基于LABVIEW的圆形图像识别与实时跟踪系统设计

本科毕业设计（论文）
题目基于LABVIEW的圆形图像识别与实时跟踪系统设计
学院电气与自动化工程学院
年级级专业
班级学号
学生XX
指导教师职称教授
论文提交日期
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基于LABVIEW的圆形图像识别与实时跟踪系统设计
摘要
数字图像处理技术在国防建设、工农业生产以及人们的日常生活中有着广泛的应用。

图像识别是数字图像处理技术的一个重要组成部分，而圆形（包括弧线）检测是数字图像处理过程中的经典问题之一。

本设计基于LABVIEW 平台设计程序完成圆形图像识别与跟踪工作。

本设计基于LABVIEW 平台设计图像处理程序，实现了“圆形图像识别”以及“圆形图像的实时跟踪”两个功能。

在整个系统中，首先将彩色图像转换为灰度图像，再将灰度图像转换为二值图像，再对二值图像进行形态学处理，最后提取二值图像的几何特征，完成图像识别工作；在对单个圆形图像的识别基础上，利用LABVIEW的while语句，实现了圆形图像的实时跟踪。

关键字：图像识别LABVIEW 圆形图像
Design of Round Image Recognition and Real-time Tracking SystemBased
on LABVIEW
Abstract
Digital Image Procession is widely used in field of national defense, industrial andagricultural production, people’s daily life. Image recognition is an important part of image processingsystem, and a circle (including arc) test is one of the classic problems is in the digital image processing. The program ofthe design is developed to acplish the task of recognition and trackingof round image.
The image processing programs are based on LABVIEW platform, which can recognizes a round image, and plete real-time tracking of many round images. In the programs, a color image isconverted into a grayscale image, and then into a binary image, after making image morphologicalprocessing, the programs will extract the geometry features of thebinary image, finally finish the image recognition.According to the recognition of single round image, we can use while statement in LABVIEW platform, in this way, we can finish real-time tracking of the round image,
Key Words:image recognition; LABVIEW; round image
目录
1.引言1 1.1虚拟仪器概述 1 1.2课题的研究背景 3
1.2.1课题的背景和意义 3
1.2.2图像处理概述 3
1.2.3图像处理技术的应用 5 1.3课题研究的主要任务 5
1.3.1论文的程序语言5
1.3.2系统总体设计思路6 1.4论文的安排 6
1.5本章小结7
2.L A B V I E W程序设计技术7 2.1L A B V I E W软件介绍7 2.2L A B V I E W应用程序的构成8 2.3L A B V I E W的基本模块8 2.4程序调试技术8
2.4.1找出语法错误8
2.4.2设置执行程序高亮9
2.4.3断点与单步执行9
2.4.4探针9
2.5本章小结9
3.图像预处理9 3.1原始图像的输入10 3.2图像的灰度化处理1 1 3.3图像的增强1 3
3.3.1中值滤波14
3.3.2灰度形态学16
3.4图像的二值化18 3.5图像分割技术20
3.6本章小结2 2
4.图像的特征提取和识别22 4.1图像的特征提取概述2 2 4.2图像边界提取2 3 4.3图像的识别2 5
4.4本章小结28
5.实时系统的设计28 5.1实时跟踪技术的发展背景28 5.2实时系统的设计28
5.3本章小结3 1
6.总结和展望31 6.1论文总结3 1 6.2课题展望3 2 参考文献32附件1：界面设计33附件2：程序框图34致谢38
1.引言
图像识别所讨论的问题，是研究用计算机代替人自动地处理大量物理信息，从而部分代替人的脑力劳动，人类识别图像的过程总是先找出它们外形或颜色的某些特征进行分析、比较、判断，然后再加以分析和区别。

我们在研究图像识别的时候，也常常借鉴人的思维活动，采用同样的处理方法。

然而图像的灰度与色彩是有光强和波长不同的光波所引起的，它们与景物表面的特性、方向、光线条件以及干扰等多种因素有关，在各种恶劣的工作环境里，图像与实际景物有较大的差别，因此要区分图像属于哪一类，往往要经过预处理、图像分割、特征抽取、分析、分类等一系列过程。

