基于LabVIEW的圖像工程實驗【實驗目的】理解圖像工程中的基本概念和方法掌握基于LabVIEW的圖像工程任務的實現方法【預習重點】常用的圖像增強技術常用的灰度圖像分割技術LabVIEW景象子模板中相關節點的功能和使用方法【參考書】31版71版61版LabVIEW71版31版基于LabVIEW11版【實驗儀器】（IMAQ1407/140PCLabVIEWLabVIEW7NI景象處理模塊VisionDevelopment【實驗原理】一、圖像工程概述圖像工程的內容非常豐富，根據抽象程度和研究方法等的不同可分為3個層次（見圖1：圖像解三者的有機結合，另外還包括對他們的應用。圖像理解圖像分析圖像處理高 小圖像理解圖像分析圖像處理高層 符號抽 操 數象 語 中層 目標 作 據量程 義 對量度 象低層 象素低 大圖1圖像工程三層次示意圖的圖像處理主要滿足對圖像進行各種加工以改善圖像的視覺效果并為自動識別打基礎縮編碼以減少所需存儲空間或傳輸時間、傳輸通路的要求。圖像分析則主要是對圖像中感興趣的目標進行檢測和測量是以觀察者為中心研究客觀世界（主要間就可觀察到的事物，那么圖像理解在一定程度上是以客觀世界為中心，借助知識、經驗等來把握整個客觀世界（包括沒有直接觀察到的事物像處理和不想理解的部分內容。（一）數字圖像基礎用計算機進行圖像處理的前提是圖像必須以數字格式存儲我們把以數字格式存放的圖像稱之為字圖像。根據數字圖像的特性可以將其分成不同的類型，靜態圖像可分為矢量（ 圖和位圖（Bitma，位圖也稱為柵格圖像。矢量圖是用一系列繪圖指令來表示一幅圖，如AutoCAD中的繪圖語句。這種方法的本質是用數學（更準確的說是幾何學）公式描述一幅圖像，圖像中每一個形狀都是一個完整的公式。位圖是通過許多像素點表示一幅圖像，每個像素具有顏色屬性和位置屬性。位圖又可以分成線畫稿（LineAr、灰度圖像GrayScal、索引顏色圖像IndexColo）和真彩色圖像TrueColo8bit表示，所以每個像素都是介于黑色和白色之間的256（28=256）中的一種。灰度圖像只有灰度顏色而沒有彩色，從技術上來說就是具有從黑到白的256種灰度色域（Gamut）的單色圖像。圖2黑白照片經過采樣和量化被轉換為灰度圖像的過程。采樣 量化數字化圖2數字圖像的生成即把圖像劃分為若干圖像元素（像素）并給出他們的地址（采樣0~255之間的整數（量化。這樣，一幅照片就被轉換成了一個2維數組，數組中（代表了其所對應的那一特定位置圖像元素的灰度。（二）圖像增強2gx,yEHf和分別為增強前后的圖像，而EH代表增強操作。如果EH是定義在每個EH是點操作；如果EH是定義在某個臨域上，則EH常稱為模板操作。灰度變換算。gx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEHgx,yEH0fy2550fy2550fy2550fy255255255255255 （a） （b） 3利用直接灰度變換增強圖像

（d）3（a）EH3（b）EH圖中的EH操圖中的EH操作是灰度切分，即將某個灰度范圍變得非常突出來突顯該灰度范圍內像素的分布信息。直方圖表示數字圖像中每一灰度值出現頻數的統計。如4述：整幅圖像的灰度范圍、每個灰度級的頻數、整幅圖像的亮度和平均對比度等。直方圖統計直方圖統計圖4直方圖統計直方圖均衡化直方圖規定化（化）或有選擇地增強某個灰度值范圍內對比度（直方圖規定化）圖5經直方圖均衡化和直方圖規定化處理的過程。直方圖均衡化直方圖規定化空域濾波它們的基本特點都是讓圖像在傅里葉空間某個范圍內的分量受到抑制而讓其它分量不受影響（低通（高通）濾波器兩類。6所示，為一幅混有椒鹽噪聲的原圖經平滑濾波器處理的過程。圖6借助模板的平滑濾波過程7所示，為一幅模糊圖像經銳化濾波器處理的過程。圖7借助模板的銳化濾波過程（三）灰度圖像分割景（其它部分稱為背景，他們一般對應圖像種特定的、具有獨特性質的區域。為了辨識和分析目標，需要將這些有關區域分離出來（灰度圖像的分割2圖8所示，是一種簡單的邊緣檢測方法。探查線

灰 邊緣長度度邊緣檢測探查線上的灰度連續性

灰度輪廓

邊緣強度探查線方向邊緣圖8通過檢測探查線上的灰度連續性來確定區域的邊緣可再此處定義一個邊緣位置。基于區域的分割方法中，取域值是一種最常見的方法。如圖9（a）所示，假設圖像由具有單峰T，則按照目標和背景區分開來而得到圖9（b）的結果。

fx,yTgx,y0

fy

……（2）

fx,y127gx,y0

fx,y127（a） 圖9通過取閾值來分理目標 （b）（四）幾何特征測量等任務。下面介紹如何確定目標幾何特征量中位置和方向的方法。圖像中的目標通常不是一個點，因此用物體的面積的中心點作為物體的位置。如圖10所示，若圖像中的目標隊贏得像素位置坐標為（i=n-j=m-置坐標：1x n1m1xmn 1i0j0

