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第 3 章 图像采集... 1
3.1 采集单幅图像 ... 1
3.1.1 基于图像采集卡的 Snap 操作... 1
3.1.2 基于 USB 摄像头的 Snap 操作 ... 3
3.1.3 使用 Snap.vi 进行连续图像采集的速度问题... 4
3.2 采集连续图像 ... 5
3.2.1 基于图像采集卡的 Grab 操作... 6
3.2.2 基于 USB 摄像头的 Grab 操作 ... 7
3.3 多缓冲区采集方式 ... 8
3.3.1 Sequence 图象采集方式 ... 9
3.3.2 Ring 图象采集方式 ... 10
3.4 触发 ... 11
3.4.1 触发信号类型 ... 11
3.4.2 触发方式图象采集的实现 ... 12
3.5 图像保存与读取 ... 14
3.5.1 图像文件格式简介 ... 14
3.5.2 保存图像 ... 15
3.5.3 读取图像 ... 16
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第3章 图像采集
当选定好机器视觉的软硬件平台后，下一步就是图像采集。本章将详细讨论基于 USB 摄像头的图像采集和工业相机的图像采集，大家可以根据手中硬件的不同而选读不同的部分。
从软件的视角来看，尽管硬件不同，但编程的思路和模式是基本一致的。
本文使用的工业相机是 Panasonic 的 BP330，它是一款遵循 CCIR 标准的黑白相机，图 像采集卡是 NI 公司的 PCI-1407(任何标准制式的黑白模拟相机都可以接到 PCI-1407)。把相 机连接到 PCI-1407 后，即可在 MAX 下找到 PCI-1407，点击 Grab 按钮，还可以采集到图 像，如图 3.1 所示。
图 3.1 在 MAX 里面采集图像
如果你使用的是 USB 摄像头，那么请参考 Error! Reference source not found.Error!
Reference source not found.，运行 imaqUSB examples.llb 中的 Grab.vi。在软硬件正常工作的 情况下，可以看到从 USB 摄像头中传出的图像，如 Error! Reference source not found.所示。
在进行机器视觉系统开发前，我们通常都会如上所示先验证软硬件是否能正常工作，以 便后续开发。
3.1 采集单幅图像
3.1.1 基于图像采集卡的 Snap 操作
采集单幅图像是基本的图像采集操作之一，对应的动作叫 Snap。每次 Snap 时，图像数 据先从相机传到图像采集卡，然后再传到计算机的内存(图像处理缓冲区)中去，如图 3.2 所 示。
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图 3.2 Snap 方式采集图像过程 Snap 方式的图像采集程序如图 3.3 所示：
第 1 步：调用 IMAQ Init.vi 完成图像采集板卡的初始化工作。
第 2 步：调用 IMAQ Create.vi 为图像数据创建一个数据缓冲区。
第 3 步：调用 IMAQ Snap.vi 从图像采集板卡中读入一帧图像数据，并把它放入先前创 建的数据缓冲区中，并放入 Image 中显示。
第 4 步：当图像数据缓冲区被释放后，我们在前面板上将看不到采集的图像了，所以特 地添加一个人为的延时程序，等待用户停止。
第 5 步：调用 IMAQ Close.vi，释放占有的图像采集板卡。
第 6 步：调用 IMAQ Dispose.vi，释放占有的图像数据缓冲区。
图 3.3 Snap 范例程序 单幅图像采集的运行结果，如图 3.4 所示。
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读到这里，大家可能跟我一样都有一个疑问，为什么必须有第二步和第六步，即创建图 像数据缓冲区和释放图像数据缓冲区。这是因为每帧图像的数据量都特别大，如果在处理图 像的过程中直接传递图像数据，则非常耗时。最好的方式是仅仅传递指向该数据缓冲区的引 用。IMAQ Create.vi 完成的就是创建图像数据缓冲区并返回指向该数据缓冲区的引用的过程。
3.1.2 基于 USB 摄像头的 Snap 操作
USB 摄像头的 Snap 操作的程序实现与上面的基本相同，只需要用 IMAQ USB 函数选 板中的函数替代相应步骤即可，如图 3.5 所示。
图 3.5 USB 摄像头 Snap 范例程序
USB 设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举，所以 USB 摄像头在进行初始化 前，需要先执行第 0 步，枚举系统中的 USB 摄像设备，接着：
