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xxxxxx 通信工程系毕业设计论文

毕业设计（论文）

专 业： xxxxx

班 级： xxxx

姓 名： xxx

指导老师： xxxx

二0一三年六月

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3D图像采集

摘要：图像与人们的生产生活息息相关，是人类获取和交换信息的主要来源，据统计人类有80%以上的信息来自于图像。随着计算机软件、硬件技术的日新月异的发展和普及，人类已经进入一个高速发展的信息化时代，科学研究、技术应用中图像处理技术成为越来越不可缺少的手段。图像显示系统包括图像采集、图像传输、图像存储、图像处理和图像分析等。其中图像显示是图像采集技术的基础和前提，图像显示是指把将采集到得图像数据以完整的模式显示出来。图像采集所涉及的领域十分广泛。随着计算机技术发展和计算机应用的拓展，越来越迫切的需要将外面的信息传输到计算机当中进行显示和监控，传统的显示方法是应用VC++进行开发，在这种开发环境下的开发有很高的编程要求，这要求编程人员具有很高的编程能力并且对VC具有很高的认识。为了解决这一问题使复杂的编程简单化，利用LabVIEW开发能够很好的解决这一问题，它利用图形编程语言，使程序简单易懂。

本文主要研究在LabVIEW平台下与外接设备进行数据交换，怎么样调用MATLAB程序，和MATLAB进行图像处理的研究。首先介绍了图像显示分析在国内外的发展情况和现状，然后介绍了3D图像显示的一些原理和前景，再介绍了LabVIEW的大致应用情况，并且与传统的文字编程方法的一些优势。最后详细的对各个模块进行了系统的研究分析。

关键词 3D显示技术；虚拟仪器；视觉与运动；LabVIEW；分析

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目 录

第一章 绪论.................................................. .....1

1.1 研究背景与意义..............................................1

1.1.1 现状分析..............................................1 1.1.2 研究意义..............................................1 1.2 国内外研究现状..............................................1 1.3 研究目标与内容..............................................3 第二章 3D显示的原理及发展趋势............................. ........4

2.1 3D显示的发展流程............................................4

2.1.1 显示技术..............................................4 2.1.2 显示技术的发展........................................4 2.2 3D显示的种类及原理..........................................5

2.2.1 3D显示的种类..........................................5 2.2.2 几种立体显示的原理....................................6 2.3 双眼视差的原理..............................................8

2.3.1 双眼视差的功能........................................8 2.3.2 心理深度暗示..........................................9 2.3.3 生理深度暗示.........................................11 2.4 3D显示的未来发展趋势.......................................13

2.4.1 3D显示在生产行业中的前景.............................13 2.4.2 3D显示在生活应用中的现状及前景.......................15

第三章 软件环境介绍........ ......................................18

3.1 虚拟仪器的原理及系统.......................................18

3.1.1 虚拟仪器的概念.......................................18 3.1.2 虚拟仪器的硬件系统...................................18 3.1.3 虚拟仪器的软件系统...................................19 3.1.4 虚拟仪器库的形成.....................................20 3.2 LabVIEW概述................................................20

3.2.1 LabVIEW软件的介绍....................................20 3.2.2 视觉与运动模板介绍...................................23 3.3 LabVIEW应用................................................27

3.3.1 创建虚拟仪器.........................................27 3.3.2 程序调试技术.........................................29

第四章 用LabVIEW采集图像并合成3D图像............................30

4.1 LabVIEW图像采集分析概述....................................30

4.1.1 图像采集.............................................30 4.1.2 图像处理.............................................31 4.1.3 LabVIEW与外在连接概述................................32 4.2 模块设计及图像合成.........................................33

4.2.1 采集模块.............................................33 4.2.2 3D图像的合成.........................................35

总结.................................... ..........................37

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致谢.................................... ..........................38 参考文献.................................... ......................49 附录.................................... .................... ......40

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

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。

1.1.1 现状分析

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。在农产品的采摘和分类工作中，基于LabVIEW平台设计出的数字图像处理系统，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。

随着多媒体技术和网络技术的快速发展，数字图像处理已经广泛应用到了人类社会生活的各个方面，如：遥感，工业检测，医学，气象，通信，侦查，智能机器人等。作为数字图像处理重要环节的图像评价技术的研究也受到广泛关注，在图像处理各项技术，如图像采集，图像压缩，图像增强与复原，以及图像去模糊等算法中，图像质量评价都起到了非常重要的作用。总的来说，图像质量评价的主要应用有以下几方面：运用于图像或视频系统，使其能够获得最佳图像；作为图像系统的一项基准指标，用以评价图像或视频质量；作为反馈量，优化算法中的各项参量，改善系统性能等。由此可见，数字图像评价的研究具有重要意义。