现在完全可以通过计算机进行模拟，完成图像识别的过程。

本论文主要基于虚拟仪器技术和图像处理技术开展研究的，因此本章首先介绍虚拟仪器的一些相关知识，包括它的主要特点，发展趋势，以及其应用软件开发平台，还有图像处理技术的一些知识。

此外，还介绍了本课题的设计背景、研究目的、方法和意义。

1.1 虚拟仪器概述
1986年美国国家仪器公司NI（National Instruments）首先提出了虚拟仪器的概念。

所谓虚拟仪器（VI，Virtual Instrument）是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的数据处理存储图形环境和在线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器软面板，完成对仪器的控制数据分析存储和显示，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。

与传统仪器相比，虚伪仪器打破了传统仪器的“万能”功能概念，充分利用计算机技术，强调“软件就是仪器”的新概念，软件在某种程序上可以完成传统仪器不可能实现的硬件测试功能：仪器或系统的功能，规模可以由用户自己定义，虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，使得组建系统变得更加灵活简单。

虚拟仪器是建立在当今世界最新的计算机和数据采集技术的基础上，技术更新很快。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下主要特点：
(1)融合计算机强大的硬件资源,突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。

(2)利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性。

通过软件技术和相应数值算法，实时对测试数据进行各种分析与处理，
通过图形用户界面技术,真正做到界面友好、人机交互。

(3)虚拟仪器的硬件和软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。

因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品,使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，缩短系统组建时间。

传统的仪器是以固定的硬件和软件资源为基础的specific系统，这使得系统的功能和应用程序由制造商定义。

这些仪器都是复杂的系统，因此它们变得昂贵而且难以操作和管理。

个人电脑在许多科技领域的广泛应用使其为测量仪器的执行搭建了一个理想的硬件和软件平台，通过增加一个简单的数据采集系统，个人计算机可以仿真任何仪器。

因为它们没有独自占有和访问硬件和软件资源，所以以这种方式产生的仪器被称为虚拟仪器。

不同的仪器只要对该软件重新编程就可以在同一硬件中实现。

虚拟仪器呈现了大量的优势，其中最重要的就是由于硬件和软件资源的重用性降低了成本。

上述特点及虚拟仪器的不断发展和个人电脑降价使虚拟仪器成为传统仪器的一个有价值的替代。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。

虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LABVIEW。

虚拟仪器技术经过十几年的发展，标准化、模块化、软件化、网络化的开放式体系结构将成为未来虚拟仪器重要发展方向。

为了更方便用户使用各仪器制造商和各仪器标准化组织，都不断致力于对硬件和软件的标准化。

VXI技术的开放式体系结构和模块化的自动测试技术，使之成为未来虚拟仪器理想硬件。

以PC机，特别以工控PC为中心的体系结构，以其板卡的高性价比和丰富的软件而将被广泛用于USB，由于其简单、快速和价格便宜，将在未来的虚拟仪器中得到广泛应用。

VXI即插即用系统聪明为实现接独立，将VISA标准定义为编程接口。

可互换虚拟仪器基金会提出了一种新的虚拟仪器驱动技术，即IVI规X，比VPP规X又迈进了一步，使测试界工程师能够建立与测试系统无关的高性能硬件设备，使仪器驱动程序成为仪器测试系统中的标准部件随着软件技术的发展，新虚拟仪器软件开发工具不断涌现，并朝着可视化编程方向发展，软件在虚拟仪器系统中的进们和作用越来越大。

ActiveX，，D，C/S模型，Internet等组件技术和网络技术的应用，使用户能够通过Internet实现远距离控制，将信息和多维空间相连，使远距离监测和控制变得更加容易，虚拟仪器正朝向网络化发展。

1.2课题的研究背景
1.2.1课题的背景和意义
随着时代的发展和社会的进步，人们对智能化的要求越来越高，又由于计算机技术和模式识别等相关技术的飞速发展，使运用当今先进技术来研制适用于众多领域的图像控制系统成为可能和一种必然的趋势。

