1、目錄第3章圖像采集 (13.1采集單幅圖像 (13.1.1基于圖像采集卡的Snap操作 (13.1.2基于USB攝像頭的Snap操作 (33.1.3使用Snap.vi進(jìn)行連續(xù)圖像采集的速度問題 (43.2采集連續(xù)圖像 (53.2.1基于圖像采集卡的Grab操作 (63.2.2基于USB攝像頭的Grab操作 (73.3多緩沖區(qū)采集方式 (83.3.1Sequence圖象采集方式 (93.3.2Ring圖象采集方式 (103.4觸發(fā) (113.4.1觸發(fā)信號類型 (113.4.2觸發(fā)方式圖象采集的實(shí)現(xiàn) (123.5圖像保存與讀取 (143.5.1圖像文件格式簡介 (143.5.2保存圖像 (153

2、.5.3讀取圖像 (16第3章圖像采集當(dāng)選定好機(jī)器視覺的軟硬件平臺后,下一步就是圖像采集。本章將詳細(xì)討論基于USB 攝像頭的圖像采集和工業(yè)相機(jī)的圖像采集,大家可以根據(jù)手中硬件的不同而選讀不同的部分。從軟件的視角來看,盡管硬件不同,但編程的思路和模式是基本一致的。本文使用的工業(yè)相機(jī)是Panasonic的BP330,它是一款遵循CCIR標(biāo)準(zhǔn)的黑白相機(jī),圖像采集卡是NI公司的PCI-1407(任何標(biāo)準(zhǔn)制式的黑白模擬相機(jī)都可以接到PCI-1407。把相機(jī)連接到PCI-1407后,即可在MAX下找到PCI-1407,點(diǎn)擊Grab 按鈕,還可以采集到圖像,如圖3.1所示。 圖3.1 在MAX里面采集圖像如

3、果你使用的是USB 攝像頭,那么請參考Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.,運(yùn)行imaqUSB examples.llb中的Grab.vi。在軟硬件正常工作的情況下,可以看到從USB 攝像頭中傳出的圖像,如Error! Reference source not found.所示。在進(jìn)行機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)前,我們通常都會如上所示先驗(yàn)證軟硬件是否能正常工作,以便后續(xù)開發(fā)。3.1 采集單幅圖像3.1.1基于圖像采集卡的Snap操作采集單幅圖像是基本的圖像采集操作之一,對應(yīng)的動作叫Snap。每次Snap時(shí)

4、,圖像數(shù)據(jù)先從相機(jī)傳到圖像采集卡,然后再傳到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存(圖像處理緩沖區(qū)中去,如圖3.2所示。 圖3.2 Snap方式采集圖像過程Snap方式的圖像采集程序如圖3.3所示:第1步:調(diào)用IMAQ Init.vi完成圖像采集板卡的初始化工作。第2步:調(diào)用IMAQ Create.vi為圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。第3步:調(diào)用IMAQ Snap.vi從圖像采集板卡中讀入一幀圖像數(shù)據(jù),并把它放入先前創(chuàng)建的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,并放入Image中顯示。第4步:當(dāng)圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)被釋放后,我們在前面板上將看不到采集的圖像了,所以特地添加一個(gè)人為的延時(shí)程序,等待用戶停止。第5步:調(diào)用IMAQ Close.vi,釋放占有

5、的圖像采集板卡。第6步:調(diào)用IMAQ Dispose.vi,釋放占有的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 圖3.3 Snap范例程序單幅圖像采集的運(yùn)行結(jié)果,如圖3.4所示。 圖3.4 單幅圖像采集讀到這里,大家可能跟我一樣都有一個(gè)疑問,為什么必須有第二步和第六步,即創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和釋放圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。這是因?yàn)槊繋瑘D像的數(shù)據(jù)量都特別大,如果在處理圖像的過程中直接傳遞圖像數(shù)據(jù),則非常耗時(shí)。最好的方式是僅僅傳遞指向該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的引用。IMAQ Create.vi完成的就是創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并返回指向該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的引用的過程。3.1.2基于USB攝像頭的Snap操作USB攝像頭的Snap操作的程序?qū)崿F(xiàn)與上面的基本相

