基于LabVIEW和USB攝像頭的圖像采集與處理

金雨+李紅莉

摘 要： 為了實現(xiàn)實時的圖像采集與處理，利用通過基于LabVIEW軟件平臺和NI?IMAQ Vision函數(shù)工具包，探討如何通過通用USB攝像頭進行圖像采集和處理的方法。包括如何快速搭建軟件平臺、如何進行單一圖像的抓取及圖像的常規(guī)處理，灰度、二值和增強處理，以及如何獲得連續(xù)的視頻圖像采集和壓縮。該方法相比于其他圖像獲取與處理手段，其具有無法比擬的優(yōu)勢。它成本低廉，相對于其他語言的實現(xiàn)方法其編程具有極高的效率，并且該方法能滿足一般工業(yè)、醫(yī)用和民用需求。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； USB攝像頭； 圖像采集； 圖像處理

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0067?04

Image acquisition and processing based on LabVIEW and USB camera

JIN Yu1， LI Hongli2

（1. Xuancheng Branch of Hefei University of Technology， Xuancheng 242000， China； 2. Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： To achieve real?time image acquisition and processing， the method of image acquisition and processing by using USB camera is discussed on the basis of LabVIEW software platform and NI?IMAQ Vision function toolkit. This method includes how to construct software platform quickly， capture the single image， deal with image common processing （grey scale， binary and enhancement processing）， and obtain continuous video image acquisition and compression. Compared with other image acquisition and processing means， this method has incomparable advantages. This method has cost low， and high program efficiency relative to other languages implementation methods， and can satisfy the requirements of general industrial， medical and civil use.

Keywords： LabVIEW； USB camera； image acquisition； image processing

0 引 言

視頻采集可將連續(xù)的模擬信號圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻，并按數(shù)字視頻文件的格式保存。盡管人眼的分辨力較高，有較好的色彩區(qū)分和圖像識別能力，但人眼的識別與區(qū)分功能也是有限的，一些圖像對于人眼來說較為復(fù)雜。圖像、圖形是所有視覺信息的載體，而數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）技術(shù)可以幫助人們更客觀、準確地認識世界，通過圖象增強技術(shù)，可以使模糊甚至不可見的圖像變得清晰明亮，數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛深入地應(yīng)用于科技發(fā)展的各個領(lǐng)域。

隨著測控技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻采集和數(shù)字圖像處理成為測控技術(shù)中的重要一環(huán)，作為對被測對象的識別、分析的最佳手段，是工程人員需要掌握的核心技術(shù)之一。視頻采集卡是視頻采集工作中的主要設(shè)備，而目前視頻采集卡成本普遍較高[1]，加之?dāng)?shù)字圖像處理難度較大，常常使得普通用戶望而卻步。

本文介紹一種基于NI公司提供的LabVIEW圖形化編程軟件平臺以及Vision Acquisition Software和Vision Development Module工具包，采用通用USB攝像頭進行圖像采集和圖像處理的具體實現(xiàn)方法，以方便用戶低成本、簡便地獲取所需要的圖像信息。

1 建立基于LabVIEW的圖像采集平臺

利用LabVIEW對通用USB攝像頭視頻圖像進行采集和處理的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中，通用USB攝像頭安裝后，可以在計算機的“設(shè)備管理器”的“通用串行總線控制器”中查看相關(guān)的USB攝像頭信息。攝像頭驅(qū)動軟件一般為系統(tǒng)自動安裝，特殊情況下需使用者自行手動下載安裝。

基于LabVIEW的圖像采集系統(tǒng)中，NI公司提供的LabVIEW圖形化編程環(huán)境作為程序開發(fā)的基本平臺。NI?VISA是一個用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口（API），包含VISA的全套驅(qū)動程序、開發(fā)包、相關(guān)文檔及美國國家儀器公司（NI）提供的一個控制軟件Measure? ment & Automation Explorer（MAX）。安裝了NI?VISA，LabVIEW即可訪問計算機上的設(shè)備和接口。IMAQ Vision是LabVIEW的視覺開發(fā)工具包，是一個具有強大功能的函數(shù)庫，提供了在LabVIEW平臺上進行圖像采集、機器視覺系統(tǒng)開發(fā)時所需的各類子程序[2?3]。

