許 鋼， 楊會成， 張明艷

(安徽工程大學(xué) 安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

基于計算機的虛擬儀器(Virtual Instrument ，VI)技術(shù)以其強大的數(shù)據(jù)采集、分析處理和控制傳輸功能在現(xiàn)代檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。虛擬儀器較為典型的開發(fā)環(huán)境是美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW 和LabWindows/CVI。LabVIEW是具有世界領(lǐng)先水平的完整的虛擬儀器開發(fā)平臺，具有：儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程，直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格；內(nèi)置的譯碼器可加快執(zhí)行速度，內(nèi)置GPIB、串口和插入式DAQ板庫函數(shù)；提供各種板卡的底層驅(qū)動程序， 內(nèi)容豐富的高級分析庫， 可執(zhí)行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作。

虛擬儀器自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。虛擬儀器是計算機、軟件和硬件的結(jié)合。將虛擬儀器引入大學(xué)課堂，讓學(xué)生與工程師處于同樣的開發(fā)環(huán)境，盡早接觸到實際工作環(huán)境。對比傳統(tǒng)儀器儀表的局限性，虛擬儀器更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，學(xué)生可以在這一平臺上進(jìn)行各種學(xué)習(xí)研究工作。

1 LabVIEW虛擬平臺介紹

1.1 LabVIEW的特點

LabVIEW的核心是VI。環(huán)境包括3個部分：程序前面板(Front Panel)、類似于源代碼功能的程序框圖(Diagram)和圖標(biāo)/連接端口。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控件(Controls)模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的方框圖；輸出量被稱為指示器(Indicators)則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由程序框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)?？丶惋@示是以各種圖標(biāo)形式出現(xiàn)在前面板上， 如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點：

(1) 打破了傳統(tǒng)儀器的“萬能”功能概念，將信號的分析、顯示、存儲、打印和其他管理集中交由計算機來處理，充分利用計算機技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。

(2) 強調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，軟件在儀器中充當(dāng)了以往由硬件甚至整機實現(xiàn)的角色，減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。

(3) 儀器由用戶自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改、增減，可方便地同外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用設(shè)備連接。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式。

(4) 鑒于虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化，用戶可以將儀器的設(shè)計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時間縮短，功能易于擴展，管理規(guī)范，維護(hù)和開發(fā)的費用降低。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及其變換方面發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫(例如測量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運算、時域和頻域分析等)，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動測試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。

1.2 LabVIEW圖像處理模塊

NI公司提供IMAQ Vision圖像處理軟件工具包，用戶安裝后，IMAQ Vision就會成為LabVIEW內(nèi)置的視覺開發(fā)工具包，是一個功能強大的函數(shù)庫，這一點與Matlab的工具箱類似。IMAQ Vision提供了在LabVIEW平臺上開發(fā)機器視覺系統(tǒng)所需要的各種子程序，包括圖像處理、圖像采集、系統(tǒng)校準(zhǔn)、幾何測量等。

IMAQ圖像系統(tǒng)，包括IMAQ Image.ctl、Image Display Control、IMAQ Vision Controls、Machine Vision Controls四類控件及對應(yīng)的函數(shù)選板。

在數(shù)字圖像處理課程中引入LabVIEW平臺，學(xué)生將課堂上學(xué)到的理論和算法通過編程在LabVIEW上實現(xiàn)，既能保證學(xué)生對課堂理論的掌握，又能進(jìn)一步的驗證算法的切實可行性，完成從理論到實現(xiàn)的過程。

2 LabVIEW在圖像增強處理中的應(yīng)用

2.1 LabVIEW中圖像的讀取

在LabVIEW中提供了IMAQ ReadFile用于打開并讀取計算機中存儲的文件數(shù)據(jù)到圖像引用中。IMAQ ReadFile可以讀取以標(biāo)準(zhǔn)格式存儲的圖像，如BMP， TIFF， JPEG， JPEG2000， PNG， 和AIPD，或者制定的非標(biāo)準(zhǔn)格式。通常情況下，LabVIEW軟件會自動將像素轉(zhuǎn)換成所傳遞的圖像類型。