6、同,只需要用IMAQ USB函數(shù)選板中的函數(shù)替代相應(yīng)步驟即可,如圖3.5所示。 圖3.5 USB 攝像頭Snap范例程序USB設(shè)備在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚舉,所以USB攝像頭在進(jìn)行初始化前,需要先執(zhí)行第0步,枚舉系統(tǒng)中的USB攝像設(shè)備,接著:第1步:調(diào)用IMAQ USB Init.vi完成USB攝像設(shè)備的初始化工作。第2步:調(diào)用IMAQ Create.vi為圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。第3步:調(diào)用IMAQ USB Snap.vi從USB攝像設(shè)備中讀入一幀圖像數(shù)據(jù),并把它放入先前創(chuàng)建的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,并放入Image中顯示。第4步:當(dāng)圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)被釋放后,我們在前面板上將看不到采集

7、的圖像了,所以特地添加一個(gè)人為的延時(shí)程序,等待用戶停止。第5步:調(diào)用IMAQ USB Close.vi,釋放占有的USB攝像設(shè)備。第6步:調(diào)用IMAQ Dispose.vi,釋放占有的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。USB 攝像頭Snap范例程序運(yùn)行結(jié)果如圖3.6所示。 圖3.6 USB 攝像頭Snap范例程序運(yùn)行結(jié)果3.1.3使用Snap.vi進(jìn)行連續(xù)圖像采集的速度問題在實(shí)際工程應(yīng)用中,連續(xù)圖像采集的應(yīng)用占絕大多數(shù)。當(dāng)我們會使用Snap.vi后,很自然的想到最簡單的連續(xù)采集圖像實(shí)現(xiàn)方式是把Snap.vi放到While循環(huán)中,如圖3.7所示。 圖3.7 使用Snap進(jìn)行連續(xù)圖像采集在While循環(huán)中,加入可以

8、計(jì)算每次循環(huán)消耗的時(shí)間。運(yùn)行上述程序,可以看到使用Snap進(jìn)行連續(xù)圖像采集時(shí),獲得每幀圖像所消耗的時(shí)間高達(dá)120ms(不同的系統(tǒng),時(shí)間略有不同,如圖3.8所示。換句話說,在這種方式下,每秒鐘只能獲得大約8幀圖像,這種速度在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中是不能容忍的。 圖3.8 120ms采集一幀圖像為實(shí)現(xiàn)高速的連續(xù)圖像采集,NI Vision Module提供了一個(gè)專用于連續(xù)圖像采集的VI,IMAQ Grab Acquire.vi,。下節(jié)本文將詳述如何進(jìn)行連續(xù)圖像采集。3.2 采集連續(xù)圖像IMAQ Snap.vi運(yùn)行速度之所以會慢,是因?yàn)镮MAQ Snap.vi除了實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集的操作外,還實(shí)現(xiàn)了許多初始

9、化和資源釋放的操作,大家可以雙擊IMAQ Snap.vi,看看IMAQ Snap.vi的實(shí)現(xiàn)過程,如圖3.9所示。 圖3.9 IMAQ Snap.viPS.看NI提供的VI的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式是一種很好的學(xué)習(xí)方式。代碼閱讀了解了速度慢的原因后,很自然的想到,既然是連續(xù)采集,何不把許多雷同的初始化操作提取出去,在每次連續(xù)采集開始時(shí),僅做一次初始化就可以。為實(shí)現(xiàn)快速的連續(xù)圖像采集, NI Vision Module提供了兩個(gè)VI,一個(gè)是IMAQ Grab Setup.vi,另一個(gè)是IMAQ Grab Acquire.vi。IMAQ Grab Setup.vi負(fù)責(zé)每次連續(xù)采集前的初始化,IMAQ Grab