圖1 系統(tǒng)組成

安裝后，可在“視覺與運動”函數(shù)子選板下看到可用的函數(shù)和VI庫，同時在“NI MAX” 中可查看攝像設(shè)備是否已可以在LabVIEW下調(diào)用[4]。IMAQ Vision模塊中的IMAQ用于NI自己的攝像機，IMAQdx用于非NI的USB，1394，GigE Vision視頻設(shè)備。用于USB攝像頭的NI?IMAQdx能夠?qū)崿F(xiàn)從任意具有DirectShow支持的USB成像設(shè)備上采集圖像，可以選擇一次或連續(xù)圖像采集。VDM（Vision Development Module）用于圖像處理，該工具包也需要單獨安裝。安裝后，前面板Vision列表中會增加IMAQ視覺模塊和機器視覺模塊兩個控件模塊，后面板的“視覺與運動”中將增加圖像處理和機器視覺兩個模塊。

通過調(diào)用IMAQ Vision和VDM下的相關(guān)函數(shù)和VI編寫相應(yīng)的圖像采集和處理用戶程序，控制通用USB攝像頭抓拍或者連續(xù)采集圖像，保存圖像文件，并對圖像進行壓縮和灰度、二值化及增強等圖像處理。可見，該系統(tǒng)硬件選用簡單，側(cè)重軟件設(shè)計，且有工具包可以輔助編程，因此功能實現(xiàn)方便，開發(fā)周期短，成本低。

2 圖像采集

2.1 USB攝像頭圖像抓取

USB攝像頭圖像抓取程序包括兩個事件：一是抓取圖像并輸出到圖像顯示窗口；二是將抓取的圖像存儲到文件。程序執(zhí)行的過程是首先打開所選擇的攝像頭，創(chuàng)建臨時圖像存儲空間，啟動圖像抓取，如果拍照按鈕沒有按下，則將獲取到的當(dāng)前幀送圖像顯示窗口顯示；如果拍照按鈕按下，則將獲取的當(dāng)前幀以“.JEPG”格式保存到文件。后面板程序如圖2所示，運行結(jié)果如圖3所示。通過該方法能夠快速地獲得所需單幅圖像并存儲。

圖2 USB攝像頭圖像抓取程序

圖3 USB攝像頭圖像抓取程序運行結(jié)果

2.2 連續(xù)視頻圖像采集

連續(xù)視頻圖像采集程序如圖4所示。首先打開所選擇的攝像頭，創(chuàng)建臨時圖像存儲空間，根據(jù)文件路徑對話框所選擇的文件創(chuàng)建“.AVI”文件，開啟圖像抓取，獲取當(dāng)前幀并送圖像顯示窗口顯示，同時將獲取的當(dāng)前幀保存到“.AVI”文件。單擊退出按鈕，關(guān)閉攝像頭，關(guān)閉“.AVI”文件，清空圖像存儲空間。連續(xù)視頻圖像采集運行結(jié)果如圖5所示，通過該方法能夠方便地獲得連續(xù)的視頻圖像。

3 圖像處理

3.1 圖像壓縮

由數(shù)字化得到的一幅圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，一幅典型的數(shù)字圖像通常由640×480，1 024×768或更高個像素組成。如果是動態(tài)圖像，則其數(shù)據(jù)量更大，因而圖像壓縮對于圖像的存儲和傳輸都十分必要。有兩類壓縮算法，即無損壓縮和有損壓縮[5]。最常用的無損壓縮算法是通過取空間或時間上相鄰像素值的差，再進行編碼；有損壓縮算法大都采用圖像變換的方法，例如對圖像進行快速傅里葉變換或離散的余弦變換。圖像壓縮國際標(biāo)準JPEG和MPEG均屬于有損壓縮算法，前者用于靜態(tài)圖像，后者用于動態(tài)圖像。

圖4 連續(xù)視頻圖像采集程序

圖5 連續(xù)視頻圖像采集程序運行結(jié)果

通過設(shè)置IMAQ AVI Create子VI的視頻編碼（Compression Filter）方式可實現(xiàn)視頻圖像壓縮。AVI（Audio Video Interleaved）是微軟公司推出的一種視頻格式，可以采用不同的編碼器進行視頻壓縮，一般情況下系統(tǒng)都帶有一些編碼器，只要輸入正確的名稱即可使用這些編碼器進行視頻壓縮[6]。為了獲取解碼器名稱，使用LabVIEW自帶的IMAQ AVI Get Filter Names子VI實現(xiàn)，如圖6所示，獲取到的編碼器名稱如圖7所示。

[圖6 獲取編碼器名稱程序 圖7 獲取到的編碼器名稱]

對于采集3 min的視頻圖像，不采用壓縮算法文件大小約為2 GB；采用MJPEG Compressor壓縮算法時文件大小約為400 MB；采用DV Video Encoder壓縮算法時文件大小為100 MB。可見選擇不同的壓縮編碼算法，得到的壓縮比不同。