传统的图像识别系统都是由大规模或超大规模集成电路来完成，主要由图形工作站或者微计算机来实现设备的驱动和图像采集，这就使图像采集依赖于较大型设备，速度较慢，实时性较差，作为小X围内使用价格比较昂贵。

新兴的以LABVIEW为基础的图像处理技术的出现，以其高速、准确的性能为图像处理和模式识别带来了新的途径并且实现图像识别价格比较低廉。

近几年来，随着计算机技术及互联网的发展和普及，数字化成为社会发展的一个必然趋势，数字图像处理技术在人们生产、生活中的应用越来越广泛。

拍照、监控、谷歌地图、天气预报……随处可见数字图像处理技术应用的身影。

在图像的采集和分类工作中，基于LABVIEW 平台设计出的图像识别系统，可将编写的系统程序用数据流展示在控制面板上，便于用户读取和修改程序，互动性强且易于升级。

本文基于LABVIEW 平台设计了关于“圆形图像识别与实时跟踪”的VI系统,从而实现了对采集图像的处理和判断功能，为解决图像识别问题提供了一条选择途径。

实时跟踪系统的设计是基于对单个图片的基础上，不仅可以识别出圆形图像，还可以通过系列循环处理，绘制出图像的运动轨迹，从而为判别圆形物体的运动提供了有效而又精确的方法。

1.2.2图像处理概述
图像就是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼而产生视知觉的实体。

科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75%来自于视觉系统，也就是说，人类大部分信息都是从图像中获得的。

图像处理是人类视觉延伸的重要手段，可以使人们看到任意波长上所测得的图像。

例如，借助伽玛相机、X光，人们可以看到红外和超声图像；借助CT可以看到物体内部的断层图像；借助相应工具可看到红外和超声图像。

1964年，美国在太空探索中拍回了大量月球照片，但是由于种种环境因素的影响，这些照片是非常不清晰的，为此，美国喷射推进实验室（JPL）使用计算机对图像进行处理，使照片中的重要信息得以清晰再现。

这是这门技术发展的重要里程碑。

此后，图像处理技术在空间研究方面得到广泛的应用。

在研究图像时，首先要对获得的图像信息进行预处理（前处理）以滤去干扰、噪声，作集合、彩色校正等，这样可提高信噪比；有时由于信息微弱，无法辨识，还得进行增强
处理。

增强的作用，在于提供一个满足一定要求的图像，或对图像进行分割，也就是进行定位和分离，以分出不同的物体。

为了给观察者以清晰的图像，还要对图像进行改善，即进行原处理，它是把已经退化了的图像加以重建或恢复的过程，以使改进图像的保真度。

在实际处理中，由于图像信息量非常大，在存储及发送时，还要对图像信息进行压缩。

上述工作必须用计算机进行，因而要进行编码等工作。

编码的作用，是用最少数量的编码位（亦称比特），表示单色和彩色图像，以便更有效的传输和存储。

以上所述都属于图像处理的X畴。

对于一个图像处理系统来说，可以将流程分为三个阶段：首先是图像处理阶段，第二是图像分析阶段，第三是图像理解阶段。

图像处理阶段主要是在像素级上进行处理，图像的几何校正，图像的灰度处理，图像噪声滤除的平滑处理，目标物体边界的锐化处理等，图像分析阶段主要对图像里感兴趣的目标进行检测、分割、特征提取和测量，分析的结果能为用户提供描述图像目标特点和性质的数据，把原来以像素描述的图像转变成比较简洁的非图像方式的描述。

图像理解阶段主要通过对图像里各目标的性质和它们之间相互关系的研究，对描述抽象出来的符号进行运算，了解把握图像内容并解释原来的客观场景，提供客观世界的信息，指导和规划行为。

图像处理技术的发展大致经历了初创期、发展期、普及期和实用化期4个阶段。

初创期开始于20世纪60年代，当时的图像采用像素型光栅进行描述显示，大多采用中、大型机对其进行处理。

在这一时期，由于图像存储成本高，处理设备造价高，因而其应用面很窄。

20世纪70年代进入了发展期，开始大量采用中、小型机进行处理，图像处理也逐渐改用光栅扫描显示方式，特别是出现了CT和卫星遥感图像，对图像处理技术的发展起到了很好的促进作用。