1.1.2 研究意义

目前现有的平板显示器件绝大多数都只能显示二维信息，为了使显示的场景和物体具有立体感，使观看的效果逼真又清晰，达到身临其境的感受，人们不断对3D显示技术进行研究。3D显示可以表现图像的深度感、层次感和真实性可广泛应用于影视娱乐、军事、视频通信以及医学等方面。3D显示主要可分为如下两类：眼镜式3D技术和裸眼式3D技术。眼镜式3D技术的三种主要类型是色差式、偏光式和主动快门式。目前发展相对比较成熟裸眼式3D技术可分为视差屏障技术、柱状透镜技术和指向光源技术等，是未来的重点发展方向。

1.2 国内外研究现状

1964年，美国喷气推进实验室利用计算机对太空船发回的月球图像信息进行处理，收到明显的效果，不久之后，一门称为数字图像处理的新学科诞生了。

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自20世纪70年代末以来，由于数字技术和微机技术的迅猛发展给数字图像处理提供了先进的技术手段，图像处理技术也由信息处理、自动控制系统理论，成长为旨在研究图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合利用的崭新学科。

随着图像处理技术基础理论的发展，具有数据量大、运算速度快、算法严密、可靠性强、集成度高、智能性强等特点的各种应用图文系统在国民经济各部门得到广泛的应用，在逐渐深入到家庭生活。有人预言，图像产业将是新世纪影响国民经济、国家防务和世界经济的举足轻重的产业。当前，通信、广播、计算机技术、工业自动化、国防工业乃至印刷、材料科学等部门的尖端课题无一不与图像处理科学的进展密切相关。

随着计算机技术的发展，特别是高速数字信号处理器(DSP)的应用，极大地推动了图像处理技术的发展。图像处理系统分为通用图像处理系统和专用图像处理系统，其发展过程大致可分为三个阶段。

第一阶段大体上是20世纪60年代末到80年代中期，当时的代表英国JOYCELOEBL公司推出的 MAGISCAN图像分析系统以及美国VICOM公司推出VICOM-VEM图像处理工作站、VICOM-VEM机器视觉计算机。MAGISCAN用于医学图像处理和金相分析，VICOM-VEM系统主要用于工业控制。由于这些系统采用机箱式结构，所以系统的体积比较大，虽然功能较强，但价格昂贵。我国图像处理系统的研制起步较晚，主要有清华大学的TS79小型通用图像处理系统、TJ82图像计算机和TS84多功能微机图像处理系统。同样是采用机箱式结构，主流计算机采用小型机。

第二阶段是从80年代中期到90年代初期，该阶段的特点是小型化，外部结构不再是机箱式而是插卡式。通过把图像卡插到计算机内，即可和计算机构成图像处理系统。典型产品有：美国Image Techno logy公司的PCVISION系列图像卡，美国DT公司推出的DT2851图像卡、DT2858图像卡和DT871真彩图像卡。加拿大MATRON公司也推出一系列图像卡。在国内，80年代末到90年代初，中科院自动化研究所成功研制CA系列图像卡，清华大学成功研制TH系列图像卡。由于图像卡体积小、价格低、使用方便，所以很受用户欢迎。这阶段的图像卡大都开始采用大规模集成电路甚或是专用集成电路。这阶段特点是：主流机采用PC，计算机总线采用ISA总线。

第三阶段是从90年代初开始，这阶段的产品出现两大分支，一种仍是采用插卡式，随着PCI总线技术的成熟，使得采用PCI总线的图像卡逐步取代采用ISA总线接口的图像卡。在国内，北京中自技术集团、微视公司等都推出系列PCI图像卡产品。该类产品的特点是：采用PCI总线，在Windows平台上编制图像处理软件。另一种图像卡是采用大规模集成电路或专用芯片取代计算机的脱机图像处理系统。随着DSP芯片集成度、运算速度的大幅度提高，价格大幅度降低，DSP芯片成为脱机图像系统的主流处理器。由于美国TI公司在DSP市场上的主导地位，使得TI公司的图像处理平台在世界上处于领先地位。国内的DSP技术起步较晚，但发展很快。90年代末就有比较成熟的产品出现。典型产品有闻亭公司的T6201P/PA,WT6701P/PA图像处理系统和WT32EA通用图像处理系统。目前，由于PCI总线的诸多优点，在没有特殊限制的场合，采用计算机+PCI接口图像采集卡仍将是图像处理系统的主流配置。但随着半导体技术的飞速发展，基于DSP和大规模集成电路的脱机图像处理系统的开发与应用将达到更高的水平。