第 1 步：调用 IMAQ USB Init.vi 完成 USB 摄像设备的初始化工作。
第 2 步：调用 IMAQ Create.vi 为图像数据创建一个数据缓冲区。
第 3 步：调用 IMAQ USB Snap.vi 从 USB 摄像设备中读入一帧图像数据，并把它放入 先前创建的数据缓冲区中，并放入 Image 中显示。
第 4 步：当图像数据缓冲区被释放后，我们在前面板上将看不到采集的图像了，所以特 地添加一个人为的延时程序，等待用户停止。
第 5 步：调用 IMAQ USB Close.vi，释放占有的 USB 摄像设备。
第 6 步：调用 IMAQ Dispose.vi，释放占有的图像数据缓冲区。
USB 摄像头 Snap 范例程序运行结果如图 3.6 所示。
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图 3.6 USB 摄像头 Snap 范例程序运行结果
3.1.3 使用 Snap.vi 进行连续图像采集的速度问题
在实际工程应用中，连续图像采集的应用占绝大多数。当我们会使用 Snap.vi 后，很自 然的想到最简单的连续采集图像实现方式是把 Snap.vi 放到 While 循环中，如图 3.7 所示。
图 3.7 使用 Snap 进行连续图像采集
在 While 循环中，加入 可以计算每次循环消耗的时间。运行上述程序，
可以看到使用 Snap 进行连续图像采集时，获得每帧图像所消耗的时间高达 120ms(不同的系 统，时间略有不同)，如图 3.8 所示。换句话说，在这种方式下，每秒钟只能获得大约 8 帧 图像，这种速度在大多数实际应用中是不能容忍的。
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图 3.8 120ms 采集一帧图像
为实现高速的连续图像采集，NI Vision Module 提供了一个专用于连续图像采集的 VI，
IMAQ Grab Acquire.vi， 。下节本文将详述如何进行连续图像采集。
3.2 采集连续图像
IMAQ Snap.vi 运行速度之所以会慢，是因为 IMAQ Snap.vi 除了实现图像数据采集的操 作外，还实现了许多初始化和资源释放的操作，大家可以双击 IMAQ Snap.vi，看看 IMAQ Snap.vi 的实现过程，如图 3.9 所示。
图 3.9 IMAQ Snap.vi
PS.看 NI 提供的 VI 的内部实现方式是一种很好的学习方式。——代码阅读
了解了速度慢的原因后，很自然的想到，既然是连续采集，何不把许多雷同的初始化操
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作提取出去，在每次连续采集开始时，仅做一次初始化就可以。为实现快速的连续图像采集，
NI Vision Module 提供了两个 VI，一个是 IMAQ Grab Setup.vi，另一个是 IMAQ Grab Acquire.vi。 IMAQ Grab Setup.vi 负责每次连续采集前的初始化，IMAQ Grab Acquire.vi 专 注于图像采集。
3.2.1 基于图像采集卡的 Grab 操作
基于图像采集卡的连续图像采集的实现代码如图 3.10 所示。
图 3.10 连续图像数据采集
第 1 步：调用 IMAQ Init.vi 完成图像采集板卡的初始化工作。
第 2 步：调用 IMAQ Grab Setup.vi 初始化 Grab 过程。
第 3 步：调用 IMAQ Create.vi 创建图像数据缓冲区。
第 4 步：调用 IMAQ Grab Acquire.vi 快速采集图像数据。
第 5 步：调用 IMAQ Close.vi，释放占有的图像采集板卡。
第 6 步：调用 IMAQ Dispose.vi，释放占有的图像数据缓冲区。
使用 IMAQ Grab Acquire.vi，采集每帧图像的时间从 120ms 降到了 40ms，如图 3.11 所 示。
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图 3.11 IMAQ Grab Acquire 运行结果
3.2.2 基于 USB 摄像头的 Grab 操作
同上，USB 摄像头的 Grab 操作的程序也与基于图像采集卡的实现过程基本相同，如图 3.12 所示：
第 0 步：调用 IMAQ USB Enumerate Camera.vi 枚举 USB 摄像头。
第 1 步：调用 IMAQ USB Init.vi 完成 USB 摄像头的初始化工作。