，y

1n1m1ymn i0j0

……（3）yyx（x，y）i i圖10用物體的面積的中心點作為物體的位置（最小慣量軸在二維平面上的等效軸）E值最小：Er2fydxdy……（4）式中，r是點（x，y）到直線的垂直距離。LabVIEW的圖像工程實現圖像工程的大部分內容都是借助于計算來實現的，借助美國國家儀器公司提供的NI景象處理模塊（NIVisionDevelopmentModul，可以基于LabVIEW軟件平臺來實現圖像工程中的大部分內容。基于LabVIEW的圖像工程能夠充分利用G程任務的實現變得更加簡單。下面將有重點的介紹NI景象處理模塊中的內容：如11所示，在LabVIEW控制模板的景象子模板中包含IMAQImage.ctlImageDisplayImageDisplay（Classic）節點，以及IMAQVisioncontrolsMachineVisioncontrols子模板。IMAQImage.ctlIMAQImage.ctlImageDisplayImageDisplay（Classic）IMAQVisioncontrolsMachineVisioncontrols它們的功能如下表所式：

11控制模板（Control）中的景象子模板（Vision）表1名稱及圖標名稱及圖標功能描述圖像的數據類型IMAQImage.ctlImageDisplay*在前面板中顯示圖像“3D”風格RO（Regionsofinterest）工具來選定感興趣的區域（ROI）ImageDisplay（Classic）*在前面板中顯示圖像“經典”風格ROI（Regionsofinterest）工具來選定感興趣的區域（ROI）IMAQ景象（IMAQ的屬性IMAQVisioncontrolsMachine景象（Machine的屬性MachineVisioncontrols注：表中打“*”號的為重點內容如12LabVIEWImageVision、ImageProcessingMachineVision子模板。ImageAcquisitionImageAcquisitionVisionUtilitiesImageProcessingMachineVision圖12功能模板（Function）中的景象子模板（Vision）它們的功能如下表所式：表2子模板名稱及圖標子模板名稱及圖標功能設置圖像采集系統（IMAQSyste，并將圖像采集到計算機中ImageAcquisitionIMAQ景象中的圖像VisionUtilitiesIMAQ景象中的圖像ImageProcessingMachine景象檢查任務MachineVisionImageAcquisition子模板在ImageAcquisition子模板中包含如表3所示的幾個重要節點：節點名稱及圖標功能節點名稱及圖標功能NI-IMAQ配置，并設置圖像采集設備（IMAQDevice）IMAQInit*從圖像采集設備中截取一幅圖像IMAQSnap*為圖像采集設備設置一個圖像高速截取循環IMAQGrabSetup*從圖像高速截取循環中高速地截取圖像IMAQGrabAcquire*從圖像采集設備中一次性截取多幅圖像IMAQSequence釋放圖像采集設備IMAQClose*…………注：表中打“*”號的為重點內容VisionUtilities子模板在VisionUtilities4所示的幾個重要節點：子模板名稱及圖標功能創建和銷毀圖像，設置和讀取圖像的屬性，以及將一幅圖像復制到另一幅圖像上子模板名稱及圖標功能創建和銷毀圖像，設置和讀取圖像的屬性，以及將一幅圖像復制到另一幅圖像上節點名稱及圖標功能創建一幅空圖像IMAQCreate*ImageManagement銷毀一幅圖像，并釋放其所占用的內存空間IMAQDispose*…………讀取，寫入，以及找回圖像的文件信息節點名稱及圖標功能從指定圖像文件中讀入一幅圖像FilesIMAQReadFile*將一幅圖像寫入到指定文件中IMAQWriteFile*IMAQWriteFile*獲取一幅圖像文件的內容信息IMAQGetFileInfo…………調整圖像的大小，提取圖像中的某一部分，旋轉圖像以及展開圖像等ImageManipulation將輪廓、文字和位圖覆蓋到一幅圖像上，而不改變原圖像的內容節點名稱及圖標功能將一個點覆蓋到圖像上IMAQOverlayPoints將一條線覆蓋到圖像上IMAQOverlayLineOverlay將一個矩形輪廓覆蓋到圖像上IMAQOverlayRectangle清除覆蓋在圖像上的內容IMAQClearOverlay*……注：表中打“*”號的為重點內容ImageProcessing子模板在ImageProcessing子模板中包含如表5所示的幾個重要節點：子模板名稱及圖標功能處理灰度圖像和二值圖像，對圖像進行灰度變換、灰度分割等操作子模板名稱及圖標功能處理灰度圖像和二值圖像，對圖像進行灰度變換、灰度分割等操作節點名稱及圖標功能直接灰度變換IMAQMathLookup*直方圖處理ProcessingIMAQEqualize*調整圖像的亮度，對比度和反襯度IMAQBCGLookup單區域灰度分割IMAQThreshold*IMAQMultiThresholdIMAQInverse……節點名稱及圖標IMAQGetKernel*

