基于PCI_1424圖像采集卡的虛擬儀器設(shè)計

1、基于 PCI -1424圖像采集卡的虛擬儀器設(shè)計*郭瑞 , 劉學斌(中國科學院西安 光學精密機械研究所 , 西安 710068摘要 虛擬儀器是計算機和儀 器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物 , 它將計算機硬件資源、 儀器與測控系統(tǒng)硬件資源和 虛擬儀器軟件資源有效結(jié)合起來?；?P CI -1424圖像采集卡的虛 擬儀器設(shè)計實現(xiàn)了對圖像數(shù) 據(jù)采集、 存 儲、 門限處理、 重心點定位 的功能。關(guān)鍵詞 虛擬儀器 ; LA BV IEW; PCI-1424圖像采集卡 ; 數(shù)據(jù)采 集 中圖分類號 TP 391. 41 文獻標識碼 AVirtual Instrument Design Based on IMAQ PC

2、I -1424G U O Rui, LI U Xue-bin(Xi an institute o f optics and pr ecision mechanics of CA S , Xi'an 710068, China Abstract :T he V ir tual Instrument result s fro m t echnique o f elect ro nic measurement and co mputer . It combinedcomputer har dw ar e, measur ement and it s har dwar e, and softw

3、 ar e of v ir tual inst rument. T he V ir tua l Instr ument based o n P CI-1424IM A Q has been achiev ed image data acquisit ion, data sto rag e, thr esho ld filter and the bar ycenter coo rdinate o f the imag e .Key words :v ir tual instr ument ; L A BV IEW ; P CI -1424imag e data acquisit ion car

4、d; data acquir e1引言虛擬儀器 (Virtual Instr um ent , 簡稱 VI 是 一種以計算機為核心 , 計算機軟件為輔助與測試 系統(tǒng)相結(jié)合的測試方法 ; 即在以計算機為核心的 硬件平臺上 , 由用戶設(shè)置定義該虛擬儀器的功 能 , 由軟件來實現(xiàn)其測試功能 , 并可通過計算機 屏幕上顯示出的虛擬儀器的面板看到測試結(jié)果。2實現(xiàn)目標圖像的提取和定位的 虛擬儀器設(shè)計2. 1功能要求虛擬儀器應實現(xiàn)的功能如圖 1所示 :圖 1虛擬儀器工作流程圖通過 CCD 相機讀取圖像數(shù)據(jù) ; 根據(jù)原始灰 度數(shù)據(jù)計算閾值 , 提取出目標圖像 ; 由目標圖像的數(shù)據(jù)計算圖像的重心坐標。 2. 2

5、使用工具CCD 相機 :PU LNIX TM -1010相機 (高分 辨率漸進式掃描相機 ; 其 A/D 轉(zhuǎn)換器的每個像 素點 10bit A /D convert ; 數(shù)字輸出從 RS -422串 口輸出 , 其最大掃描速度是 15幀 /秒。圖像采集卡 :IM AQ PCI-1424高質(zhì)數(shù)字圖 像采集卡是插卡式結(jié)構(gòu) , 進行硬件安裝時只需將 數(shù)據(jù)采集卡插入 PC 機的標準總線擴展槽即可 , 因此這一類的虛擬儀器又被稱為 PC-DAQ /PCI 插卡式虛擬儀器 ; 另外要根據(jù)實際測量需要對采 集卡的參數(shù)進行設(shè)置 , 這就是圖像采集卡的軟件 驅(qū)動。 IMAQ PCI -1424是通過 abVIE

6、W 自帶的 MAX (M easurement &Autom ation Ex plo rer 來設(shè)置的。2. 3虛擬儀器的設(shè)計2. 3. 1虛擬儀器前面板的設(shè)計前面板是交互式用戶界面 用戶與程序 代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口 , 用戶可以通過前面板的顯 示器 (indicato r 看到程序運行的結(jié)果 (輸出 , 并69 第 25卷第 1期 彈 箭 與 制 導 學 報可以通過前面板的控制器 (controls 來改變程序 中某些參數(shù)的設(shè)置 (輸入 。虛擬儀器的前面板上顯示了 PCI _1424采集卡在計算機 上配置的通道號 (channel , 設(shè)置 為 0 和通道名稱 (interface

7、name , im aq 0 , 以及 關(guān)于所采集圖像的參數(shù)。 首先可以看到讀入圖像 矩 陣 的 行 數(shù) (Y Resolutio n 和 列 數(shù) (X Reso lution 分別是 150行、 200列 ; 針對原始圖 像 每一 點的 灰度 值可 以通 過 前面 板上 Im age pix el(數(shù)組框圖 查出 ; 原始圖像灰度值分布情 況 可 以 通 過 前 面 板 上 的 3D 顯 示 圖 (3D Param etric Surface 觀察 , 從框圖右邊的 3D 圖形 可看出灰度值分布是由四周向中間逐層次的增 加 , 而且在中心位置處灰度值呈均勻分布狀 ; 前 面板上還可看出圖像的

8、門限灰度值為 534. 22, 以 及圖像采集工作最終的結(jié)果圖像的重心坐標為 (76. 31, 101. 09 。使用虛擬儀器前面板進行圖像采集的實驗 非常方便 , 用戶只需要配置好數(shù)據(jù)進入的通道 , 啟動前面板的運行按鈕就可很快從 3D 顯示中看 到圖像灰度值的分布狀況 , 詳細察看每一個灰度 值點在圖像中的位置 (查找每個像素點的坐標 , 并且得到圖像的中心位置。2. 3. 2虛擬儀器程序流程圖的設(shè)計虛擬儀器程序流程圖是虛擬儀器設(shè)計的重 要部分 , 由五個框圖分別完成不同的功能 , 組合 起來就可以實現(xiàn)前面板的功能。 框圖實際上是程 序代碼的圖形表示 (Labview 中的框圖就是源代 碼