几年来，瞬态物理国家重点实验室在研制电视导引头的过程中使用了多种图

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像采集处理系统，例如:PC机+OK卡、TMS320C6711、TMS320C6416和TMS320DM642等。综合考虑各款国内外的图像处理平台的处理速度、图像接口、性价比等因素，TMS320DM642显示出优势。这款TI公司的DSP芯片具有内核速度快(600MHz)、有独立的视频端口、强大的存储器扩展能力、不断下降的价格等特点。

纵观当今国内外图像卡产品的现状，图像采集系统趋于实时性，而且功能实现越来越复杂，FPGA（Field Programmable Gate Array）以其自身优势引起图像处理系统制造商的关注，但一般为国外产品，而且价格相对昂贵。

1.3 研究目标与内容

研究目标是利用虚拟仪器和一些硬件来实现图像的采集并把拍摄的图像合成3D图像。

研究内容有基于现有3D技术的分析、各种3D现实的原理及未来发展趋势。同时学会使用虚拟仪器、能编写一些相关应用的程序。最后能结合软硬件来实现3D图像的采集。

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第2章 3D显示的原理及发展趋势

2.1 3D显示的发展流程

2.1.1 显示技术

显示，一般是指物品的陈列和展示。但随着科学技术的不断发展，显示主要是指对信息的表示，是为了将特定的信息向人们展示而使用的全部的方法和手段。在21世纪的信息工程学领域，显示技术被限定在基于电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容传递给眼睛产生的视觉效果。显示技术已经不在局限于以前的阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）和液晶显示技术（Liquid Crystal Display，LCD），等离子显示板（Plasma Display Panel，PDP）有机电致发光显示器（Organic Light-Emitting Diode，OLED）、立体显示等多种新型的显示技术和显示方式。

显示技术也叫信息显示，利用它可把看不见的电信号转化成发光信号（包括图形、图像或字码等）。信息显示主要由信息源、数据处理和显示器三部分组成，如图2-1所示。

计算机

摄像机

磁盘

传感器

数据处理器 显示器 图2-1 信息显示的基本过程

2.1.2 显示技术的发展

1. 1970年以前的早期显示器

最早的电子显示器是1897年由德国布劳恩（Braue）发明的阴极射线光（CRT），

也称为布劳恩管。1950年，美国RCA发明了荫罩式彩色CRT，CRT用于彩色电视机，使彩色电视机飞速发展。彩色CRT的性价比最好。彩色CRT在正常工作时，必须有电子枪和偏转线圈，因此，使得彩色CRT体积大、质量大。

2. 平板显示的崛起

1970年以后，随着超大规模的集成电路的发展，显示器的外观越来越小，同时功耗小，便于携带。LCD显示器借助于集成电路技术，发展出非晶硅薄膜晶体管（TFT）显示器，即有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）使显示器显示大量信息。LCD的一个缺点是响应速度低，不适于用做视频图像显示，为了使LCD能进入电视机领域，一方面将液晶层做薄；另一方面对液晶材料进行深入研究，开发出一系列适合快速视频显示的材料。

3. 全彩色PDP的产业化

在LCD尚未解决其视角小、响应慢的缺点以前，一致认为PDP是唯一适合

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40英寸以上高清新度显示的显示器。但是PDP在20世纪80年代在单色屏上取得重大成果后，在全彩色化的道路上遇到很大困难。而寿命和发光效率也困扰着PDP的发展。

4. LED的出现

在各种显示屏中，LED解决了前者的不足。LED虽然是主动发光，但分辨率低。它属于发光二极管。基本上是利用半导体制造工艺，在一个圆片上制出众多小芯片，经分割后，通过后工序制成单芯片或多芯片的LED，工艺复杂，分辨力也提高困难。