10、 Acquire.vi專注于圖像采集。3.2.1基于圖像采集卡的Grab操作基于圖像采集卡的連續(xù)圖像采集的實(shí)現(xiàn)代碼如圖3.10所示。 圖3.10 連續(xù)圖像數(shù)據(jù)采集第1步:調(diào)用IMAQ Init.vi完成圖像采集板卡的初始化工作。第2步:調(diào)用IMAQ Grab Setup.vi初始化Grab過程。第3步:調(diào)用IMAQ Create.vi創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。第4步:調(diào)用IMAQ Grab Acquire.vi快速采集圖像數(shù)據(jù)。第5步:調(diào)用IMAQ Close.vi,釋放占有的圖像采集板卡。第6步:調(diào)用IMAQ Dispose.vi,釋放占有的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。使用IMAQ Grab Acquire.

11、vi,采集每幀圖像的時(shí)間從120ms降到了40ms,如圖3.11所示。 圖3.11 IMAQ Grab Acquire運(yùn)行結(jié)果3.2.2基于USB攝像頭的Grab操作同上,USB攝像頭的Grab操作的程序也與基于圖像采集卡的實(shí)現(xiàn)過程基本相同,如圖3.12所示:第0步:調(diào)用IMAQ USB Enumerate Camera.vi枚舉USB攝像頭。第1步:調(diào)用IMAQ USB Init.vi完成USB攝像頭的初始化工作。第2步:調(diào)用IMAQ USB Grab Setup.vi初始化Grab過程。第3步:調(diào)用IMAQ Create.vi創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。第4步:調(diào)用IMAQ USB Grab Ac

12、quire.vi快速采集圖像數(shù)據(jù)。第5步:調(diào)用IMAQ USB Close.vi,釋放占有的USB攝像頭。第6步:調(diào)用IMAQ Dispose.vi,釋放占有的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 圖3.12 USB攝像頭的連續(xù)圖像采集過程使用IMAQ USB Grab Acquire.vi實(shí)現(xiàn)連續(xù)圖像采集后,采集每幀圖像的時(shí)間下降到了35ms毫秒左右,如圖3.13所示。 圖3.13 USB 攝像頭連續(xù)圖像采集結(jié)果3.3 多緩沖區(qū)采集方式從前面的章節(jié)中,我們學(xué)會了如何采集圖象。在高速圖象采集應(yīng)用中,我們會發(fā)現(xiàn)前面的Grab方式會存在一個(gè)問題,即當(dāng)圖象采集速度非常高時(shí),處理程序還來不及處理當(dāng)前的圖象,圖象緩沖區(qū)里面

13、的數(shù)據(jù)已經(jīng)被新的圖象數(shù)據(jù)所覆蓋了。為了解決采集緩沖區(qū)不足的問題,我們很自然的想到一個(gè)解決方案增加圖象采集緩沖區(qū)。NI-IMAQ提供了兩種多緩沖區(qū)的方式,一種是Sequence,另一種是Ring,如圖3.14所示。 圖3.14 多緩沖區(qū)圖象采集方式Sequence和Ring都是多緩沖區(qū)圖象采集方式,它們的區(qū)別是,Sequence是單次采集,而Ring是連續(xù)采集,類似Snap和Grab。在Ring方式下,當(dāng)一個(gè)buffer中的數(shù)據(jù)正在被處理時(shí),新采集到的圖象數(shù)據(jù)會更新到另外的Buffer中去。下面本文將依次介紹Sequence和Ring的實(shí)現(xiàn)方式。3.3.1Sequence圖象采集方式Sequen

14、ce圖象采集方式由IMAQ Sequence.vi實(shí)現(xiàn),如圖3.15所示。 圖3.15 IMAQ Sequence.viIMAQ Sequence.vi最重要的參數(shù)是Images In,如圖3.16所示。Images In是一個(gè)圖象數(shù)據(jù)緩沖區(qū)引用數(shù)組,里面包含了多個(gè)由IMAQ Create.vi創(chuàng)建的圖象數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的引用。只有知道多個(gè)圖象數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在哪里,IMAQ Sequence.vi才能完成多緩沖區(qū)模式的圖象采集。 圖3.16 IMAQ Sequence.vi參數(shù)Sequence圖象采集方式的完整實(shí)現(xiàn),大家可以參考范例程序中的HL Sequence.vi,如圖3.17所示。第1,4,5步是