第 2 步：调用 IMAQ USB Grab Setup.vi 初始化 Grab 过程。
第 3 步：调用 IMAQ Create.vi 创建图像数据缓冲区。
第 4 步：调用 IMAQ USB Grab Acquire.vi 快速采集图像数据。
第 5 步：调用 IMAQ USB Close.vi，释放占有的 USB 摄像头。
第 6 步：调用 IMAQ Dispose.vi，释放占有的图像数据缓冲区。
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图 3.12 USB 摄像头的连续图像采集过程
使用 IMAQ USB Grab Acquire.vi 实现连续图像采集后，采集每帧图像的时间下降到了 35ms 毫秒左右，如图 3.13 所示。
图 3.13 USB 摄像头连续图像采集结果
3.3 多缓冲区采集方式
从前面的章节中，我们学会了如何采集图象。在高速图象采集应用中，我们会发现前面
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为了解决采集缓冲区不足的问题，我们很自然的想到一个解决方案——增加图象采集缓 冲区。
NI-IMAQ 提供了两种多缓冲区的方式，一种是 Sequence，另一种是 Ring，如图 3.14 所示。
图 3.14 多缓冲区图象采集方式
Sequence 和 Ring 都是多缓冲区图象采集方式，它们的区别是，Sequence 是单次采集，
而 Ring 是连续采集，类似 Snap 和 Grab。
在 Ring 方式下，当一个 buffer 中的数据正在被处理时，新采集到的图象数据会更新到 另外的 Buffer 中去。
下面本文将依次介绍 Sequence 和 Ring 的实现方式。
3.3.1 Sequence 图象采集方式
Sequence 图象采集方式由 IMAQ Sequence.vi 实现，如图 3.15 所示。
图 3.15 IMAQ Sequence.vi
IMAQ Sequence.vi 最重要的参数是 Images In，如图 3.16 所示。Images In 是一个图象数 据缓冲区引用数组，里面包含了多个由 IMAQ Create.vi 创建的图象数据缓冲区的引用。只 有知道多个图象数据缓冲区在哪里，IMAQ Sequence.vi 才能完成多缓冲区模式的图象采集。
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图 3.16 IMAQ Sequence.vi 参数
Sequence 图象采集方式的完整实现，大家可以参考范例程序中的 HL Sequence.vi，如图 3.17 所示。
第 1，4，5 步是大家熟悉的初始化图象采集卡，释放图象采集卡和释放图象缓冲区的程 序。
第 2 步是调用 IMAQ Create.vi 创建多个图象数据缓冲区，需要注意的是，多个图象数 据缓冲区的名字必须不一样。
第 3 步是调用 IMAQ Sequence.vi 采集多帧图象数据，当指定数量的图象采集完毕后，
IMAQ Sequence.vi 会返回并结束 Sequence 采集过程。
图 3.17 HL Sequence.vi 3.3.2 Ring 图象采集方式
Ring 图 象 采 集 方 式 需 要 由 三 个 VI 来 实 现 ， 它 们 分 别 是 ： ，
和 。
IMAQ Configure List.vi 完成缓冲区列表的配置，告诉驱动程序缓冲区的数量(Number of buffers)，以连续还是单次的方式进行图象采集(Continuous?)以及缓冲区的位置(Memory
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IMAQ Extract Buffer.vi 把采集到的图象从缓冲区中提取出来，为后续图象处理做准备。
与上节思路相同，我们打开范例程序中的 LL Ring.vi，学习 Ring 图象采集方式的实现 方法，如图 3.18 所示(由于文档宽度的关系，仅把关键部分代码进行截图分析，以下同)。
图 3.18 LL Ring.vi
第一步，调用 IMAQ Configure List.vi 告诉驱动程序是以 Continuous 的方式进行图象采 集，缓冲区的位置在 System——就是开发应用程序的主机上。
第二步，调用 IMAQ Configure Buffer.vi 把创建好的图象缓冲区关联到缓冲区列表的对 应位置上。
第三步，调用 IMAQ Start.vi 开启一个图象采集的过程，需要注意的是，在调用 IMAQ Start.vi 前，必须调用 IMAQ Configure List.vi 和 IMAQ Configure Buffer.vi 来配置采集过程。