圖1 讀取barbara程序

圖2 顯示窗口barbara

2.2 數(shù)字圖像的預(yù)處理

預(yù)處理過程是數(shù)字圖像處理的重要內(nèi)容，圖像在獲取的過程中不可避免的受到環(huán)境、采集設(shè)備等影響，使圖像出現(xiàn)噪聲、模糊等質(zhì)量下降現(xiàn)象。這將影響對圖像特征的提取、匹配乃至最后的識別。獲得圖像的好壞直接影響到后續(xù)處理的成敗。因此，在進(jìn)行特征提取之前，要對圖像進(jìn)行抑噪，增強等操作，提高圖像的質(zhì)量以滿足特征提取的需要。下面以含有噪聲的圖像進(jìn)行抑噪、銳化操作為例，運用LabVIEW對退化圖像進(jìn)行處理。

圖3和圖4所示為經(jīng)“高斯噪聲”和“椒鹽噪聲”污染后的圖像，LabVIEW自帶有濾波器，用戶可以根據(jù)需要調(diào)用現(xiàn)成的濾波器進(jìn)行處理，也可以根據(jù)需要修改濾波器參數(shù)。當(dāng)然，用戶也可以運用LabVIEW G語言設(shè)計滿足特定要求濾波器。對圖像(3)調(diào)用均值濾波器對圖像進(jìn)行抑噪，處理結(jié)果如圖5所示。對圖像(4)調(diào)用中值濾波器對圖像進(jìn)行抑噪，處理結(jié)果如圖6所示，經(jīng)處理后的圖像相對原圖像都有了一定程度的改善，同時，濾波器在進(jìn)行處理的時候也產(chǎn)生了模糊現(xiàn)象。

圖3 含有高斯噪聲的圖像

圖4 含有椒鹽噪聲的圖像

圖5 經(jīng)均值濾波后的圖像

圖6 經(jīng)中值濾波后的圖像

圖7 中值濾波后的圖像

圖8 canny邊緣銳化后圖像

去噪的同時會對圖像的邊緣產(chǎn)生弱化，此時可通過調(diào)用算法對圖像邊緣進(jìn)行對比度增強，圖7 是中值濾波后的圖像，這里采用“canny”算子對圖7進(jìn)行銳化，結(jié)果如圖8所示。圖8整體相對圖3和圖4有很大改善，邊緣細(xì)節(jié)部分較突出，在后續(xù)處理中不會受到噪聲的干擾，也不會受到邊緣模糊的影響。通過上述操作，簡單快捷的實現(xiàn)了退化圖像的預(yù)處理，學(xué)生也在調(diào)用和編程的過程中形象生動的看到了預(yù)處理的每一個過程中所產(chǎn)生的結(jié)果，有助于幫助學(xué)生加深對理論知識的理解，并能夠運用理論解決問題。

3 結(jié) 論

LabVIEW軟件功能強大，可以運用到許多的學(xué)科領(lǐng)域。通過圖形化的編程快速完成設(shè)計，同時LabVIEW還有與之相對應(yīng)的硬件平臺，2011年全國虛擬儀器設(shè)計大賽特等獎，是由清華大學(xué)學(xué)生在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下開發(fā)出的幻影顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)克服了觀察角度受限、分辨率低和價格昂貴等不足，利用PXI虛擬儀器技術(shù)的圖像采集、運動控制和信號處理綜合技術(shù)，完成了軟硬件系統(tǒng)的構(gòu)建，學(xué)生在設(shè)計過程中的熱情顯而易見，學(xué)生的創(chuàng)造力也得以體現(xiàn)，如果能夠有更多的學(xué)生利用虛擬儀器平臺將自己的想法變成現(xiàn)實，那么學(xué)習(xí)對學(xué)生來講會由負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)為興趣。這也是NI每年的虛擬儀器設(shè)計大賽都會吸引到大批的學(xué)生參加，每年都會有吸引眼球的設(shè)計出現(xiàn)的原因。

通過引入先進(jìn)的教育平臺，提升本科教學(xué)水平，一方面可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，形成提出問題、思考問題、解決問題的學(xué)習(xí)和研究態(tài)度，另一方面可以縮短學(xué)校教育與社會需求之間的距離，畢竟先進(jìn)的儀器設(shè)備在實際的工作中有廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周鵬，許鋼.精通LabVIEW信號處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013

[2] 楊帆.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

[3] 楊敏，葉宏.虛擬儀器在電子專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2012，36：146

[4] 李華.基于虛擬儀器的圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成探討[J].蘇州絲綢工學(xué)院學(xué)報，2001，21(3)：27-32

[5] 陳國順，張桐.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012