15、大家熟悉的初始化圖象采集卡,釋放圖象采集卡和釋放圖象緩沖區(qū)的程序。第2步是調(diào)用IMAQ Create.vi創(chuàng)建多個(gè)圖象數(shù)據(jù)緩沖區(qū),需要注意的是,多個(gè)圖象數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的名字必須不一樣。第3步是調(diào)用IMAQ Sequence.vi采集多幀圖象數(shù)據(jù),當(dāng)指定數(shù)量的圖象采集完畢后, IMAQ Sequence.vi會返回并結(jié)束Sequence采集過程。 圖3.17 HL Sequence.vi3.3.2Ring圖象采集方式Ring圖象采集方式需要由三個(gè)VI來實(shí)現(xiàn),它們分別是:,和。IMAQ Configure List.vi完成緩沖區(qū)列表的配置,告訴驅(qū)動程序緩沖區(qū)的數(shù)量(Number of buffers

16、,以連續(xù)還是單次的方式進(jìn)行圖象采集(Continuous?以及緩沖區(qū)的位置(Memory Location。IMAQ Configure Buffer.vi把創(chuàng)建好的圖象緩沖區(qū)分配到緩沖區(qū)列表的對應(yīng)位置上。IMAQ Extract Buffer.vi把采集到的圖象從緩沖區(qū)中提取出來,為后續(xù)圖象處理做準(zhǔn)備。與上節(jié)思路相同,我們打開范例程序中的LL Ring.vi,學(xué)習(xí)Ring圖象采集方式的實(shí)現(xiàn)方法,如圖3.18所示(由于文檔寬度的關(guān)系,僅把關(guān)鍵部分代碼進(jìn)行截圖分析,以下同。 圖3.18 LL Ring.vi第一步,調(diào)用IMAQ Configure List.vi告訴驅(qū)動程序是以Continuou

17、s的方式進(jìn)行圖象采集,緩沖區(qū)的位置在System就是開發(fā)應(yīng)用程序的主機(jī)上。第二步,調(diào)用IMAQ Configure Buffer.vi把創(chuàng)建好的圖象緩沖區(qū)關(guān)聯(lián)到緩沖區(qū)列表的對應(yīng)位置上。第三步,調(diào)用IMAQ Start.vi開啟一個(gè)圖象采集的過程,需要注意的是,在調(diào)用IMAQ Start.vi前,必須調(diào)用IMAQ Configure List.vi和IMAQ Configure Buffer.vi來配置采集過程。第四步,調(diào)用IMAQ Extract Buffer.vi從緩沖區(qū)中把圖象提取出來。第五步,把IMAQ Extract Buffer.vi的Buffer to Exact參數(shù)設(shè)置為-1表示

18、釋放當(dāng)前被提取的緩沖區(qū)。IMAQ Extract Buffer.vi在提取圖象數(shù)據(jù)時(shí)會對當(dāng)前被提取的緩沖區(qū)進(jìn)行保護(hù),所以當(dāng)采集過程完成時(shí),需要釋放當(dāng)前被保護(hù)的緩沖區(qū)。Ring圖象采集方式實(shí)現(xiàn)的主要過程如上所述,其余步驟就是大家已經(jīng)熟悉的初始化圖象采集硬件,釋放圖象采集硬件和釋放緩沖區(qū)了。3.4 觸發(fā)很多機(jī)器視覺應(yīng)用,比如生產(chǎn)線上的產(chǎn)品外觀檢測,并不需要一直在采集圖象,而是當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到檢測位置后,才采集圖象并進(jìn)行分析。3.4.1觸發(fā)信號類型一般來說,圖象采集卡都支持外觸發(fā),NI的圖象采集卡也不例外,如圖3.19所示。 圖3.19 PCI-1409 Trigger信號圖3.19是圖象采集卡PCI-1

