LabVIEW應(yīng)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(dá)到25幀每秒。利用NI-IMAQ Vision視頻處理模塊，進(jìn)行圖像處理，以完成光電探測器的標(biāo)定。該系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、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(xué)，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(gòu)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(yīng)用軟件的基礎(chǔ)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(jìn)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(biāo)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(biāo)輻射亮度之間存在差異，所以要得到目標(biāo)的精確圖像就必須對探測器進(jìn)行輻射標(biāo)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(shè)計的*估開發(fā)板。計算能力可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)通過642的PCI接口與主機(jī)進(jìn)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(shè)置工作在系統(tǒng)初啟時交由BIOS處理， 無需用戶進(jìn)行繁瑣的開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)視頻信號（PAL制式）進(jìn)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(jī)內(nèi)存,然后通過編制的應(yīng)用程序讀取顯示。

　　如圖1所示, 彩色CCD相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的PAL制式Y(jié)CbCr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(biāo)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(yīng)用程序使用。

　　視頻采集應(yīng)用程序由LabVIEW編制完成。在需要進(jìn)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(yīng)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(biāo)志變量Sem設(shè)定為0，LabVIEW在這個過程中循環(huán)讀取標(biāo)志變量的值，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)RGB格式輸出該圖像。[!--empirenews.page--]

　　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(yīng)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(yīng)用簡單，但無法實現(xiàn)較復(fù)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(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)調(diào)用或函數(shù)輸出必需添加關(guān)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(yīng)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(yīng)用函數(shù)調(diào)用。要輸出的函數(shù)名列在該文件EXPORTS關(guān)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(shè)備（DM642圖像采集卡）; 2.讀取標(biāo)志信號位，看是否初始化為默認(rèn)值3.寫入標(biāo)志信號位，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集;4.對SDRAM中所存儲的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取;5.關(guān)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(biāo)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：

　　①PCI64_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(dāng)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(biāo)地址存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，需注意的是目標(biāo)地址的尋址空間在4M之內(nèi)，必須初始化一個所需目標(biāo)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。

　　③PCI64_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(guān)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(jìn)行配置，添加該節(jié)點后進(jìn)行配置的對話框如下圖2所示：

圖2調(diào)用CLFN配置框圖[!--empirenews.page--]

　　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(biāo)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(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后單擊“OK”返回LabVIEW 的設(shè)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(shè)置好了輸人輸出端口，和其它的LabVIEW節(jié)點圖標(biāo)一樣，只需要將其對應(yīng)的參數(shù)連線即可。

　　程序調(diào)用sd_pci64.dll的目標(biāo)函數(shù)PCI64_Open，PCI64_MemRead32和PCI64_Close完成對指定地址空間0x8102E000化為十進(jìn)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(biāo)定

　　完成CCD圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)定，數(shù)字圖象處理是該標(biāo)定過程的關(guān)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(xué)算法、濾波器、FFT等，該庫包含大量當(dāng)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(biāo)的步驟如下：分別在標(biāo)準(zhǔn)光源照射和普通定標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)校正，求出各自的標(biāo)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(jié)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(jì)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(qiáng)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(biāo)定。LabVIEW的開放性,高度的編程靈活性和良好的界面,使高級復(fù)雜的應(yīng)用開發(fā)變得簡單;動態(tài)鏈接庫機(jī)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(shè)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(biāo)定系統(tǒng)。