著可自由地組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及各種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的附件 [24]。它以 C語言為核心，將計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)與數(shù)據(jù)的采集、分析、處理及結(jié)果表達(dá)等儀器專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來，為熟悉 C語言的開發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了 一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。視覺開發(fā)模塊是可 在 機(jī)器視覺 中 應(yīng)用 的 強(qiáng)大的程序庫，可縮短開發(fā)周期，節(jié)省時(shí)間和金錢。其中，視覺助手是一個(gè)交互式的平臺(tái)，開發(fā)者可以很快地用它建立視覺模型，而 IMAQ Vision具有強(qiáng)大的圖像處理函數(shù)庫，提供了大量科研和工程中常用的圖像采集和處理功能，例如各類邊緣檢測(cè)算法、自動(dòng)閾值處理、各種形態(tài)學(xué)算法、濾波器、 FFT等。視覺助手不但可以自動(dòng)生成實(shí)時(shí)的 LabVIEW流程圖或 LabWindows/CVI， C， Visual C++和 Visual Basic程序代碼，直接運(yùn)行生成的代碼，還將數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)、控制、分析評(píng)價(jià)等多項(xiàng)功能集為一體。 在圖像處理方面， NI公司提供了 IMAQ vision工具包，它含有 300多種機(jī)器視覺和科學(xué)圖像處理的函數(shù)庫， IMAQ Vision軟件在 LabVIEW中增加了機(jī)器視覺和圖像處理的功能，它提供了大量的圖像預(yù)處理、圖像分割 、圖像理解函數(shù)庫和開發(fā)工具，用于完成灰度、彩色以及二值圖像的顯示圖像處理 （ 包括統(tǒng)計(jì)、濾波和凡何變換 )形狀匹配、斑點(diǎn)分析、計(jì)算和測(cè)量等，用戶可以很方便的進(jìn)行圖像采集分析，創(chuàng)建功能強(qiáng)大的嵌入式圖像應(yīng)用系統(tǒng)，與用傳統(tǒng)的語言進(jìn)行圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)相比，大幅度的降低了難度和開發(fā)周期 [26]。 人眼的視網(wǎng)膜有感光細(xì)胞覆蓋，感光細(xì)胞分為桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞，其中錐狀細(xì)胞提供了在較高的 光學(xué)亮度下的彩色視覺。視覺中能夠感受到的任何顏色都可由紅 、 綠 和 藍(lán)作為基色 。 為了對(duì)顏色進(jìn)行合理的測(cè)定、描述和定量表示，研究人員建立了許多顏色模型，如： RGB顏色模型 ， R(red)， G(green)， B(blue)分別代表了圖像的紅、綠和藍(lán)三 種 顏色分量； HSI顏色模型， H(hue)， S(saturation)， I(intensity)分別代表圖像的色度、飽和度和強(qiáng)度三個(gè)分量。 1) RGB顏色模型 在這種顏色模型下，圖像中每個(gè)像素有三個(gè)灰度值，分別對(duì)應(yīng)于紅、綠、藍(lán)三基色。該模型將圖像中每一像素都映射為三維空間中第一象限的一個(gè)點(diǎn)，用一個(gè)空間立方體來表示這個(gè)模型，如圖 。其中， H代表色度，表明該顏色最接近什么樣的光譜波長(zhǎng)； S代表飽和度，表示顏色的濃淡程度； I代表強(qiáng)度，是指人眼所感18 基于機(jī)器視覺的人眼 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 受的顏色明暗程度，而不管是什么顏色。 綠紅藍(lán)SH 黑SH藍(lán)紅白綠 圖 色度 圖 柱形彩色空間 RGB顏色模型和 HSI顏色模型只是物體彩色 信息的不同表達(dá)方式，所以在圖像處理過程中，常常根據(jù)需要在二者之間 轉(zhuǎn)換，使圖像處理更加方便。其轉(zhuǎn)換公式如下： 12_1 [ ( ) ( ) ]2c o s) ( ) ( )R G R BR G R G R B????? ? ???? ??? ? ??? (31) 2 GBH GB?????????????????? ??? ? ? ??????? ??? (32) 3 m in ( , , )1 R G Bs R G B?? ?? (33) 13I R G B? ? ? (34) 式中 R、 G、 B圖像的三基色的灰度值； H、 S、 I圖像的色度、飽和度和強(qiáng)度，色度用弧度表示。 