多區域灰度分割灰度反轉……功能讀取預定的濾波模板IMAQBuildKernel*

創建特定的濾波模板Filters

IMAQConvolute*

根據輸入的濾波模板對圖像進行空域濾波IMAQLowPass*IMAQ……

低通濾波類中值濾波……獲得灰度圖像和二值圖像的圖像信息節點名稱及圖標 功能Analysis

IMAQHistographIMAQParticleAnalysis*……

獲得灰度圖像的直方圖獲得二值圖像中微粒的數目，以及微粒本身的一些幾何特征………… ……*”號的為重點內容MachineVision子模板在MachineVision子模板中包含如表6所示的幾個重要節點：子模板名稱及圖標功能表子模板名稱及圖標功能檢測圖像中特定區域的亮度節點名稱及圖標檢測圖像中特定區域的亮度節點名稱及圖標功能檢測某點附近的亮度IMAQLightMeter(Point)MeasureIntensities檢測一條線上的亮度IMAQLightMeter(Line)檢測一個矩形區域內的亮度IMAQLightMeter(Rectangle)檢測圖像中兩個邊界之間的距離節點名稱及圖標功能測量兩個邊界之間的最大水平距離IMAQClampHorizontalMax*測量兩個邊界之間的最小水平距離MeasureDistancesIMAQClampHorizontalMin測量兩個邊界之間的最大垂直距離IMAQClampVerticalMax*測量兩個邊界之間的最小垂直距離IMAQClampVerticalMin…………注：表中打“*”號的為重點內容【實驗內容與步驟】將一幅圖像從指定圖像文件中讀出，顯示在LabVIEW的前面板中，并存入到另一指定文件中LabVIEW7.0軟件平臺，新建一個名為OpenDisplay&Save的空白VI如13所示，在框圖程序中利用IMAQCreate節點創建一幅空圖像→利用IMAQReadFile節點從指定圖像文件中讀入一幅圖像→在前面板中添加一個ImageDisplay節點用于顯示圖像，并將其對應的框圖程序中的節點與IMAQReadFile節點的ImageOut像連接→在框圖程序中利用IMAQWriteFile節點將該圖像寫入到另一指定文件中→利用IMAQDispose節點將打開的圖像銷毀，并釋放其所占用的內存空間從新調整前面板和框圖程序中各節點的大小和位置使其整潔美觀ImageDisplay“Snapsho運行OpenDisplay&Save.打開一幅顏色偏暗、對比度偏小的圖像，對其進行圖像增強，并結果保存在到指定文件中OpenDisplay&Save.VI另存為Processing.VI如14所示，在框圖程序中有選擇地插入Processing以調整圖像的亮度和對比度→在前面板中添加一個ImageDisplay節點用于顯示被增強后的圖像從新調整前面板和框圖程序中各節點的大小和位置使其整潔美觀ImageDisplay“Snapsho運行Processing.改變所選用的具有灰度變換作用的節點的參數，或更換、添加Processing度變換作用的節點，反復比較直到取得滿意的圖像增強效果打開一幅顏色偏暗、對比度偏小并且含有1存在到指定文件中將Processing.VI另存為Processing&Filters.VI如15所示，在框圖程序中有選擇地插入Filters像中的噪聲→在前面板中再添加一個ImageDisplay節點用于顯示被增強后的圖像從新調整前面板和框圖程序中各節點的大小和位置使其整潔美觀ImageDisplay“Snapsho運行Processing.改變所選用的低通濾波器的濾波模板，或更換、添加Filters低通濾波節點，反復比較直到取得滿意的圖像增強效果LabVIEW的前面板中，并存入到另一指定文件中檢查圖像采集系統的連接情況：工業用攝像頭←→圖像采集卡（IMAQ1407/1409）←→計算機PCI總線Measurement&AutomationExplorer程序，配置圖像采集卡集通道OpenDisplay&Save.VIGetDisplay&Save.VI如16所示，在框圖程序中利用IMAQInit、IMAQSnapIMAQClose集模塊”→用“圖像采集模塊”替換原框圖程序中的IMAQReadFile節點從新調整前面板和框圖程序中各節點的大小和位置使其整潔美觀在前面板中分別填入要保存圖像文件的路徑。在 ImageDisplay節點上單擊鼠標右健勾“Snapsho，以使被顯示的圖像保留在前面板中運行GetDisplay&Save.測量一幅顏色偏暗、對比度偏小的工件圖中工件的實際尺寸新建一個名為Clamp的空白VI利用“圖像采集模塊”采集攝像頭視場內的工件圖并顯示在前面板中對采集到的圖像進行圖像增強以改善圖像質量如17IMAQClampHorizontalMaxIMAQClampVerticalMax節點測量圖像中工件的尺寸從新調整前面板和框圖程序中各節點的大小和位