通过USB摄像头采集图像，并经过一些运算对图像进行数据分析

图像处理也可以称作视觉处理。LabVIEW提供了多种图像处理的方法。其中NI公司的视觉采集软件提供的驱动和函数，既能够从数千种连接到 NI 帧接收器上的不同相机上采集图像，也能够从连接在PC、PXI系统或笔记本计算机上标准端口的IEEE1394和千兆位以太网视觉相机采集图像。

本实例主要完成通过 USB 摄像头采集图像，并经过一些运算对图像进行数据分析。在实例中用采集到的图片作样本，让系统认识一个像素，然后开始自动查找图像中的相同像素，查找时还要对图片进行翻转，以全面找到相同的像素，最后再标注出这些点的中心位置和点数。

一、Vision图像工具安装

Vision 是一个图像处理的工具包，当安装完成后，启动 LabVIEW 软件，可以在前面板与后面板上看到相应的控件和函数。

在实验中，我们会用到工具前面板的Vision选项列表的三个图像显示控件IMAQ Image.ctl、Image Display、Image Display（Classic）进行图像分析、处理及显示设置；也会用到后面板“视觉与运动”函数选板，包括常用的视觉图像采集函数组NI-IMAQ、应用函数组Vision Utilities。具体控件与函数使用方法，可自行参考百度索引或者Vision视觉助手相关的书籍手册。

二、图像采集

要处理图像，必须先要获取一张图像。获取图像是通过调用 Vision 中的 IMAQ USB 函数来实现的。它的最大优势在于可以自动识别 USB 摄像头，并读取数据。

选择“函数”|“Vision and Motion”|“IMAQ USB”命令，打开IMAQ USB函数下拉列表，如图1所示。

在进行图像采集时，先要用IMAQ Create函数创建一个图像任务，此函数的接线如图2所示。

图1 图像采集函数

图2 IMAQ Create函数图标

这里通过此函数对图像的名称和类型大小等进行定义，否则后面的工作没有办法进行。然后再通过一个 USB 启动函数来调用 USB 摄像头设备。此函数是 NI 公司自己研发专门读取 USB 设备的函数，其内部通过调用ImaqDirectShowDll.dll文件来实现。

打开USB设备后，就要从此设备上获取数据，所以用了一个IMAQ USB Grab Acquire函数来实现。整个图像采集程序框图如图3所示。

图3 图像采集

三、图像处理过程

此处的图像处理包括对图像进行采样，找出与采样点相同的图像。为了找出各种角度放置的采样点，在查找的同时对图像进行了360°的翻转，这样可以找出图像上所有相同点。

1.整体设计

在本实例设计中，对一张图片先设置好要查找的内容，然后开始自动查找，最后对找出的内容进行标记和显示。

由于软件的运行比较复杂，数据的采集又是实时的，要求处理速度比较快，所以要对其进行整体设计，合理安排控件的调用和执行顺序。本程序中采用了一个大循环，保持程序的持续运行。在内部再调用一个顺序结构来控制程序的执行顺序 ，这样可以保证程序按编程者的思路进行。具体的工作流程图如图4所示。

图4 整个程序流程图

2.设置查找像素

读取了图像数据后，还要设置查找的像素。这里通过一个光标选择函数来实现。

先用函数IMAQ Setup Learn Pattern 2来设置需要记录的各项，然后再用IMAQ Extract函数进行光标设置。这样就记录了此光标区域的图像数据。它的程序框图如图5所示。

图5 设置查找像素

这里用一个条件结构来控制是否进入记录像素的程序。也就是当选择了要记录的像素后，才进入此分支程序。在这一分支程序中，又利用了一个顺序结构，这样提高了程序运行的效率。它的程序如图6所示。

图6 复位记录按钮

3.开始查找

当设置完以上要查找的像素后，就可以在需要的图片中查找此像素。为了查找有用的像素，在选择了“开始查找”后，要先读取上面标记的像素，再进行查找。

此处程序的设计中，也是先运行一个条件结构，再运行顺序结构，按顺序执行程序。读取光标选择像素的程序如图7所示。

图7 读取选择的像素

当读取像素后，利用顺序结构在第二帧的图像中继续查找。在这一帧中放置了一个循环，并限制循环次数为4。此时先用一个IMAQ Rotate对图像进行翻转，每次翻转90°。这样就可以在循环4次时翻转一周，对图像上各个角度的像素进行查找。再把图像送到IMAQ Match Pattern 2函数，对其进行查找。通过此函数直接输出找到的像素信息的数组。为了对找到的信息进行处理，又用一个For循环对此数据和簇进行拆分。这里的For循环次数直接由数组大小来控制。把数组拆开后再找到像素的中心位置，并按设置好的字体和格式显示出来。对字体的设置，前面板如图8所示。