第四步，调用 IMAQ Extract Buffer.vi 从缓冲区中把图象提取出来。
第五步，把 IMAQ Extract Buffer.vi 的 Buffer to Exact 参数设置为-1 表示释放当前被提取 的缓冲区。IMAQ Extract Buffer.vi 在提取图象数据时会对当前被提取的缓冲区进行保护，所 以当采集过程完成时，需要释放当前被保护的缓冲区。
Ring 图象采集方式实现的主要过程如上所述，其余步骤就是大家已经熟悉的初始化图 象采集硬件，释放图象采集硬件和释放缓冲区了。
3.4 触发
很多机器视觉应用，比如生产线上的产品外观检测，并不需要一直在采集图象，而是当 产品达到检测位置后，才采集图象并进行分析。
3.4.1 触发信号类型
一般来说，图象采集卡都支持外触发，NI 的图象采集卡也不例外，如图 3.19 所示。
图 3.19 PCI-1409 Trigger 信号
图 3.19 是图象采集卡 PCI-1409 的外部触发信号的说明。触发信号不仅可以启动一个图象采 集过程，还能停止一个图象采集过程。通过 TRIG 端口，NI 的图象采集卡不仅能接收外部 的触发信号，还能向外部设备发出触发信号，如图 3.20 所示。
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图 3.20 输出触发信号
图 3.20 中，程序通过调用 IMAQ Trigger Drive2.vi 向外部输出触发信号，触发信号的驱 动信号为 Vertical Synchronization Signal(也可以为其它)。图 3.20 的下半部分是用示波器抓捕 到的触发信号。
除了支持外部触发信号外，NI 的图象采集卡还可以通过 RTSI 线和 PXI 总线传递触发信 号，这种特性可以方便系统集成工程师实现与运动控制卡和数据采集卡的高速可靠的同步。
触发信号类型可以在参数 Trigger Type 中选择，如图 3.21 所示。
图 3.21 选择触发信号类型
3.4.2 触发方式图象采集的实现
触发信号虽然种类繁多，但使用起来却非常简单，需要记住的一个原则“在开始采集图 象前必须先配置好触发信号”。
与上节思路相同，我们打开范例程序中的 HL Triggered Snap.vi，学习触发方式图象采集 方式的实现方法，如图 3.22 所示。
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图 3.22 HL Triggered Snap.vi
从图 3.22 中，我们可以看出，相比基本的 Snap 采集方式，触发方式下的 Snap 采集方 式仅仅多使用了 IMAQ Configure Trigger2.vi 对触发进行了配置。它告诉驱动程序触发信号 是什么类型(Trigger Type)，触发信号从哪个触发端口进入(Trigger Number)以及当触发信号有 效后，完成什么动作(Trigger start of acquisition)。
尽管触发信号的使用方式很多，很容易产生一种学起来很难的感觉，不过不要担心，在 NI 的范例查找器里面，可以找到所有触发信号使用方式的范例程序，如所示，参考范例程 序就可以大大缩短学习曲线。
图 3.23 使用触发信号的范例程序
到这里，图象的采集过程就介绍完毕了，希望对大家的日常开发工作有所帮助，下面将介 绍图象采集到计算机后如何保存以及如何从图象文件中读取数据。
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3.5 图像保存与读取
在上面的章节中，已经完整的介绍了如何把图像采集到计算机中。当我们获得图像数据 后，在后续处理中，最常做的操作就是图像的保存与读取。
LabVIEW 的 NI-Vision 模块里面提供了一组图像文件操作 VI，如图 3.24 所示。我们只 需要调用一两个 VI，便可以方便的保存和读取图像了。
图 3.24 图像文件操作 VI
图像文件操作 VI 支持读写的图像文件格式有 BMP、JEPG、JEPG2000、PNG、PNG with Vision info 和 TIFF。
3.5.1 图像文件格式简介
BMP：Windows 位图文件。
Windows 位图可以用任何颜色深度（从黑白到 24 位颜色）存储单个光栅图像。
Windows 位图文件格式与其他 Microsoft Windows 程序兼容。它不支持文件压缩，也不适 用于 Web 页。从总体上看，Windows 位图文件格式的缺点超过了它的优点。为了保证照 片图像的质量，请使用 PNG 文件、JPEG 文件或 TIFF 文件。BMP 文件适用于 Windows 中的墙纸。
