LabVIEW應用于實時圖像采集及處理系統(tǒng)

     摘 要：本文在LabVIEW和NI-IMAQ Vision軟件平臺下，利用通用圖像采集卡開發(fā)一種圖像實時采集處理虛擬儀器系統(tǒng)。通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫驅(qū)動通用圖像采集卡完成圖像采集，采集圖像的幀速率達到25幀每秒。利用NI-IMAQ Vision視頻處理模塊，進行圖像處理，以完成光電探測器的標定。該系統(tǒng)具有靈活性強、可靠性高、性價比高等優(yōu)點。

　　1.引言

　　美國國家儀器（NI）公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW，使用圖形化編程語言編程，界面友好，簡單易學，配套的圖像處理軟件包能提供豐富的圖像處理與分析算法函數(shù)，極大地方便了用戶，使構建圖像處理與分析系統(tǒng)容易、靈活、程序移植性好，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。在推出應用軟件的基礎上，NI公司又推出了圖像采集卡，對于NI公司的圖像采集卡，可以直接使用采集卡自帶的驅(qū)動以及LabVIEW中的DAQ庫直接對端口進行操作。

　　但由于NI公司的圖像采集卡成本很高，大多用戶難以接受，因此硬件平臺往往采用通用圖像采集卡，軟件方面的圖像處理程序仍采用LabVIEW以及視頻處理模塊編寫。本文正是基于這樣的目的，提出了一種在LabVIEW環(huán)境下驅(qū)動通用圖像采集卡的方案，在TDS642EVM高速DSP視頻處理板卡的平臺下，完成實時圖像采集及處理。

　　在圖象處理的工作中主要完成對CCD光電探測器的輻射標定。由于探測器在自然環(huán)境下獲取圖像時，會受到來自大氣干擾，自身暗電流，熱噪聲等影響，使CCD像元所輸出信號的數(shù)值量化值與實際探測目標輻射亮度之間存在差異，所以要得到目標的精確圖像就必須對探測器進行輻射標定。

　　2.圖像采集卡簡介

　　聞亭公司TDS642EVM（簡稱642）多路實時視頻處理板卡是基于DSP TMS320DM642芯片設計的*估開發(fā)板。計算能力可達到4Gips，板上的視頻接口和視頻編解碼芯片Philips SAA7115H相連,實現(xiàn)實時多路視頻圖像采集功能,支持多種PAL,NTSC和SECAM視頻標準。本系統(tǒng)通過642的PCI接口與主機進行數(shù)據(jù)交換。PCI支持“即插即用（PnP）”自動配置功能，使圖像采集板的配置變得更加方便，其一切資源需求的設置工作在系統(tǒng)初啟時交由BIOS處理， 無需用戶進行繁瑣的開關與跳線操作。PCI接口的海量數(shù)據(jù)吞吐,為其完成實時圖像采集和處理提供保證。

　　3.系統(tǒng)組成及工作原理

圖1. 圖像采集及實時處理系統(tǒng)框圖

　　圖像采集的過程也就是圖像采集板卡對來自CCD的標準視頻信號（PAL制式）進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程，將量化后的數(shù)據(jù)通過PCI總線傳入計算機內(nèi)存,然后通過編制的應用程序讀取顯示。

　　如圖1所示, 彩色CCD相機輸出的視頻模擬信號經(jīng)解碼器SAA7115轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入到642芯片中, 642將處理好的實時數(shù)字圖像信號輸出到編碼器, 由編碼器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為標準的PAL制式YCbCr視頻信號輸出到LCD上, 與此同時, 輸出的Y-Cb-Cr格式數(shù)字視頻信號經(jīng)過視頻端口的內(nèi)部FIFO緩沖后，由642通過EDMA將數(shù)據(jù)傳送到片外同步動態(tài)存儲器芯片SDRAM中，其中包括四組數(shù)據(jù)，分別是Sem_標志變量（8bit）;Y: Cb: Cr（4:1:1）圖像信號：Y（720＊574＊8bit）數(shù)組，Cb（360＊287＊8bit）數(shù)組，Cr（360＊287＊8bit）數(shù)組，分別存儲在SDRAM中的0x80003804，0x8102E000，0x81092E80，0x810AC280地址，以供應用程序使用。

