基于LabVIEW的图像工程实验

基于LabVIEW的图像工程实验【实验目的】理解图像工程中的基本概念和方法掌握基于LabVIEW的图像工程任务的实现方法【预习重点】常用的图像增强技术常用的灰度图像分割技术LabVIEW景象子模板中相关节点的功能和使用方法【参考书】31版71版61版LabVIEW71版31版基于LabVIEW11版【实验仪器】（IMAQ1407/140PCLabVIEWLabVIEW7NI景象处理模块VisionDevelopment【实验原理】一、图像工程概述图像工程的内容非常丰富，根据抽象程度和研究方法等的不同可分为3个层次（见图1：图像解三者的有机结合，另外还包括对他们的应用。图像理解图像分析图像处理高 小图像理解图像分析图像处理高层 符号抽 操 数象 语 中层 目标 作 据量程 义 对量度 象低层 象素低 大图1图像工程三层次示意图的图像处理主要满足对图像进行各种加工以改善图像的视觉效果并为自动识别打基础缩编码以减少所需存储空间或传输时间、传输通路的要求。图像分析则主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量是以观察者为中心研究客观世界（主要间就可观察到的事物，那么图像理解在一定程度上是以客观世界为中心，借助知识、经验等来把握整个客观世界（包括没有直接观察到的事物像处理和不想理解的部分内容。（一）数字图像基础用计算机进行图像处理的前提是图像必须以数字格式存储我们把以数字格式存放的图像称之为字图像。根据数字图像的特性可以将其分成不同的类型，静态图像可分为矢量（ 图和位图（Bitma，位图也称为栅格图像。矢量图是用一系列绘图指令来表示一幅图，如AutoCAD中的绘图语句。这种方法的本质是用数学（更准确的说是几何学）公式描述一幅图像，图像中每一个形状都是一个完整的公式。位图是通过许多像素点表示一幅图像，每个像素具有颜色属性和位置属性。位图又可以分成线画稿（LineAr、灰度图像GrayScal、索引颜色图像IndexColo）和真彩色图像TrueColo8bit表示，所以每个像素都是介于黑色和白色之间的256（28=256）中的一种。灰度图像只有灰度颜色而没有彩色，从技术上来说就是具有从黑到白的256种灰度色域（Gamut）的单色图像。图2黑白照片经过采样和量化被转换为灰度图像的过程。采样 量化数字化图2数字图像的生成即把图像划分为若干图像元素（像素）并给出他们的地址（采样0~255之间的整数（量化。这样，一幅照片就被转换成了一个2维数组，数组中（代表了其所对应的那一特定位置图像元素的灰度。（二）图像增强2gx,yEHf和分别为增强前后的图像，而EH代表增强操作。如果EH是定义在每个EH是点操作；如果EH是定义在某个临域上，则EH常称为模板操作。灰度变换算。gx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEH0fy2550fy2550fy2550fy255255255255255 （a） （b） 3利用直接灰度变换增强图像

（d）3（a）EH3（b）EH图中的EH操图中的EH操作是灰度切分，即将某个灰度范围变得非常突出来突显该灰度范围内像素的分布信息。直方图表示数字图像中每一灰度值出现频数的统计。如4述：整幅图像的灰度范围、每个灰度级的频数、整幅图像的亮度和平均对比度等。直方图统计直方图统计图4直方图统计直方图均衡化直方图规定化（化）或有选择地增强某个灰度值范围内对比度（直方图规定化）图5经直方图均衡化和直方图规定化处理的过程。直方图均衡化直方图规定化空域滤波它们的基本特点都是让图像在傅里叶空间某个范围内的分量受到抑制而让其它分量不受影响（低通（高通）滤波器两类。6所示，为一幅混有椒盐噪声的原图经平滑滤波器处理的过程。图6借助模板的平滑滤波过程7所示，为一幅模糊图像经锐化滤波器处理的过程。图7借助模板的锐化滤波过程（三）灰度图像分割景（其它部分称为背景，他们一般对应图像种特定的、具有独特性质的区域。为了辨识和分析目标，需要将这些有关区域分离出来（灰度图像的分割2图8所示，是一种简单的边缘检测方法。探查线

灰 边缘长度度边缘检测探查线上的灰度连续性

灰度轮廓

边缘强度探查线方向边缘图8通过检测探查线上的灰度连续性来确定区域的边缘可再此处定义一个边缘位置。基于区域的分割方法中，取域值是一种最常见的方法。如图9（a）所示，假设图像由具有单峰T，则按照目标和背景区分开来而得到图9（b）的结果。

fx,yTgx,y0

fy

……（2）

fx,y127gx,y0

fx,y127（a） 图9通过取阈值来分理目标 （b）（四）几何特征测量等任务。下面介绍如何确定目标几何特征量中位置和方向的方法。图像中的目标通常不是一个点，因此用物体的面积的中心点作为物体的位置。如图10所示，若图像中的目标队赢得像素位置坐标为（i=n-j=m-置坐标：1x n1m1xmn 1i0j0