5. 立体显示的到来

随着社会的进步，人们对物质和精神的追求越来越高。20世纪90年代以来，随着液晶显示技术的成熟，以液晶、等离子为代表的新一代显示设备以其全彩色精致影像画质、节省能源、无辐射、无闪烁等优点获得了快速发展。立体显示技术的研究方向也已经集中于基于液晶平板显示器的裸眼立体显示技术。2004年，经过多年研发，Super立体影像工作站正式问世，实现商用。它成功的实现了液晶显示器和裸眼立体显示技术的巧妙结合，具有近乎完美的自由立体图像显示功能，给人们带来一场全新的视觉盛宴。

进入21世纪，3D已成为当前最受欢迎的显示技术，这已成不争的事实。可是，当人们沉浸过“身临其境”感后，头晕目眩的感觉也令人倍感不安。我们暂且不考虑3D眼镜给消费者所带来的成本，对于近视观众来说，在近视眼镜上再加上一副眼镜，想想都是一件很累、很复杂的事情。科技的本质就是把好的东西带给人类，并使之一切更加容易、更加简单、更加便捷，因此，裸眼3D是未来显示技术发展的必然趋势。

与二维显示相比，立体显示技术的诞生解决了虚拟现实领域的视觉显示问题，能在一定程度上给观察者以生临其境的感受，可以真实的重现客观世界的景象，表现图像的深度感、层次感和真实性。

2.2 3D显示的种类及原理

2.2.1 3D显示的种类

立体知觉的作用分为两眼起作用和单眼起作用两种情况。前者包括两眼视差和复合，后者包括焦点运动和运动视差。它们都是直接影响立体效果的因素，此外，经验知识等也是重要因素。

当用摄像机从不同角度拍摄同一景物时，所得到的图像会有一些微小的差异。与此同理，人在用两只眼睛看同一物体时，左右眼视网膜成的像也是不一样的，两眼作用就是利用这种差异来判断前后关系的，这就是两眼视差，它担负着立体视的核心任务。例如，有一个位于远处的大球和一个位于近处的小球，如果球上没有图案或阴影，那么单眼是很难判断它们的远近。而如果用两只眼睛来观察，他们的前后关系和大小就显而易见了。两眼视差作用的大小由此可见。此外，眼睛还要为注视某个点儿工作，这时，其光轴就要对准注视点而向内运动，这就是称为辐辏的功能。

单眼作用是一只眼睛收集立体信息。眼睛里有一种透镜，看远处和看近处时透镜厚度被调节在不同的大小上，这种透镜焦点调节功能可以给出前后关系的判

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断。一般情况下，焦点被调节在与辐辏相同的位置上。运动视差是当人和物体移动时视见度的变化。假定是水平方向的移动，则观看物体的角度就会发生变化，物体上的一些遮挡部位就能看到了。此外，远处景物的时间度不怎么变化而近处物体则是以很快的速度变化的，这种经验知识也是立体感的重要因素。

人们早就知道两眼视差在立体感中起到了巨大作用。显示的分类出了以上的方法外，现在一般分为眼睛方式和非眼睛方式。眼睛方式和非眼睛方式又可以按左右图像的显示方式分为空间切割方式和时间切割方式。眼睛方式中，具有代表性的空间分割方式有窥视镜方式、偏振光眼镜方式、立体照片方式、普尔费里其方式。时间分割方式中，快门眼镜方式已广为人知，它也有偏振光眼镜方式。非眼镜方式有视差栅方式、条形透镜方式、积分照相方式等。这些非眼镜方式中，观看者所看到的图像是随观看位置变化而变化的，能看到不同图像的区域取决于视差图像的个数。也可以按视差图像个数的多少分为两眼式和多眼式。

2.2.2 几种立体显示的原理

1. 色差式3D 立体成像

色差式3D历史最为悠久，成像原理简单，实现成本低廉，但是3D画面效果也是最差的，需要配合色差式3D眼镜才能看到3D效果。色差式3D先由旋转的滤光轮分出光谱信息，使用不同颜色的滤光片进行画面滤光，使得一个图片能产生出两幅图像，人的每只眼睛都看见不同的图像。目前我们较为最常见的滤光片颜色通常是红蓝，红绿，或者红青，立体眼镜的左、右眼镜片分别是红色或蓝色滤光片，它使得戴红色滤光片的左眼只能看到红色图像，戴蓝色滤光片的右眼只能看到蓝色图像，经大脑融合形成立体图像。目前采用这种技术的影院已经越来越少了，毕竟跟不上用户体验度的需求。