　　視頻采集應用程序由LabVIEW編制完成。在需要進行圖像采集時，LabVIEW發(fā)送讀取SDRAM中存儲的YCbCr格式圖像數(shù)據(jù)的請求，642獲得請求后，開始采集圖像并將采集到的YCbCr數(shù)值存儲到相應的內(nèi)存地址，在642完成整一幀的圖像采集之后，將SDRAM中的標志變量Sem設定為0，LabVIEW在這個過程中循環(huán)讀取標志變量的值，當為0時，則從SDRAM中獲得圖像數(shù)據(jù)，也就是Y， Cb， Cr三個數(shù)組的數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)化為LabVIEW能夠顯示的標準RGB格式輸出該圖像。

　　4.圖像采集及圖像處理

　　4.1調(diào)用動態(tài)鏈接庫驅(qū)動圖像采集卡

　　NI公司針對自己生產(chǎn)的圖像采集卡附帶有卡的驅(qū)動和管理程序，對于普通的I/O卡，還不能直接被LabVIEW所應用，必須采取其他方法。LabVIEW提供了4種調(diào)用外部程序代碼的途徑：端口直接操作、調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點（Call Library Function Node即CLFN）調(diào)用DLL（Dynamic Link Library動態(tài)連接庫）、使用CIN（Code Interface Node,外部代碼節(jié)點），調(diào)用Active X控件。其中端口直接操作，利用PortIn.Vi和PortOut.vi功能，此法應用簡單，但無法實現(xiàn)較復雜的接口功能。而采用動態(tài)鏈接庫，可以根據(jù)具體需要編寫適當?shù)某绦?，靈活利用LabVIEW的各項功能。較其余三種具有明顯的優(yōu)勢。用戶可以調(diào)用Windows標準的動態(tài)連接庫（DLL），也可以調(diào)用用戶自己編制的DLL，實現(xiàn)LabVIEW與硬件的連接。

　　建立一個DLL需要的文件有：①h函數(shù)聲明文件（可選，可包含在c源文件里）;②c源文件（必需）;③def模塊定義文件（如果是使用標準調(diào)用或函數(shù)輸出必需添加關鍵字__declspec （dllexport） 函數(shù)名）。H文件的作用是聲明DLL要實現(xiàn)的函數(shù)原型，供DLL編譯使用，同時還提供應用程序編譯使用。C文件是實現(xiàn)具體文件的源文件，它有一個入口點函數(shù)，在DLL被初次調(diào)用的運行，做一些初始化工作。一般情況下，用戶無須做什么初始化工作，只需保留入口點函數(shù)框架即可。def文件是DLL項目中比較特殊的文件，它用來定義該DLL項目將輸出哪些函數(shù)，只有該文件列出的函數(shù)才能被應用函數(shù)調(diào)用。要輸出的函數(shù)名列在該文件EXPORTS關鍵字下面。

　　本系統(tǒng)在LabVIEW平臺下調(diào)用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集主要分為五步：1.初始化并打開設備（DM642圖像采集卡）; 2.讀取標志信號位，看是否初始化為默認值3.寫入標志信號位，進行圖像數(shù)據(jù)采集;4.對SDRAM中所存儲的圖像數(shù)據(jù)進行讀取;5.關閉句柄并釋放端口資源。主要調(diào)用動態(tài)鏈接庫sd_pci64.dll的目標函數(shù)有PCI64_Open，PCI64_MemRead32和PCI64_Close，函數(shù)功能如下表所示：

　　函數(shù)的具體參數(shù)如下：

　?、貾CI64_API INT32 PCI64_Open（ int BoardNum, PCI64_HANDLE ＊ pHndl ）;

　　BoardNum板口號（0-3），＊ pHndl 返回句柄的無符號指針，當返回值為0時，表示打開端口成功，非0時，表示失敗。

　　②PCI64_API INT32 PCI64_MemRead32（ PCI64_HANDLE Hndl, UINT32 Taddr, UINT32 Count , UINT32 ＊ pData ）;

