摘 要：應用IMAQ Vision圖像處理軟件包在LabVIEW虛擬儀器開發平臺上，開發了一種指針式儀表自動讀數系統。該系統以計算機視覺技術為基礎，在軟件上主要包括圖像采集模塊、圖像預處理模塊、圖像分析模塊。實驗結果表明，該系統具有讀數精度較高、操作簡單可靠、效率高等優點，對指針式儀表的自動檢測有一定的實用意義。 關鍵詞：計算機視覺;LabVIEW;圖像處理;指針式儀表;自動讀數 1 引言 　　指針式儀表由于具有結構簡單、維護方便、不受電磁場干擾、可靠性高、價格便宜等優點，目前在科學實驗和生產中仍在廣泛使用。儀表生產企業和計量檢定部門在對指針式儀表進行檢定時，其讀數通常都由人工來完成。由于人眼的視覺誤差和視覺疲勞會引起讀數誤差，且讀數速度較慢，檢定人員的勞動強度大，檢定周期長，工作效率低，易造成讀數精度低、可靠性差、重復性差等問題的出現。因此如何實現指針式儀表的自動檢定，以提高檢定效率、檢定精度，就成為急需解決的問題。 　　隨著數字圖像處理技術的不斷發展，將數字圖像處理技術應用于指針式儀表的讀數自動識別的方法越來越多的受到人們的關注[1～2]。本文采用基于LabVIEW虛擬儀器的計算機視覺技術，開發了一套指針式儀表自動讀數系統，實踐證明該系統具有讀數效率高，準確、可靠等優點。 2 LabVIEW虛擬儀器開發平臺和IMAQ Vision 軟件 　　LabVIEW是由美國國家儀器公司（NI）推出的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發平臺。LabVIEW程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，LabVIEW所使用的G語言是最易于使用的圖形化數據流式編程語言，特別適用于測試、測量、儀器控制、過程監控和工業自動化等方面的工程應用軟件的開發。它簡化了科學計算、進程監視和控制、測試和測量程序的開發，極大的縮短了開發周期。 　　NI公司的IMAQ Vision軟件是LabVIEW虛擬儀器開發平臺外掛的機器視覺和圖像處理開發工具包。IMAQ Vision軟件中包括一整套MMX優化函數，提供了大量的圖像預處理、圖像分割、圖像理解函數庫和開發工具，可用于完成圖像的灰度、彩色以及二值圖像的顯示、圖像處理（包括統計、小波分析、濾波、和幾何變換等）以及形狀匹配、斑點分析、計算和測量等。應用LabVIEW提供的功能強大的圖象處理函數庫，結合其虛擬儀器的特性，能夠實現工控領域中基于視覺和圖像處理的各種各樣的應用問題，如自動測量系統、實時監控系統、汽車零部件檢測和醫藥產品包裝校驗等，與用傳統的語言進行圖像處理系統的開發相比，大幅度的降低了難度和開發周期。 3 指針式儀表自動讀數系統的設計 　　我們研制的指針式儀表自動讀數系統，硬件部分主要由NI公司的PCI-1411圖像采集卡、CCD攝像機、計算機和輔助光源組成;系統軟件是在LabVIEW7.0虛擬儀器平臺上應用IMAQ Vision圖像處理軟件包進行開發的，軟件在功能上主要包括圖像采集模塊、圖像預處理模塊、圖像分析模塊。系統方框圖如圖1所示。系統的工作過程為：通過應用程序控制CCD攝像機和圖像采集卡完成指針式儀表的圖像采集;圖像送入計算機內存，并在計算機顯示器上顯示;系統對圖像進行預處理、分析，自動識別指針式儀表的讀數并將結果顯示并存盤。 [align=center] 圖1 指針式儀表自動讀數系統方框圖[/align] 　　3.1 圖像采集模塊 　　該模塊是其它模塊工作的基礎。由于LabVIEW平臺中提供了圖像采集的函數，所以可以方便地完成圖像采集的任務。在驅動程序的驅動下，由圖像采集卡將CCD攝像機所攝得的指針式儀表模擬圖像轉換成數字信號后，通過PCI總線傳入計算機的指定內存空間。在采集過程中，利用IMAQ提供的控制函數控制圖像采集卡對圖像的采集，并可將圖像存儲為需要的多種文件格式：BMP、JPEG和PNG等。 　　3.2 圖像預處理模塊 　　在圖像采集過程中，利用CCD攝像機獲取指針式儀表盤的圖像時，由于現場的光線變化以及人走動的干擾等因素，使攝得的圖像會產生一些不好的效果甚至畸變，造成圖像的質量減低。為了保證讀數的精確度，需要對圖像進行預處理。系統中圖像的主要預處理過程如下： 　　（1）圖像二值化 　　在對指針式儀表盤進行自動讀數之前，先對圖像進行二值化處理，使圖像變成黑、白兩色，這樣更加容易提取圖像的儀表刻度與指針。二值化的具體做法是將圖像中小于某一灰度的像素值置為0，大于此灰度值的像素值置為1，而這個灰度值就是閾值（Thresholding value）。