9、 , 以下是各框圖功能的介紹。流程 1如圖 2所示。這一部分要完成 4個功 能。首先調(diào)用圖像采集子程序 (snap. vi 將 CCD 拍到的圖像通過 PCI_1424采集卡讀入計算機 , 并將原始圖像數(shù)據(jù)存文本文檔中 ; 其次下載圖像 采集的配置文件來配置 PCI _14采集卡 , 并對圖 象采集卡進行初始化 (IM AQ Init ; 再次同時在 圖像屬性節(jié)點 (Pro perty Node 處設(shè)置圖像類型 為整型 (Init , 并設(shè)置圖像采集通道為 channel 0, 圖 像采 集 矩 陣大 小 設(shè) 為 (200*150 ; 最 后用 w rite to spr eadsheetfi

10、le 子程序定義虛擬儀器保 存原始圖像數(shù)據(jù)文件的路徑和文件名。流程 2如圖 3所示 , 其主要功能是在前面板 上 顯 示 灰 度 值 的 3D 分 布。 通 過 調(diào) 用 3D Param etric Sur face 子程序?qū)⒉杉降淖鴺伺c灰 像的坐標、 灰度值用 build array 綁定后保存到設(shè) 置好的文本文檔中 , 以便于使用者查找有用信 息。圖 2 虛擬儀器對圖像采集卡進行初始化圖 3用 3D 圖形顯示圖像灰度值分布圖 4計算灰度門限值圖 5圖像灰度值與門限值進行比較圖 6計算目標圖像的重心坐標流程 3如圖 4所示是完成計算目標圖像的平 均灰度值的功能。 用兩個 for 循環(huán) (圖

11、 6中兩個套 在一起的方框即表示 for 循環(huán) , 中間有一個累加 器 把圖像所有的灰度值累加 , 除以圖像所有的 像素點數(shù) (200*150 。另外根據(jù)多次實驗 , 使通 過門限值后圖像有較高的質(zhì)量 , 故最終的灰度門 限值是平均灰度值乘以參考系數(shù) 1. 5后得到的 結(jié)果。流程 4如圖 5所示 , 在這一幀中要進行灰度70 彈 箭 與 制 導 學 報 2005年的灰度值。將大于門限值的灰度值點輸出 , 并分 別以 1D 和 2D 的形式保存在文本文檔中 , 方便查 閱和在 Matlab 等其它軟件中調(diào)用 ; 低于門限值 的灰度值點輸出一律以 0表示。流程 5如圖 6所示用來完成計算圖像重心的

12、 工作。根據(jù)下面三個公式 x =A (x , y R x , y =A (x , y Ry ,A = (x , y R1來計算目標圖像的重心坐 標。其中 x , y 分別是目標圖像的中心 , A 表示目 標圖像的面積 , R 是目標圖 像所有點坐標的集 合。2. 3. 3 LABVIEW 運行結(jié)果用一個燈泡作為目標光源進行圖像采集 , 得 到的圖像如圖 7右圖所示 , 有發(fā)散狀光線 ; 圖 7中 左圖顯示的是經(jīng)過門限值濾波后的目標圖像 , 可 以看到輪廓清晰 , 黑白對比明顯 , 這說明通過虛 擬儀器濾除了低于門限值的灰度 , 留下感興趣的 目標光斑 , 而且由于低于門限值的灰度輸出一律 以

13、0輸出 , 則所看到的目標光斑更加清晰明確。 在這次試驗中所計算得到的目標圖像的重心坐 標為 (101. 09, 76. 31 。由于光線是動態(tài)變化的 , 因此隨著時間不同 , 采集卡每次采到的圖像數(shù)據(jù) 會有不同 , 其重心坐標也會隨之變化 , 但在圖 7虛擬儀器輸出的圖像與原圖比 較短時間內(nèi)幾次對目標圖像進行采集得到的數(shù)據(jù) 和重心位置基本不變。 例如圖示的目標圖像幾次 采集的結(jié)果重心位置都在 (100, 76 左右變化。3結(jié)論圖像的采集定位用虛擬儀器的方法來研究圖像的采集定位是這幾年剛開始的工作?；?PCI-1424圖像采集卡的虛擬儀器使用簡單 , 觀 察 直接 , 通過 PU LNIX

14、TM -1010相機可以動態(tài) 的捕捉圖像 , 如果將圖像坐標和經(jīng)緯度聯(lián)系起來 就可以完成從空間到地面圖像采集定位的功能。另外虛擬儀器所用的圖形化編程方法簡單、 直觀、 高效。 在硬件開發(fā)情況下 , 可用虛擬儀器技 術(shù)與計算機相結(jié)合檢查硬件電路調(diào)試過程中輸 出情況 , 如了解輸出波形是否正常 , 電路是否按 要求工作等 , 對有問題的地方及時進行修改 ; 也 可以用虛擬儀器技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器 , 作為頻譜發(fā) 生器、 數(shù)字示波 器等儀器應用于電路調(diào)試過程 中。 虛擬儀器技術(shù)的使用極大的降低了硬件電路 開發(fā)的成本和周期 , 在電子技術(shù)研發(fā)中的優(yōu)勢正 引起越來越多人的重視。參考文獻 1劉君華 , 郭會軍 , 趙向陽 , 賈惠芹 . 基 于 L abV IEW的 虛 擬儀器 的設(shè) 計 M . 北京 :電 子工 業(yè)出 版社 , 20