到了20世纪80年代，图像处理技术进入了普及期，此时二等微机已经能够担当起图形图像处理的任务。

VLSI的出现更使得处理速度大大提高，其造价也进一步降低，极大的促进了图形图像系统的普及和应用。

20世纪90年代是图像处理技术的实用化时期，图像处理的信息量巨大，对处理速度的要求较高。

目前，图像处理面临的主要问题有：第一，处理信息量很大。

如一幅256×256 低分辨率黑白图像，要求约64kbit 的数据量；对高分辨率彩色512×512 图像，则要求768kbit 数据量；如果要处理30 帧/秒的电视图像序列，则每秒要求500kbit～22.5Mbit 数据量。

因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。

第二，占用频带较宽。

与语言信息相比，占用的频带要大几个数量级。

如电视图像的带宽约5.6MHz，而语音带宽仅为4kHz 左右。

这对频带压缩技术提出了更高的要求。

第三，个像素相关性大。

数字图像中各个像素是不独立的，其相关性大。

在图像画面上，经常有很多像素有相同或接近的灰度。

因此，图像处
理XX息压缩的潜力很大。

第四，无法复现三位景物的全部几何信息。

由于图像是三维景物的二维投影，一幅图象本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。

因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量，这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。

第五，受人的因素影响较大。

由于人的视觉系统很复杂，收环境、视觉性能、人的情绪爱好以及知识状况影响很大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究。

1.2.3图像处理技术的应用
图像处理技术有着广泛的应用，其中最典型的应用有：
(1)遥感技术中的应用
遥感图像处理的用处已经越来越大，并且其效率和分辨率也越来越高。

它被广泛地应用于土地测绘、资源调查、气象监测、环境污染监督、农作物估产和军事侦察等领域。

目前遥感技术已经比较成熟，但是还必须解决其数据量庞大、处理速度慢的特点。

(2)医学应用
图像处理在医学上有着广泛的应用。

其中最突出的临床应用就是超声、核磁共振、γ相机和CT等技术。

在医学领域利用图像处理技术可以实现对疾病的直观诊断和无痛、安全方便的诊断和治疗，受到了广大患者的欢迎。

(3)安全领域
利用图像处理的模式识别等技术，可以利用在监控、指纹档案管理等安全领域中。

目前有清华大学工程物理系开发研制的大型集装箱检测系统，就是利用图像处理技术来实现全自动集装箱检测，从而加快了海关的工作效率，为打击走私立下汗马功劳。

(4)工业生产
产品的无损检测也是图像处理技术的一项广泛应用。

总之，图像处理技术的应用是相当广泛的它在国家安全、经济发展、日常生活中充当着越来越重要的角色，对国计民生有着不可忽略的作用。

1.3课题研究的主要任务
1.3.1论文的程序语言
本课题的主要目的是利用计算机图像处理技术，结合先进的虚拟仪器（图像化编程软件LABVIEW）技术，开发出一种能够自动识别圆形图像的技术，并且可以对该圆形图像进行实时跟踪。

基于LABVIEW的图像工程能够充分利用G语言编程简单、功能完善、应用灵活等突出特点，使得图像工程任务的实现变得更加简单。

1.3.2系统总体设计思路
本系统的输入图像为32 位RGB 彩色图像，在图像输入之后，首先通过灰度图像转换，把彩色图像转换为灰度图，接着对灰度图进行二值化处理，经过二值化处理的图像有比较多的噪点和空洞，需要再对二值图像进行腐蚀和膨胀。