，y

1n1m1ymn i0j0

……（3）yyx（x，y）i i图10用物体的面积的中心点作为物体的位置（最小惯量轴在二维平面上的等效轴）E值最小：Er2fydxdy……（4）式中，r是点（x，y）到直线的垂直距离。LabVIEW的图像工程实现图像工程的大部分内容都是借助于计算来实现的，借助美国国家仪器公司提供的NI景象处理模块（NIVisionDevelopmentModul，可以基于LabVIEW软件平台来实现图像工程中的大部分内容。基于LabVIEW的图像工程能够充分利用G程任务的实现变得更加简单。下面将有重点的介绍NI景象处理模块中的内容：如11所示，在LabVIEW控制模板的景象子模板中包含IMAQImage.ctlImageDisplayImageDisplay（Classic）节点，以及IMAQVisioncontrolsMachineVisioncontrols子模板。IMAQImage.ctlIMAQImage.ctlImageDisplayImageDisplay（Classic）IMAQVisioncontrolsMachineVisioncontrols它们的功能如下表所式：

11控制模板（Control）中的景象子模板（Vision）表1名称及图标名称及图标功能描述图像的数据类型IMAQImage.ctlImageDisplay*在前面板中显示图像“3D”风格RO（Regionsofinterest）工具来选定感兴趣的区域（ROI）ImageDisplay（Classic）*在前面板中显示图像“经典”风格ROI（Regionsofinterest）工具来选定感兴趣的区域（ROI）IMAQ景象（IMAQ的属性IMAQVisioncontrolsMachine景象（Machine的属性MachineVisioncontrols注：表中打“*”号的为重点内容如12LabVIEWImageVision、ImageProcessingMachineVision子模板。ImageAcquisitionImageAcquisitionVisionUtilitiesImageProcessingMachineVision图12功能模板（Function）中的景象子模板（Vision）它们的功能如下表所式：表2子模板名称及图标子模板名称及图标功能设置图像采集系统（IMAQSyste，并将图像采集到计算机中ImageAcquisitionIMAQ景象中的图像VisionUtilitiesIMAQ景象中的图像ImageProcessingMachine景象检查任务MachineVisionImageAcquisition子模板在ImageAcquisition子模板中包含如表3所示的几个重要节点：节点名称及图标功能节点名称及图标功能NI-IMAQ配置，并设置图像采集设备（IMAQDevice）IMAQInit*从图像采集设备中截取一幅图像IMAQSnap*为图像采集设备设置一个图像高速截取循环IMAQGrabSetup*从图像高速截取循环中高速地截取图像IMAQGrabAcquire*从图像采集设备中一次性截取多幅图像IMAQSequence释放图像采集设备IMAQClose*…………注：表中打“*”号的为重点内容VisionUtilities子模板在VisionUtilities4所示的几个重要节点：子模板名称及图标功能创建和销毁图像，设置和读取图像的属性，以及将一幅图像复制到另一幅图像上子模板名称及图标功能创建和销毁图像，设置和读取图像的属性，以及将一幅图像复制到另一幅图像上节点名称及图标功能创建一幅空图像IMAQCreate*ImageManagement销毁一幅图像，并释放其所占用的内存空间IMAQDispose*…………读取，写入，以及找回图像的文件信息节点名称及图标功能从指定图像文件中读入一幅图像FilesIMAQReadFile*将一幅图像写入到指定文件中IMAQWriteFile*IMAQWriteFile*获取一幅图像文件的内容信息IMAQGetFileInfo…………调整图像的大小，提取图像中的某一部分，旋转图像以及展开图像等ImageManipulation将轮廓、文字和位图覆盖到一幅图像上，而不改变原图像的内容节点名称及图标功能将一个点覆盖到图像上IMAQOverlayPoints将一条线覆盖到图像上IMAQOverlayLineOverlay将一个矩形轮廓覆盖到图像上IMAQOverlayRectangle清除覆盖在图像上的内容IMAQClearOverlay*……注：表中打“*”号的为重点内容ImageProcessing子模板在ImageProcessing子模板中包含如表5所示的几个重要节点：子模板名称及图标功能处理灰度图像和二值图像，对图像进行灰度变换、灰度分割等操作子模板名称及图标功能处理灰度图像和二值图像，对图像进行灰度变换、灰度分割等操作节点名称及图标功能直接灰度变换IMAQMathLookup*直方图处理ProcessingIMAQEqualize*调整图像的亮度，对比度和反衬度IMAQBCGLookup单区域灰度分割IMAQThreshold*IMAQMultiThresholdIMAQInverse……节点名称及图标IMAQGetKernel*