3.2 圖像處理

數(shù)字圖像處理是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。NI公司的Vision Development Module結(jié)合IMAQ Vision后，就形成了一套包含各種圖像處理函數(shù)的功能庫，它將400多種函數(shù)集成到LabVIEW開發(fā)環(huán)境中，為圖像處理提供了完整的開發(fā)功能[7]。這里通過圖像灰度處理、圖像二值化處理、圖像增強簡要介紹如何使用LabVIEW的Vision Development Module進行圖像處理。

3.2.1 圖像灰度處理

將彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像的過程稱為圖像的灰度化處理。利用IMAQ Extract Single Color Plane VI很容易實現(xiàn)圖像的灰度化處理，程序如圖8所示。首先為讀取的圖像文件創(chuàng)建臨時圖像存儲空間，從圖像文件中讀取圖像，一路直接送圖像顯示窗口，一路經(jīng)圖像類型轉(zhuǎn)換VI，將RGB圖像顏色空間轉(zhuǎn)換成HSL圖像顏色空間，然后經(jīng)圖像提取VI提取出灰度圖像送灰度圖像顯示。其中用到的參數(shù)HSL色彩模式是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準，是通過對色相（H）、飽和度（S）、明度（L）三個顏色變量的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色[8]。這個標(biāo)準幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運用最廣的顏色系統(tǒng)之一。圖像灰度處理結(jié)果如圖9所示。

圖8 圖像灰度處理程序

圖9 圖像灰度處理結(jié)果

3.2.2 圖像二值化處理

圖像的二值化處理是將圖像上各點的灰度置為0或255，這樣整個圖像將呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。即將256個亮度等級的灰度圖像通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。將3.2.1中得到的灰度圖像再經(jīng)過圖像閾值處理函數(shù)（IMAQ Threshold VI）即可得到二值化圖像。程序如圖10所示，運行結(jié)果如圖11所示。

圖10 圖像二值化處理程序

圖11 圖像二值化處理結(jié)果

3.2.3 圖像增強

圖像增強指按特定的需要突出一幅圖像的某些信息，同時削弱或去除某些不需要信息的處理方法，是圖像處理的最基本手段，是各種圖像分析與處理時的預(yù)處理過程。圖像增強的目的是通過對圖像灰度作修正，改善圖像的視覺效果，提供直觀、清晰、適合于分析的圖像。LabVIEW通過IMAQ BCGLookup VI實現(xiàn)圖像的增強，程序見圖12。從圖像文件中直接讀取圖像的灰度信息，并顯示原圖像的灰度圖像，將灰度圖像送給圖像增強函數(shù)進行增強處理。圖像增強運行結(jié)果見圖13。

圖12 圖像增強程序

圖13 圖像增強結(jié)果

4 結(jié) 語

NI?IMAQ能夠從任一DirectShow成像設(shè)備上對圖像進行采集，此類設(shè)備包括：USB攝像頭、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、顯微鏡、掃描儀和諸多消費者級的成像產(chǎn)品。用戶可借助NI?IMAQ配置自身設(shè)備，利用LabVIEW開發(fā)所需的圖像采集處理軟件，結(jié)合NI視覺開發(fā)模塊，使用者可利用濾波器、二進制形態(tài)學(xué)、模式匹配和色彩檢測等上百種圖像處理工具分析圖像。

除此之外，利用LabVIEW實現(xiàn)的圖像采集與處理還可以為工業(yè)檢測、測量提供極其簡便的操作及顯示界面，縮減了利用其他編程語言所需的龐大工作量，這不僅降低了編程人員的工作時間，也提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率并能有效降低其成本。

參考文獻

[1] 于子江，婁洪偉，于曉，等.LabVIEW應(yīng)用于實時圖像采集及處理系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007，23（13）：98?100.

[2] National Instruments. NI?IMAQ for USB cameras user guide [R]. USA： National Instruments， 2005.

[3] National Instruments. NI vision for LabVIEW user manual [R]. USA： National Instruments， 2005.

[4] 廖傳書，黃道斌，孫旦均，等.LabVIEW與USB的直接數(shù)據(jù)通信[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（20）：4?6.

[5] 熊云鵬，韓淼，李倩.基于LabVIEW的圖像壓縮的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（16）：169?171.

[6] 吳仁濤，姜云海，左建勇.基于LabVIEW平臺的USB視頻采集方法與應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（3）：80?83.

[7] 闞鈺淇，張寧，徐熙平.LabVIEW平臺下USB圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（6）：80?82.

[8] 劉曉樂，王素華.灰度圖像基本處理及實現(xiàn)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，22（2）：50?52.