图8 标记字体设置

从图7中可以看出，其中包括字体名称、字体大小、下画线、加粗等标记方式。标记字体程序如图9所示。

图9 标记字体程序

可以看到，最复杂的设置是对标记内容的组合与写入。这里先由Draw Pattern Matches Position函数读取各个记录点的坐标值，然后用一个字符串组合函数把标记和坐标值组合成一个标记字符串。最后由IMAQ Draw Text函数把组合好的标记信息直接写入图像界面中。整个标记程序如图10所示。

图10 完整标记程序

当第二帧执行完后，进入第三帧的图像大小设置。因为在前面查找的过程中，为了查找得更加精确，对图像进行了像素的放大，这里为了显示的方便，就需要对图像进行还原，这样才可以看得清楚。此处用了IMAQ Extract函数，对显示的图像进行放大和缩小，但是没有改变真正的图像。它的程序框图如图11所示。

图11 图像还原

4.程序前面板

当所有后面板程序编写完后，就要进行前面板控件布局。由于此程序中涉及的控件不多，所以很好设置整体布局。程序界面如图12所示。其中，“标签类型”是为了给标签进行不同的编号，在当前坐标前面加的一个前缀，这样更好区分不同的像素点。“最大数目”是查找出目标的最大限制。如果设置为40，则最多只能找出40个目标。当大于此值时，则将多出来的其他目标量忽略。

下面对查找时要放大的倍数进行设置，这里只是对二维的数据放大，所以在界面上设置两个值，一个是X，另一个是Y。前面板布局如图13所示。

图12 控制项设置

图13 放大设置

为了对系统的工作进行控制，需要设置4个按钮。它们分别如下：

— 开始采集：用于启动采集，完成整个任务的第一个动作，采集一张图片。

— 记录标记：用于对光标选择的区域进行记录，以识别设置像素。

— 开始查找：启动整个系统，对采集到的图片进行查找，找出相同像素并进行标记。

— 停止工作：系统停止工作。

界面布局如图14所示。

图14 按钮设置

接下来对查找后的图像进行显示，这是非常关键的一个步骤。这里还对查找到的总个数进行了统计，这样可以让人对查找结果一目了然，完整的前面板界面如图15所示。

图15完整界面

5.程序调试

程序编写完成后，要对系统进行软硬件的联机调试。这里把NI公司的USB摄像头和计算机连接，并在计算机上安装此软件工具包。具体操作如下：

（1）运行本程序，在摄像头下放置好一块电路板，并对其设置好焦距和亮度。单击“开始采集”按钮，对其进行采集，并显示实时采集到的图像，如图16所示。

（2）当采集完一次后，在界面上可以看到清晰的采集结果。此时我们用光标在需要进行识别的地方画出一个区域。此时光标变为绿色，表示用光标选中了要记录的像素。然后单击“学习标记”按钮，此光标消失，表示已经记录（学习）完成，如图17所示。

从图上可以看出，这里选中的是电路板上字母C，让程序学习记录，并找出界面上所有的字母C。 

图16 图像采集

图17 设置学习区域

（3）记录学习完成后，就可以查找相同像素的点了。单击“开始查找”按钮后，程序开始在此图上查找记录的像素点，并以此像素点为标准，进行比对，找出相同的点。查找的过程中标出了各个点的坐标和编号。这里把标签类型设置为“A”，以Shift Invariant的方式查找，精度设置为700，最大数目设置为40。这样就可找出所有相同的元素。程序运行时如图18所示。

图18 查找结果

从图中可以看出，查找过程中，程序找出了所有字母 C，并标注了它们的坐标和标签。此处的标签有些不是端正的，主要是由于在对图片进行翻转查找时，按相应的角度找到后直接就标记了。如标签 A43（70，471）表示的意义如下：字母 A是对程序进行查找前设置的标签类型。4表示此图片翻转到第4次找到的，即第4个角度。3表示是此角度下的第3个点。（70，471）表示当前查找到像素的中心坐标，即此目标的 X=70，Y=471，坐标的值是从图像开始的左上角界面算起的。

同时可以看到界面的下面显示了图片的属性，如图片大小、位数等。最后还可以看到一个“已查找到总个数”本框，此处显示的是8个目标。这和图上标注的一样，也和实际完全相符。

（4）完成查找后，单击“停止工作”按钮中断此程序的运行。系统退出图像采集和处理环节。

四、实例总结

本例讲解了LabVIEW中图像处理方面的具体应用，主要对如何利用Vision工具包采集图像进行了详细的讲解。同时采集到图像后进行了各类复杂的运算，其中编程的思路也是笔者的经验展示，读者需要用心体会，掌握设置不同事件的合理运行顺序。

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责任编辑：xj

原文标题：纯干货分享！手把手教你工业图像视觉识别与处理

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