無 論在哪種顏色模型下，圖像中的顏色值都可以看作是三維空間的一個(gè)矢量，因此，在對(duì)彩色圖像處理時(shí)，需要針對(duì)三維矢量進(jìn)行操作，但在圖像的識(shí)別中，為了提取圖像中某些景物的顏色特征，常對(duì)彩色圖像進(jìn)行降維處理，例如，從圖像的某 一 分量中提取特征，就將處理的數(shù)據(jù)從三維降為一維，這種方法比直接對(duì)圖像的三維矢量進(jìn)行處理簡(jiǎn)單、快捷，而且只要恰當(dāng)?shù)倪x擇圖像的顏色特征，降維處理對(duì)特征的提取影響很小，甚至沒有影 第三章 LabVIEW 虛擬儀器和數(shù)字圖像處理概述 19 響 [29]。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。通常采用灰度直方圖修改技術(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)。通常，在計(jì)算機(jī)中表示的一幅二維數(shù)字圖像可表示為一個(gè)矩陣，其矩陣中的元素是位于相應(yīng)坐標(biāo)位置的圖像灰度值，是離散化的整數(shù)，一般取 0， l， … 255。另外，人眼也只能分辨 32個(gè)左右的灰度級(jí)。 但是，直方圖僅能統(tǒng)計(jì)某級(jí)灰度像素出現(xiàn)的概率，反映不出該像素在圖像中的二維坐標(biāo)。通過灰度直方圖的形狀，能判斷該圖像的清晰度和黑白對(duì)比度。 2) 圖像的平滑 圖像的平滑處理技術(shù) 即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實(shí)際成像過程中因成像設(shè)備和環(huán)境所造成的圖像失真，提取有用信息。因此，去除噪聲，恢復(fù)原始圖像是圖像處理中的一個(gè)重要內(nèi)容。高信道速率意味著高投資，也意味著普及難度的增加。數(shù)據(jù)的壓縮主要通過圖像數(shù)據(jù)的編碼和變換壓縮完成。20 基于機(jī)器視覺的人眼 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 它是早期視覺理論和算法中的基本問題，也是中期和后期視覺成敗的重要因素之一。分類的依據(jù)是像素的灰度值、顏色、頻譜特性、空間特性或紋理特性等 。 應(yīng)用于諸如機(jī)器視覺、染色體分類、景物理解系統(tǒng)等方面。一是鑒于度量空 間 的灰度閾值分割法 。但它只利用了圖像灰度特征，并沒有利用圖像中的其它有用信息，使得分割結(jié)果對(duì)噪聲十分敏感；二是空間域區(qū)域增長(zhǎng)分割方法。其它還有如邊緣追蹤法，主要著眼于保持邊緣性質(zhì)，跟蹤邊緣并形成閉合輪廓，將目標(biāo)分割出來。圖像識(shí)別主要可分為模板匹配和模式識(shí)別兩類。根據(jù)該模板與一幅圖像的各部分的相似度，判定其是否存在，并求得目標(biāo)物在圖像中的位置，這一操作就叫模板匹配。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了 LabVIEW 虛擬儀器的概況及優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了數(shù)字圖像的基本概念以 及 數(shù)字圖像處理技術(shù)。為后繼人眼追蹤 系統(tǒng)研究工作中的人眼眼球的識(shí)別檢測(cè)奠定了理論基礎(chǔ) 。系統(tǒng)由圖像采集模塊、圖像處理模塊、人機(jī)交互平臺(tái)三大部分組成。 圖像處理模塊，圖像處理模塊用來完成將由圖像采集模塊傳入的人眼圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，圖像平滑，人眼眼球的識(shí)別等 圖像處理操作，最終完成對(duì)人眼眼球的識(shí)別，并獲得人眼眼球中心的位置坐標(biāo)，將處理結(jié)果傳入人機(jī)交互平臺(tái)。 本 系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 是 由攝像頭對(duì)人眼進(jìn)行采集， 傳入電腦 NI Vision Assistant 件中進(jìn)行圖片處理、識(shí)別，然后封裝成可用于 LabVIEW的 VI。由于要 求 不斷的對(duì)人眼進(jìn)行跟蹤，需要在 LabVIEW的循環(huán)程序中加入條件循環(huán)，以滿足連續(xù)不斷的自動(dòng)采集、自動(dòng)處理分析的需要。 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 。而且，隨著光 源光譜成分的變化，以及光源強(qiáng)度分布隨時(shí) 間 等的變化，圖像傳感器輸出的圖像信號(hào)也要發(fā)生變化。 光源的特征 是 用光通量、射線的色溫及發(fā)光體的形狀與規(guī)格表示的。發(fā)光效率 (1m/w)指燈泡每瓦需用功率所輻射的光通量值。 光源設(shè)備的選擇必須符合所需的幾何形狀 、照明亮度、均勻度，發(fā)光的光譜特性也必須符合實(shí)際的要求。 除自然光源外，人工光源中鎢絲燈應(yīng)用最普遍。但其在可見光譜區(qū)的輻射功率只占全部輻射功率的一小部分。因鎢絲在高溫下蒸發(fā)使燈泡變黑，如果降低白熾燈的燈絲溫度，則發(fā)光效率降低。使它們與蒸發(fā)在玻璃殼上的鎢形成鹵化物。 這樣，燈絲的溫度可以大大提高，而玻璃殼不會(huì)發(fā)黑。 表 。