优点： BMP 支持 1 位到 24 位颜色深度。BMP 格式与现有 Windows 程序（尤其是 较旧的程序）广泛兼容。
缺点： BMP 不支持压缩，这会造成文件非常大。BMP 文件不受 Web 浏览器支持。
PNG：可移植网络图形
PNG 图片以任何颜色深度存储单个光栅图像。PNG 是与平台无关的格式。
优点： PNG 支持高级别无损耗压缩；PNG 支持 alpha 通道透明度；PNG 支持伽玛 校正； PNG 支持交错；PNG 受最新的 Web 浏览器支持。
缺点： 较旧的浏览器和程序可能不支持 PNG 文件。作为 Internet 文件格式，与 JPEG 的有损耗压缩相比，PNG 提供的压缩量较少。作为 Internet 文件格式，PNG 对多图像文 件或动画文件不提供任何支持。GIF 格式支持多图像文件和动画文件。
JPEG：联合图像专家组
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别的压缩，不过，这种压缩是有损耗的。渐近式 JPEG 文件支持交错，可以提高或降低 JPEG 文件压缩的级别。但是，文件大小是以图像质量为代价的。压缩比率可以高达 100:1。（JPEG 格式可在 10:1 到 20:1 的比率下轻松地压缩文件，而图片质量不会下降。）JPEG 压缩可以 很好地处理写实摄影作品。但是，对于颜色较少、对比级别强烈、实心边框或纯色区域大的 较简单的作品，JPEG 压缩无法提供理想的结果。有时，压缩比率会低到 5:1，严重损失了 图片完整性。这一损失产生的原因是，JPEG 压缩方案可以很好地压缩类似的色调，但是 JPEG 压缩方案不能很好地处理亮度的强烈差异或处理纯色区域。
优点： 摄影作品或写实作品支持高级压缩。利用可变的压缩比可以控制文件大小。支 持交错（对于渐近式 JPEG 文件）。JPEG 广泛支持 Internet 标准。
缺点：有损耗压缩会使原始图片数据质量下降。当您编辑和重新保存 JPEG 文件时，
JPEG 会混合原始图片数据的质量下降。这种下降是累积性的。JPEG 不适用于所含颜色很 少、具有大块颜色相近的区域或亮度差异十分明显的较简单的图片。
TIFF：标记图像文件格式
标记图像文件格式（TIFF、TIF）用于在应用程序和计算机平台之间交换文件。 与 BMP 文件格式一样，TIFF 不对图像进行压缩。在出版和印刷行业最常用的图像文件格式就是 TIFF。
优点：图像品质高，适合印刷出版，高端相机都支持 TIFF 格式。
缺点：文件占用空间大，一个 500 万像素的数码相机拍出来的 TIFF 文件大约有 10M。
3.5.2 保存图像
保存图像只需要调用 IMAQ Write File2.vi，然后告诉程序需要保存的图像在哪里(Image)，
保存到哪里(File Path)即可，如图 3.25 所示。
图 3.25 保存图像文件
由于我们已经非常熟悉图像采集部分了，所以在这个演示程序中，我们直接使用了 USB Acquisition Assistant 来帮助我们自动生成图像采集程序。(LabVIEW8.5 之前版本不支持，如 果安装了 LabVIEW8.5，USB Acquisition Assistant 在 IMAQ USB 选板中，如图 3.26 所示。)
IMAQ Write File2.vi 实现了图像数据的保存。通过多态 VI 选择器，选择保存成何种图 像文件，范例程序中是选择的 JPEG。由于 JPEG 是有损压缩，所以还需告诉程序图像质量 (Image Quality)是多少。
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图 3.26 USB Acquisition Assistant 3.5.3 读取图像
读取图像也像保存图像一样容易，只需要调用 即可实现，范例程序如图
3.27 所示。
图 3.27 读取图像
IMAQ Load Image Dialog.vi 会弹出一个对话框，请用户选择图像文件路径。图像文件路 径获得后传给 IMAQ ReadFile.vi，告诉 IMAQ ReadFile.vi 欲读取文件的位置。根据文件种类 的不同，需要用 IMAQ Create.vi 创建一个与之匹配的图像缓冲区，这里读取的是上节保存 的彩色图像文件，所以创建的图像缓冲区类型为 RGB(U32)。
本章小结
本章完整的介绍了图像采集的各种方法，为后续章节的图像处理奠定了基础。由于从图 像处理角度看过来，从图像采集卡中获取图像与从文件中读取图像，其图像数据是没有差别 的，所以后续的图像处理部分，如果没有对图像采集卡的特殊要求的话，本文都以文件的方 式获取图像数据，这也是为什么本文把图像文件的操作放在第三章的原因。
