基于虛擬儀器的計算機視覺系統(tǒng)的研究

摘 要 對視覺系統(tǒng)的實現(xiàn)進行了研究與技術分析，研究開發(fā)了基于虛擬儀器的種子等級判別視覺系統(tǒng)，并論述了數(shù)字圖像處理算法的應用。

關鍵詞 虛擬儀器 計算機視覺 圖像處理 pci總線

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，基于pc的視覺系統(tǒng)更加趨于經(jīng)濟和實用。含mmx的高能pentium 處理器、堅固的操作系統(tǒng)、pci局部總線以及具有友好用戶接口的、基于虛擬儀器的圖像采集軟硬件使今天的視覺應用系統(tǒng)的性能遠非以往的系統(tǒng)所能比擬，而成本卻在不斷下降。

過去，pc視覺系統(tǒng)的建立是由系統(tǒng)集成人員、oem和企業(yè)內(nèi)部的視覺系統(tǒng)開發(fā)組聯(lián)合完成。今天，新的技術和基于虛擬儀器的圖像處理軟件使用戶在極低成本下就可開發(fā)完成滿足大多數(shù)應用要求的計算機視覺應用系統(tǒng)。

虛擬儀器視覺應用系統(tǒng)能夠為自動化系統(tǒng)提供過程監(jiān)視、信息集中和反饋控制，實驗室自動化與圖像處理系統(tǒng)則能夠利用濾波與分析技術進行細胞數(shù)量、生物材料合格性等的測定。事實上，當今的基于pc的視覺系統(tǒng)已能夠以前所未有的效率、靈活性、一致性、可靠性和數(shù)據(jù)吞吐能力執(zhí)行更加復雜的檢測任務。

１ 基于虛擬儀器的視覺系統(tǒng)對pc性能的要求

1.1 pci局部總線

pci總線的高速數(shù)據(jù)吞吐能力能夠很好地滿足圖像采集的需要，使之成為實時圖像采集的理想方案。因為每幀圖像可能包含多達400kb的數(shù)據(jù)，高速傳送這些數(shù)據(jù)對于實時顯示與分析至關重要。pci不僅容易達到這個要求，而且可以進一步提供它的帶寬來與其他數(shù)據(jù)采集設備相集成。pci圖像采集板通過使用asic dma控制器，可以充分利用pci總線的帶寬，無需占用cpu時間，達到實時采集、顯示與分析處理的目的。

pci(peripheral component interconnect，外部設備互連最初是intel為了取代isa和eisa而開發(fā)的一種高性能的擴展總線結構，具有比vesa局部總線更強的信號適應性，目前已被廣泛采納為pc和工作站的行業(yè)標準。它理論上所能提供的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是132mb/s，64位pci更可達267mb/s，足夠滿足高清晰度電視(hdtv)信號與實時三維虛擬現(xiàn)實(3dvr)的需要。由于pci支持“即插即用(pnp)”自動配置功能，使得插入式圖象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。

目前，基于pci總線的數(shù)據(jù)采集／圖像采集(daq/lmaq)產(chǎn)品大大提高了計算機視覺系統(tǒng)的性能。pci總線能夠達到132mb/s的傳輸速率。由于以這個速率傳輸數(shù)據(jù)會嚴重耗盡cpu時間，最終會影響系統(tǒng)性能，daq/imaq廠商為基于pci的daq/imaq傳輸器設計了asic芯片。如ni公司的mite芯片，它利用dma技術不僅能完成pci的最高傳輸速率，還能通過非連續(xù)的內(nèi)存緩沖區(qū)而無需申請cpu時間。

1.2 mmx技術

intel的mmx技術改進了視覺軟件的性能，有效地提高了圖像處理速度。對于大多數(shù)視覺軟件函數(shù)，含mmx的pentium處理器的執(zhí)行速度較不含mmx的pentium處理器提高200%～400%，這是由于mmx技術包含大量通用指令，增強了pc的處理能力，且與原有的intel結構保持了完整的兼容性。而且mmx技術也完全兼容于現(xiàn)存的各類操作系統(tǒng)與應用軟件。利用ｍｍｘ技術對于大多數(shù)圖像采集視覺函數(shù)如濾波、閾值處理、運算、邏輯和形態(tài)學等都有顯著的性能增益。

２ 軟件處理與分析

數(shù)字圖像處理是視覺系統(tǒng)的關鍵，在虛擬儀器系統(tǒng)中，這一切是通過計算機軟件實現(xiàn)的。目前國內(nèi)外使用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)平臺是ni公司的labview和labwindows/cvi。而基于這兩種軟件的imaq vision則為這兩種平臺提供了完整的圖像處理函數(shù)庫或功能模塊，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)。

３ 種子等級判別視覺系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)配置

基于計算機視覺的種子等級判別視覺系統(tǒng)主要是用于大量籽粒的自動化計數(shù)與幾何尺寸特征測定，該系統(tǒng)的使用提高了測量精度和效率。其基本軟硬件配置為：

硬件：彩色ccd、pci-imaq-1408圖象采集板（ni公司產(chǎn)品）、pc pentium ii/233計算機；

軟件開發(fā)工具：labwindows/cvi、imaq vision

操作系統(tǒng)：win