19、409的外部觸發(fā)信號的說明。觸發(fā)信號不僅可以啟動一個(gè)圖象采集過程,還能停止一個(gè)圖象采集過程。通過TRIG端口,NI的圖象采集卡不僅能接收外部的觸發(fā)信號,還能向外部設(shè)備發(fā)出觸發(fā)信號,如圖3.20所示。 圖3.20 輸出觸發(fā)信號圖3.20中,程序通過調(diào)用IMAQ Trigger Drive2.vi向外部輸出觸發(fā)信號,觸發(fā)信號的驅(qū)動信號為Vertical Synchronization Signal(也可以為其它。圖3.20的下半部分是用示波器抓捕到的觸發(fā)信號。除了支持外部觸發(fā)信號外,NI的圖象采集卡還可以通過RTSI線和PXI總線傳遞觸發(fā)信號,這種特性可以方便系統(tǒng)集成工程師實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動控制卡和數(shù)據(jù)采

20、集卡的高速可靠的同步。觸發(fā)信號類型可以在參數(shù)Trigger Type中選擇,如圖3.21所示。 圖3.21 選擇觸發(fā)信號類型3.4.2觸發(fā)方式圖象采集的實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號雖然種類繁多,但使用起來卻非常簡單,需要記住的一個(gè)原則“在開始采集圖象前必須先配置好觸發(fā)信號”。與上節(jié)思路相同,我們打開范例程序中的HL Triggered Snap.vi,學(xué)習(xí)觸發(fā)方式圖象采集方式的實(shí)現(xiàn)方法,如圖3.22所示。 圖3.22 HL Triggered Snap.vi從圖3.22中,我們可以看出,相比基本的Snap采集方式,觸發(fā)方式下的Snap采集方式僅僅多使用了IMAQ Configure Trigger2.vi對觸

21、發(fā)進(jìn)行了配置。它告訴驅(qū)動程序觸發(fā)信號是什么類型(Trigger Type,觸發(fā)信號從哪個(gè)觸發(fā)端口進(jìn)入(Trigger Number以及當(dāng)觸發(fā)信號有效后,完成什么動作(Trigger start of acquisition。盡管觸發(fā)信號的使用方式很多,很容易產(chǎn)生一種學(xué)起來很難的感覺,不過不要擔(dān)心,在NI的范例查找器里面,可以找到所有觸發(fā)信號使用方式的范例程序,如所示,參考范例程序就可以大大縮短學(xué)習(xí)曲線。 圖3.23 使用觸發(fā)信號的范例程序到這里,圖象的采集過程就介紹完畢了,希望對大家的日常開發(fā)工作有所幫助 ,下面將介紹圖象采集到計(jì)算機(jī)后如何保存以及如何從圖象文件中讀取數(shù)據(jù)。3.5 圖像保存與讀

22、取在上面的章節(jié)中,已經(jīng)完整的介紹了如何把圖像采集到計(jì)算機(jī)中。當(dāng)我們獲得圖像數(shù)據(jù)后,在后續(xù)處理中,最常做的操作就是圖像的保存與讀取。LabVIEW的NI-Vision模塊里面提供了一組圖像文件操作VI,如圖3.24所示。我們只需要調(diào)用一兩個(gè)VI,便可以方便的保存和讀取圖像了。 圖3.24 圖像文件操作VI圖像文件操作VI支持讀寫的圖像文件格式有BMP、JEPG、JEPG2000、PNG、PNG with Vision info和TIFF。3.5.1圖像文件格式簡介BMP:Windows 位圖文件。Windows 位圖可以用任何顏色深度(從黑白到24 位顏色存儲單個(gè)光柵圖像。Windows 位圖文