另外 ， 用于圖像檢測(cè)系統(tǒng)的光源還有激光光源，它具有方向性強(qiáng)、單色性好，相干性好和光亮度高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，適用于通過測(cè)量被檢測(cè)物體的空間頻譜分布來確定被檢測(cè)物體的某些特征參數(shù)。 被攝物體表面條件 （ 光滑或凹凸不平 ） 和幾何形狀與光源種類選擇有關(guān)，被攝物體本身或被檢測(cè)區(qū)域的顏色與光源波長(zhǎng)選擇有關(guān)。 本系統(tǒng)中，根據(jù)各類光源的特征與實(shí)際應(yīng)用中的要求采用了自然光或是日光燈作為系統(tǒng)的光源。使得光源亮度集中于照明區(qū)域的中心。 由于人眼眼球反光性很強(qiáng)，根據(jù)上述選擇平行方式照射，即是光源從頭頂垂直向下照射，這樣既能使眼部光線更加明亮，采集的光線更清晰，而又讓眼球不至于反光造成識(shí)別的困難。被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚 焦根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。在選擇攝像頭時(shí)主要參數(shù)有 以 下方面： 1) 接口 市面上常見的攝像頭有以下幾種接口：模擬復(fù)合視頻接口、并行口、數(shù)字 PCI接口 以及 USB等，模擬復(fù)合視頻接口的攝像頭具有通用而數(shù)字接口的攝像頭則便于實(shí)際應(yīng)用中的后續(xù)數(shù)字處理，但接口協(xié)議較多，較復(fù)雜。 常用彩色 攝像頭的分辨率在 380~1024線之間。 3) 攝像頭的像素 攝像頭的像素是攝像頭的主要性能指標(biāo)，它決定了顯示圖像的好壞，像素越高，圖像細(xì)節(jié)的表現(xiàn)越好。 4) 最低照度 也稱靈敏度，是攝像頭對(duì)環(huán)境光線的敏感程度，或者說是攝像的最暗光線。黑白攝像頭的靈敏度大約是 ~。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn) 有 設(shè)備條件，本系統(tǒng)采用的是 Logitech E1100攝 第四章 人眼跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 像頭，該攝像頭的具體參數(shù)如表 。對(duì)所采集的人眼圖像，在 Vision Assistant平臺(tái)上，進(jìn)行圖像色彩轉(zhuǎn)換、平滑濾波、圖像增強(qiáng)、圖像分割、模板匹配等預(yù)處理，然后封裝成 VI，在LabVIEW中調(diào)用，最后在 LabVIEW設(shè)置循環(huán)，在循環(huán)中的 CIN節(jié)點(diǎn)上引入 C語言代碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)鼠標(biāo)的控制。具體流程圖見 圖 。用該攝像頭獲取人眼的圖像以后，應(yīng)用 LabVIEW中的幾個(gè)軟件模塊即IMAQ Create， IMAQ ， IMAQ Copy Acquired 完成連續(xù)的、可控 的、簡(jiǎn)單可靠的圖像采集過程。對(duì)于觸發(fā)，本部分可以使用布爾面板控制去啟動(dòng)和停止數(shù)據(jù)采集和處理 [30]。 初 始 化存 入 B u f f e r外 部 觸 發(fā)是否調(diào) 入 L a b V I E W結(jié) 束 圖 圖像采集部分流程圖 圖片處理部分 這部分主要是針對(duì)單張的人眼圖片進(jìn)行分析處理，創(chuàng)建模板，對(duì)人眼眼球進(jìn)行識(shí)別并分析得出位置坐標(biāo)，這部分主要在 Vision Assistant ，在對(duì)人眼眼球識(shí)別時(shí)，由于閉眼等因素可能導(dǎo)致識(shí)別失敗，此時(shí)需要在后面的 LabVIEW中加入返回圖像采集的循環(huán)，重新采集圖像。 28 基于機(jī)器視覺的人眼 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 循環(huán)處理部分 以上實(shí)現(xiàn)了圖片的 攝 取 、 處理和分析，但是我們需要連續(xù)的對(duì)鼠標(biāo)進(jìn)行操作，就需要連續(xù)的采集圖片，由于對(duì)圖片的處理過程是一樣的，因此我們需要加入對(duì)圖像的循環(huán)采集控制。 按此思路，需要在不同的地方加入兩個(gè) 不同 循環(huán)，但是本系統(tǒng)在 后面 對(duì) 算法進(jìn)行了 改進(jìn)，使兩個(gè)循環(huán)合并成為一個(gè)循環(huán)，簡(jiǎn)化了流程。加入循環(huán)的方法是在 LabVIEW的程序面板中適當(dāng)?shù)牡胤郊尤胙h(huán)環(huán)節(jié)，當(dāng)外部觸發(fā)器為開啟時(shí)循環(huán)，關(guān)閉時(shí)結(jié)果程序。從整體的高度對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行把握，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的藍(lán)圖。 在圖像的生成、傳輸和變換