虚拟仪器平台在数字图像处理课程中的应用*

许 钢， 杨会成， 张明艳

(安徽工程大学 安徽省电气传动与控制重点实验室，安徽 芜湖 241000)

基于计算机的虚拟仪器(Virtual Instrument ，VI)技术以其强大的数据采集、分析处理和控制传输功能在现代检测技术中得到了广泛应用。虚拟仪器较为典型的开发环境是美国国家仪器公司(NI)的LabVIEW 和LabWindows/CVI。LabVIEW是具有世界领先水平的完整的虚拟仪器开发平台，具有：仪器控制与数据采集的图形化编程，直观明了的前面板用户界面和流程图式的编程风格；内置的译码器可加快执行速度，内置GPIB、串口和插入式DAQ板库函数；提供各种板卡的底层驱动程序， 内容丰富的高级分析库， 可执行信号处理、统计、曲线拟合以及复杂的分析工作。

虚拟仪器自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。虚拟仪器是计算机、软件和硬件的结合。将虚拟仪器引入大学课堂，让学生与工程师处于同样的开发环境，尽早接触到实际工作环境。对比传统仪器仪表的局限性，虚拟仪器更能激发学生的创造性，学生可以在这一平台上进行各种学习研究工作。

1 LabVIEW虚拟平台介绍

1.1 LabVIEW的特点

LabVIEW的核心是VI。环境包括3个部分：程序前面板(Front Panel)、类似于源代码功能的程序框图(Diagram)和图标/连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控件(Controls)模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的方框图；输出量被称为指示器(Indicators)则模拟了仪器的输出装置并显示由程序框图获得或产生的数据。控件和显示是以各种图标形式出现在前面板上， 如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：

(1) 打破了传统仪器的“万能”功能概念，将信号的分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。

(2) 强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的角色，减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。

(3) 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其他应用设备连接。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。

(4) 鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，维护和开发的费用降低。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库(例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等)，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。

1.2 LabVIEW图像处理模块

NI公司提供IMAQ Vision图像处理软件工具包，用户安装后，IMAQ Vision就会成为LabVIEW内置的视觉开发工具包，是一个功能强大的函数库，这一点与Matlab的工具箱类似。IMAQ Vision提供了在LabVIEW平台上开发机器视觉系统所需要的各种子程序，包括图像处理、图像采集、系统校准、几何测量等。

IMAQ图像系统，包括IMAQ Image.ctl、Image Display Control、IMAQ Vision Controls、Machine Vision Controls四类控件及对应的函数选板。

在数字图像处理课程中引入LabVIEW平台，学生将课堂上学到的理论和算法通过编程在LabVIEW上实现，既能保证学生对课堂理论的掌握，又能进一步的验证算法的切实可行性，完成从理论到实现的过程。

2 LabVIEW在图像增强处理中的应用

2.1 LabVIEW中图像的读取

在LabVIEW中提供了IMAQ ReadFile用于打开并读取计算机中存储的文件数据到图像引用中。IMAQ ReadFile可以读取以标准格式存储的图像，如BMP， TIFF， JPEG， JPEG2000， PNG， 和AIPD，或者制定的非标准格式。通常情况下，LabVIEW软件会自动将像素转换成所传递的图像类型。

图1 读取barbara程序

图2 显示窗口barbara

2.2 数字图像的预处理

预处理过程是数字图像处理的重要内容，图像在获取的过程中不可避免的受到环境、采集设备等影响，使图像出现噪声、模糊等质量下降现象。这将影响对图像特征的提取、匹配乃至最后的识别。获得图像的好坏直接影响到后续处理的成败。因此，在进行特征提取之前，要对图像进行抑噪，增强等操作，提高图像的质量以满足特征提取的需要。下面以含有噪声的图像进行抑噪、锐化操作为例，运用LabVIEW对退化图像进行处理。

图3和图4所示为经“高斯噪声”和“椒盐噪声”污染后的图像，LabVIEW自带有滤波器，用户可以根据需要调用现成的滤波器进行处理，也可以根据需要修改滤波器参数。当然，用户也可以运用LabVIEW G语言设计满足特定要求滤波器。对图像(3)调用均值滤波器对图像进行抑噪，处理结果如图5所示。对图像(4)调用中值滤波器对图像进行抑噪，处理结果如图6所示，经处理后的图像相对原图像都有了一定程度的改善，同时，滤波器在进行处理的时候也产生了模糊现象。

图3 含有高斯噪声的图像

图4 含有椒盐噪声的图像

图5 经均值滤波后的图像

图6 经中值滤波后的图像

图7 中值滤波后的图像

图8 canny边缘锐化后图像

去噪的同时会对图像的边缘产生弱化，此时可通过调用算法对图像边缘进行对比度增强，图7 是中值滤波后的图像，这里采用“canny”算子对图7进行锐化，结果如图8所示。图8整体相对图3和图4有很大改善，边缘细节部分较突出，在后续处理中不会受到噪声的干扰，也不会受到边缘模糊的影响。通过上述操作，简单快捷的实现了退化图像的预处理，学生也在调用和编程的过程中形象生动的看到了预处理的每一个过程中所产生的结果，有助于帮助学生加深对理论知识的理解，并能够运用理论解决问题。

3 结 论

LabVIEW软件功能强大，可以运用到许多的学科领域。通过图形化的编程快速完成设计，同时LabVIEW还有与之相对应的硬件平台，2011年全国虚拟仪器设计大赛特等奖，是由清华大学学生在指导老师的带领下开发出的幻影显示系统，系统克服了观察角度受限、分辨率低和价格昂贵等不足，利用PXI虚拟仪器技术的图像采集、运动控制和信号处理综合技术，完成了软硬件系统的构建，学生在设计过程中的热情显而易见，学生的创造力也得以体现，如果能够有更多的学生利用虚拟仪器平台将自己的想法变成现实，那么学习对学生来讲会由负担转为兴趣。这也是NI每年的虚拟仪器设计大赛都会吸引到大批的学生参加，每年都会有吸引眼球的设计出现的原因。

通过引入先进的教育平台，提升本科教学水平，一方面可以调动学生的学习积极性，形成提出问题、思考问题、解决问题的学习和研究态度，另一方面可以缩短学校教育与社会需求之间的距离，毕竟先进的仪器设备在实际的工作中有广泛的应用。

参考文献：

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[5] 陈国顺，张桐.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2012