23、件格式與其他Microsoft Windows 程序兼容。它不支持文件壓縮,也不適用于Web 頁。從總體上看,Windows 位圖文件格式的缺點(diǎn)超過了它的優(yōu)點(diǎn)。為了保證照片圖像的質(zhì)量,請使用PNG 文件、JPEG 文件或TIFF 文件。BMP 文件適用于Windows 中的墻紙。優(yōu)點(diǎn):BMP 支持1 位到24 位顏色深度。BMP 格式與現(xiàn)有Windows 程序(尤其是較舊的程序廣泛兼容。缺點(diǎn):BMP 不支持壓縮,這會造成文件非常大。BMP 文件不受Web 瀏覽器支持。PNG:可移植網(wǎng)絡(luò)圖形PNG 圖片以任何顏色深度存儲單個(gè)光柵圖像。PNG 是與平臺無關(guān)的格式。優(yōu)點(diǎn):PNG 支持高級別無損耗壓縮

24、;PNG 支持alpha 通道透明度;PNG 支持伽瑪校正;PNG 支持交錯(cuò);PNG 受最新的Web 瀏覽器支持。缺點(diǎn):較舊的瀏覽器和程序可能不支持PNG 文件。作為Internet 文件格式,與JPEG 的有損耗壓縮相比,PNG 提供的壓縮量較少。作為Internet 文件格式,PNG 對多圖像文件或動畫文件不提供任何支持。GIF 格式支持多圖像文件和動畫文件。JPEG:聯(lián)合圖像專家組JPEG 圖片以24 位顏色存儲單個(gè)光柵圖像。JPEG 是與平臺無關(guān)的格式,支持最高級別的壓縮， 不過， 這種壓縮是有損耗的。 漸近式 JPEG 文件支持交錯(cuò)， 可以提高或降低 JPEG 文件壓縮的級別。 但是

25、， 文件大小是以圖像質(zhì)量為代價(jià)的。 壓縮比率可以高達(dá) 100:1。 （JPEG 格式可在 10:1 到 20:1 的比率下輕松地壓縮文件，而圖片質(zhì)量不會下降。 ）JPEG 壓縮可以 很好地處理寫實(shí)攝影作品。但是，對于顏色較少、對比級別強(qiáng)烈、實(shí)心邊框或純色區(qū)域大的 較簡單的作品，JPEG 壓縮無法提供理想的結(jié)果。有時(shí)，壓縮比率會低到 5:1，嚴(yán)重?fù)p失了 圖片完整性。這一損失產(chǎn)生的原因是， JPEG 壓縮方案可以很好地壓縮類似的色調(diào)，但是 JPEG 壓縮方案不能很好地處理亮度的強(qiáng)烈差異或處理純色區(qū)域。 優(yōu)點(diǎn)： 攝影作品或?qū)憣?shí)作品支持高級壓縮。利用可變的壓縮比可以控制文件大小。支 持交錯(cuò)（對于漸近式

26、 JPEG 文件） 。JPEG 廣泛支持 Internet 標(biāo)準(zhǔn)。 缺點(diǎn)：有損耗壓縮會使原始圖片數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。當(dāng)您編輯和重新保存 JPEG 文件時(shí)， JPEG 會混合原始圖片數(shù)據(jù)的質(zhì)量下降。這種下降是累積性的。JPEG 不適用于所含顏色很 少、具有大塊顏色相近的區(qū)域或亮度差異十分明顯的較簡單的圖片。 TIFF：標(biāo)記圖像文件格式 標(biāo)記圖像文件格式 （TIFF、 TIF） 用于在應(yīng)用程序和計(jì)算機(jī)平臺之間交換文件。 與 BMP 文件格式一樣， TIFF 不對圖像進(jìn)行壓縮。 在出版和印刷行業(yè)最常用的圖像文件格式就是 TIFF。 優(yōu)點(diǎn)：圖像品質(zhì)高，適合印刷出版，高端相機(jī)都支持 TIFF 格式。 缺點(diǎn)：文件占用空間大，一個(gè) 500 萬像素的數(shù)碼相機(jī)拍出來的 TIFF 文件