完成数学形态学处理之后，图像的几何特性就比较明显了，通过特征提取，把核心的几何特征提取出来，进行分析和比较就可以识别出圆形图像。

接着，结合LABVIEW中的for循环语句，利用程序将粒子分析模块的处理数据提取出来，送入波形图进行轨迹显示，就可以对识别出的图像进行跟踪。

系统的设计流程图如下所示：
图1.1系统设计流程图
1.4论文的安排
本文共分为6章。

第一章,从虚拟仪器的概述入手，介绍了本次课题的背景和意义，还追溯了图像处理的发展历程，图像处理的基本思想和现今的发展情况。

除此之外，本章还阐述了系统设计的总体思想。

第二章，主要介绍了在虚拟仪器方面应用比较普遍的软件LABVIEW应用程序的构成，主要模块，编程思想，和它独特的数据流等。

第三章，本章主要介绍了图像预处理技术。

主要包括图像的灰度化处理、图像的增强技术、图像二值化还有图像分割技术。

第四章，本章介绍了图像的特征提取和识别技术。

在边缘图像的基础上，需要通过平滑、形态学等处理去除噪声点、毛刺、空洞等不需要的部分，再通过细化、边缘连接和跟踪等方法获得物体的轮廓边界。

第五章，本章在对单个图像的处理基础上，通过编程设计实现了实时跟踪系统的设计。

第六章，本章主要就是对论文进行了总结还有课题的展望。

1.5本章小结
本章从虚拟仪器的概述入手，介绍了本次课题的背景和意义，还追溯了图像处理的发展历程，图像处理的基本思想和现今的发展情况。

除此之外，本章还阐述了系统设计的总体思想。

BVIEW程序设计技术
LABVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国国家仪器公司（NI公司）开发的专门用于开发虚拟仪器的平台，主要是为仪器系统开发者提供一套能够快捷地建立、检测和修改仪器系统的图形软件系统。

该平台功能强大，以图形化编程代替文本编程方式，图形用户界面丰富，具有较强的数据处理功能。

图形化的程序语言又称为“G”语言，它与C、Pascal、Basic等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具以及层次化、模块化的编程特点等。

但两者最大的区别在于，传统编程语言用文本语言编程，而LABVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。

用LABVIEW 编程无需具备太多编程经验，因为LABVIEW使用二等都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此LABVIEW对于缺乏丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。

2.1 LABVIEW软件介绍
LABVIEW是一种图形化编程语言，它广泛地被工业界，学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LABVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-458协议的硬件及数据采集卡式通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP，ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为G 语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的流程图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师熟悉的术语、图标和概念。

因此LABVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试系统时，可以大大提高工作效率。

2.2 LABVIEW应用程序的构成
所有的LABVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）、以及图标/连结器（icon/connector）三部分。

前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。

流程图提供VI的图形化源程序。

在流程图中对VI编程。

控制和操纵宣言在前面板上的输入和输出功能。

流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板上的东西就是仪器面板上的东西，而流程图上的东西相当于仪器箱内的东西。

在许多情况下，使用VI可以仿真标准仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与标准仪器相差无几。

图标/连接器VI具有层次化和结构化的特征。

一个VI可以作为子程序，这里称为子VI（subVI），被其它他VI调用。

图标与连接器在这里相当于图形化的参数，详细情况稍后介绍。

2.3 LABVIEW的基本模块
像许多Windows应用程序一样，当进入LABVIEW编程环境后，首先出现在屏幕上的是两个无标题（untitled）窗口，一个是前面板窗口，用于编辑和显示虚拟仪器的前面板对象，另一个是框图程序窗口，用于编辑和显示流程图。

同时在屏幕上方显示工具按钮，由于两个窗口除框图程序窗口增加了4个用于程序调试的工具按钮外，工具条是一样的，但应特别注意它提供的操作模板，包括工具模板、控制模板和函数模板。

2.4 程序调试技术
2.4.1 找出语法错误
LABVIEW程序的调试与其它计算机语言的编写调试类似，都需要找出语法错误，但LABVIEW的图形化编程方式就相对简单的多，大大提高了编程的效率。

如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行.这时这个按钮被称作错误列表。

点击它，则LABVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用FIND功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。

错误的种类有多种类型，最常见的有：节点之间未连线；有一个或多个节点在程序中没有发挥作用（既没有输入，也没有输出）；程序中两节点之间的数据类型不同，导致数据不能传递；在程序中有一个或几个节点在设计时，并不能按照其原有的功能运行。