對圖像進行二值化主要考慮的問題就是閾值的選取，閾值設的過高，將漏掉小幅度變化的邊緣;閾值設的過低，將出現由噪聲引起的許多虛假的圖像邊緣。 　　IMAQ Vision中閾值處理分為手動閾值和自動閾值兩種。手動閾值設置方式由用戶指定最大灰度值和最小灰度值，它們之間的值設置為1，其它為0。自動閾值方式可自動生成不同閾值范圍，適用于照明條件變化較大的情況。IMAQ Vision提供5中自動閾值技術，Entropy基于標準圖像分析，是發現微小粒子的最佳函數;Metric值由圖像初始化時的初值決定;Memones基于統計學，假設圖像模糊或在采樣時受電信號干擾，適用于對比度較低的情況;Inter Variance基于差別因子分析，適用于各部分比例相當的圖片。在指針式儀表自動讀數系統中，可以根據實際效果適當選擇上面幾種閾值設置方式。 　　（2）圖像中值濾波 　　圖像在采集過程中往往受到各種噪聲源的干擾，這些噪聲在圖像上往往表現為一些孤立的像素點即毛刺，這可理解為毛刺的像素灰度與它們的相鄰像素有顯著不同。這些干擾如果不經過濾波處理，會對后面的指針式儀表讀數的自動識別帶來影響。 　　中值濾波是非線性濾波器的一種，它既可做到噪聲抑制、濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲，又可以克服線性濾波器帶來的圖像細節模糊，保持圖像邊緣信息。在IMAQ Vision中，中值濾波可以直接調用功能函數IMAQ Nth Order來實現。中值濾波的主要功能就是使那些與鄰近像素顯著不同的像素具有與其鄰近像素更加相似的強度，達到消除圖像的孤立毛刺的目的。 　　3.3 圖像分析模塊 　　預處理后的圖像中，指針式儀表盤的背景為白色的，儀表刻度和指針為黑色的。為自動識別儀表的讀數，還需對預處理后的圖像進行進一步的分析。在圖像分析過程中，主要調用IMAQ Get Meter.vi與IMAQ Read Meter.vi兩個子程序來實現。 　　IMAQ Get Meter.vi子程序用來識別儀表的起始刻度位置和滿量程刻度位置，計算出起始刻度線與滿量程刻度線之間的弧度值，同時它還可以計算儀表指針（將儀表刻度盤中的最長線段看作指針）起初始刻度線的弧度值。IMAQ Read Meter.vi子程序通過讀取IMAQ Get Meter.vi子程序輸出的數據并進行分析，返回儀表指針的位置與起始刻度線的弧度值占起始刻度線與滿量程刻度線之間的弧度值的百分比。將儀表的滿量程乘以此百分數，就是儀表的實際讀數。系統軟件的前面板和程序框圖分別如圖2與圖3所示。在自動讀數系統實際運行過程中，必須在軟件的前面板中對被測儀表的實際量程進行設置。 　　系統還可以對實際讀數進行誤差分析，同時自動生成Excel報表儲存硬盤并進行打印。 [align=center] 圖2自動讀數系統軟件前面板[/align] [align=center] 圖3自動讀數系統軟件程序框圖[/align] 4 結論 　　本文采用計算機視覺技術，在LabVIEW虛擬儀器開發平臺上，應用IMAQ Vision圖像處理軟件包和相應的硬件開發了一種新穎的指針式儀表自動讀數系統。將系統用于對微安表的自動讀數，實驗結果表明，該系統具有實用性、讀數精度較高、效果穩定和抗干擾能力強等優點。對系統的硬件和軟件加以修改，可以推廣到其它指針式儀表的自動讀數，為此類儀表的檢定或計量提供了一種新方法。 　　本文作者創新點：本文采用計算機視覺技術，在LabVIEW虛擬儀器開發平臺上，應用IMAQ Vision圖像處理軟件包和相應的硬件開發了一種新穎的指針式儀表自動讀數系統。與傳統的檢定方法相比較，該系統該系統具有實用性、讀數精度較高、效果穩定和抗干擾能力強等優點 參考文獻: 　　[1] 田曉冬,周德超,李路等.數字式儀表自動判讀設計與方法研究[J].微計算機信息,2006,22（4-1）:191-193。 　　[2] 陳杰來,尤麗華,張秋菊.數字圖像處理技術在指針式儀表讀數系統中的應用[J].江南大學學報（自然科學版）,2005,4（6）:611-614. 　　[3] 寧志剛,汪仁煌,唐冬等.基于圖像處理的高精度儀表判讀方法[J].傳感器與微系統,2006,25（3）:32-34. 　　[4] 楊樂平,李海濤,趙勇,楊磊,安雪瀅. LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003. 　　[5] National Instruments Corporation IMAQ Vision Concept Manual[M].Austin,Texas,USA:National Instruments Corporation,2005.