多区域灰度分割灰度反转……功能读取预定的滤波模板IMAQBuildKernel*

创建特定的滤波模板Filters

IMAQConvolute*

根据输入的滤波模板对图像进行空域滤波IMAQLowPass*IMAQ……

低通滤波类中值滤波……获得灰度图像和二值图像的图像信息节点名称及图标 功能Analysis

IMAQHistographIMAQParticleAnalysis*……

获得灰度图像的直方图获得二值图像中微粒的数目，以及微粒本身的一些几何特征………… ……*”号的为重点内容MachineVision子模板在MachineVision子模板中包含如表6所示的几个重要节点：子模板名称及图标功能表子模板名称及图标功能检测图像中特定区域的亮度节点名称及图标检测图像中特定区域的亮度节点名称及图标功能检测某点附近的亮度IMAQLightMeter(Point)MeasureIntensities检测一条线上的亮度IMAQLightMeter(Line)检测一个矩形区域内的亮度IMAQLightMeter(Rectangle)检测图像中两个边界之间的距离节点名称及图标功能测量两个边界之间的最大水平距离IMAQClampHorizontalMax*测量两个边界之间的最小水平距离MeasureDistancesIMAQClampHorizontalMin测量两个边界之间的最大垂直距离IMAQClampVerticalMax*测量两个边界之间的最小垂直距离IMAQClampVerticalMin…………注：表中打“*”号的为重点内容【实验内容与步骤】将一幅图像从指定图像文件中读出，显示在LabVIEW的前面板中，并存入到另一指定文件中LabVIEW7.0软件平台，新建一个名为OpenDisplay&Save的空白VI如13所示，在框图程序中利用IMAQCreate节点创建一幅空图像→利用IMAQReadFile节点从指定图像文件中读入一幅图像→在前面板中添加一个ImageDisplay节点用于显示图像，并将其对应的框图程序中的节点与IMAQReadFile节点的ImageOut像连接→在框图程序中利用IMAQWriteFile节点将该图像写入到另一指定文件中→利用IMAQDispose节点将打开的图像销毁，并释放其所占用的内存空间从新调整前面板和框图程序中各节点的大小和位置使其整洁美观ImageDisplay“Snapsho运行OpenDisplay&Save.打开一幅颜色偏暗、对比度偏小的图像，对其进行图像增强，并结果保存在到指定文件中OpenDisplay&Save.VI另存为Processing.VI如14所示，在框图程序中有选择地插入Processing以调整图像的亮度和对比度→在前面板中添加一个ImageDisplay节点用于显示被增强后的图像从新调整前面板和框图程序中各节点的大小和位置使其整洁美观ImageDisplay“Snapsho运行Processing.改变所选用的具有灰度变换作用的节点的参数，或更换、添加Processing度变换作用的节点，反复比较直到取得满意的图像增强效果打开一幅颜色偏暗、对比度偏小并且含有1存在到指定文件中将Processing.VI另存为Processing&Filters.VI如15所示，在框图程序中有选择地插入Filters像中的噪声→在前面板中再添加一个ImageDisplay节点用于显示被增强后的图像从新调整前面板和框图程序中各节点的大小和位置使其整洁美观ImageDisplay“Snapsho运行Processing.改变所选用的低通滤波器的滤波模板，或更换、添加Filters低通滤波节点，反复比较直到取得满意的图像增强效果LabVIEW的前面板中，并存入到另一指定文件中检查图像采集系统的连接情况：工业用摄像头←→图像采集卡（IMAQ1407/1409）←→计算机PCI总线Measurement&AutomationExplorer程序，配置图像采集卡集通道OpenDisplay&Save.VIGetDisplay&Save.VI如16所示，在框图程序中利用IMAQInit、IMAQSnapIMAQClose集模块”→用“图像采集模块”替换原框图程序中的IMAQReadFile节点从新调整前面板和框图程序中各节点的大小和位置使其整洁美观在前面板中分别填入要保存图像文件的路径。在 ImageDisplay节点上单击鼠标右健勾“Snapsho，以使被显示的图像保留在前面板中运行GetDisplay&Save.测量一幅颜色偏暗、对比度偏小的工件图中工件的实际尺寸新建一个名为Clamp的空白VI利用“图像采集模块”采集摄像头视场内的工件图并显示在前面板中对采集到的图像进行图像增强以改善图像质量如17IMAQClampHorizontalMaxIMAQClampVerticalMax节点测量图像中工件的尺寸从新调整前面板和框图程序中各节点的大小和位