　　獲取由PCI64_Open傳遞的句柄指針，對目標地址存儲的數(shù)據(jù)進行讀取，需注意的是目標地址的尋址空間在4M之內(nèi)，必須初始化一個所需目標數(shù)據(jù)大小的無符號32位數(shù)組空間。同樣返回值為0時，表示成功，非0表示失敗。

　?、跴CI64_API INT32 PCI64_Close（ PCI64_HANDLE Hndl ）;

　　需要注意的是，在每次調(diào)用PCI64_MemRead32完成讀取后，都要將端口關閉，釋放地址空間。

　　具體的調(diào)用過程如下：首先在新建的VI的Block Diagram中，F(xiàn)unction> Advanced子菜單中添加Call Library Function Node控件,然后對其進行配置，添加該節(jié)點后進行配置的對話框如下圖2所示：

圖2調(diào)用CLFN配置框圖

　　分別對DLLs文件名稱及存放路徑，函數(shù)調(diào)用方式，需要調(diào)用的目標函數(shù)的名稱，參數(shù)個數(shù)，每個參數(shù)的類型，數(shù)據(jù)類型及返回值類型進行設置。設置完成后單擊“OK”返回LabVIEW 的設計面板（diagram）中。此時，Call Library Function已經(jīng)根據(jù)剛才配置好的參數(shù)個數(shù)和類型設置好了輸人輸出端口，和其它的LabVIEW節(jié)點圖標一樣，只需要將其對應的參數(shù)連線即可。

　　程序調(diào)用sd_pci64.dll的目標函數(shù)PCI64_Open，PCI64_MemRead32和PCI64_Close完成對指定地址空間0x8102E000化為十進制21*49280，103320大小的數(shù)據(jù)讀取，最后將讀取的數(shù)據(jù)存儲在無符號32位pData數(shù)組里面。

　　在LabVIEW中利用CLFN節(jié)點可以較容易地實現(xiàn)訪問動態(tài)連接庫（DLL）。由于DLL是一個外部模塊，提高了程序的開發(fā)效率，而且在購買普通數(shù)據(jù)采集卡的時候，廠商一般會給用戶提供動態(tài)連接庫（DLL），所以研究在LabVIEW平臺下通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫功能來驅(qū)動普通圖像采集卡實現(xiàn)圖像采集的方法，成為值得推廣的方法，具有重要意義。

　　4.2 CCD圖象標定

　　完成CCD圖像數(shù)據(jù)的標定，數(shù)字圖象處理是該標定過程的關鍵，NI公司提供的圖象處理模塊IMAQ Vision為LabVIEW平臺提供了完整的圖像處理函數(shù)庫，如各類邊緣檢測算子、自動閾值處理、各種形態(tài)學算法、濾波器、FFT等，該庫包含大量當前證明成功的理論算法，使用戶無需專業(yè)編程經(jīng)驗，即可迅速開發(fā)完成優(yōu)秀的、適合本專業(yè)的圖像處理與分析系統(tǒng)。

　　在本系統(tǒng)中，對CCD光電探測器相對輻射定標的步驟如下：分別在標準光源照射和普通定標環(huán)境下各采集10幅圖像，經(jīng)過自動閾值處理和二值化，消除暗電流熱噪聲等因素的影響，取處理完得到的10幅圖像的均值作為主標準圖像和主參考圖像。對圖像上每個像素的灰度值，通過比對校正，完成CCD像元的不均勻響應校正，求出各自的標定系數(shù)，繪出灰度直方圖。具體程序的前面板如圖3所示：

圖3 程序前面板

　　5.結論

　　本文使用TDS642EVM圖像采集卡在LabVIEW平臺上開發(fā)出一個穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟靈活的實時圖像采集及處理系統(tǒng)。通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫，驅(qū)動圖像采集卡完成圖像采集;利用NI-IMAQ Vision提供的強大的圖像處理功能通過實時圖像處理完成對CCD光電探測器的輻射標定。LabVIEW的開放性,高度的編程靈活性和良好的界面,使高級復雜的應用開發(fā)變得簡單;動態(tài)鏈接庫機制使LabVIEW在對通用圖像采集卡的支持上有了一個通用可行的途徑。

　　本文作者創(chuàng)新點:設計一種在LabVIEW平臺完成對普通圖像采集卡的實時圖像采集及光電探測器的輻射標定系統(tǒng)。