优点：技术难度低，成本低廉。

缺点：3D画质效果不理想，图像和画面边缘容易偏色。

2. 快门式3D 技术

快门式3D技术,使用一付主动式LCD快门眼镜，交替开关左眼和右眼,让左右眼看到的两幅图像在我们的大脑中融合成一体来实现，从而产生单幅图像的3D 深度感。目前三星、LG、SONY等国际大厂所推出的3D电视主要使用的就是这种3D显示技术。在PC领域的NVIDIA的3D stereo、在投影领域的德州仪器的DLP Link，XPAND 3D系统也都是属于快门式3D技术。

快门式3D技术的原理是根据人眼对影像频率的刷新时间来实现的，通过提高画面的快速刷新率(至少要达到120Hz)，左眼和右眼以60Hz的快速刷新图像才会让人对图像不会产生抖动感，并且保持与2D视像相同的帧数，观众的两只眼睛看到快速切换的不同画面，并且在大脑中产生错觉，便观看到立体影像。主动快门式眼镜都采用的是液晶控制开合，通过液晶分子的运动控制左眼或右眼感知画面，刷新频率为60Hz，这样就是为什么3D电视要求面板刷新率最低为120Hz的原因。目前市面上有些机子的刷新频率很低，达不到120Hz，所以在商场试机的时候会有明显的闪烁，特别对着日光灯的时候，因为频率的不同步造成的闪烁感特别明显。刷新频率越低，闪烁感越大，120Hz其实才刚刚达到可用的要求，用过CRT显示器的同学都知道，刷新率越高，画面越稳定，眼睛越不容易疲劳。在电视机端采用RF或IR的方式发射同步信号，眼镜里的MCU 接收到信号后进行处理，分离出R/L的开关信号，经升压电路做升压处理（约10V）后作为眼镜

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镜片的开关电压。此外，眼镜里面还有一个3.7-4.2V输入降至3.6V的DC-DC用来给单片机供电，一个+5V输入（USB处取电）给锂电池充电的充电电路。而由TI制作的电视与投影机打出的DLP®-Link白光快门讯号会直接由Xpand公司制作的眼镜接收，免除过去需额外组装发射器的昂贵发射和接收系统。

优点：资源相对较多，厂商宣传推广力度大，3D效果出色。 缺点：快门眼镜价格昂贵。

3. 偏光式3D 技术

偏光式3D技术（即偏振式3D技术），属于被动式3D术，眼镜价格也较为便宜，目前3D电影院、3D液晶电视等很多采用偏光式3D技术。偏光式3D也细分出了很多种类，例如应用于投影机行业的偏光式3D技术，则需要两台以上性能参数完全相同的投影机才能实现3D效果，而应用于电视行业的偏光式3D 技术则需要画面具有240Hz或者480Hz以上的刷新率，同时在屏上贴一种偏光膜，使画面能从不同的方向传送，而偏光眼镜让左右眼画面分离成垂直和水平画面，在大脑中交错重叠后实现3D效果。 在偏光式3D系统中，目前市场中较为主流的有Reald 3D系统、Masterimage 3D、杜比3D系统三种。特别是Reald 3D技术，其市场占有率最高，而且不受面板类型的影响，可以帮助任何支持3D能的电视和显示器产生出高清3D影像，拥有这项技术的Reald公司主要是通过技术授权进行推广。

优点：偏光式眼镜价格低廉，3D效果出色，市场份额大。

缺点：安装调试繁琐，成本不便宜，画面分辨率减半，难实现全高清。

4. 光屏障式（Barrier）3D 技术

光屏障式3D技术也被称为视差屏障或视差障栅技术，其原理和偏振式3D较为类似，是由夏普欧洲实验室的工程师十余年的研究成功。光屏障式3D产品与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势，但采用此种技术的产品影像分辨率和亮度会下降。光屏障式3D技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向90°的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁，在立体显示模式下，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼，通过将左眼和右眼的可视画面分开，使观者看到3D影像。

优点：与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势。 缺点：画面亮度低，分辨率会随着显示器在同一时间播出影像的增加呈反比降低。

5. 透镜3D技术

柱状透镜(Lenticular Lens)技术也被称为双凸透镜或微柱透镜3D技术，其最大的优势便是其亮度不会受到影响。柱状透镜3D技术的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。不过像素间的间隙也会被放大，因此不能简单地叠加子像素。让柱透镜与像素列不是平行

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的，而是成一定的角度。这样就可以使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。之所以它的亮度不会受到影响，是因为柱状透镜不会阻挡背光，因此画面亮度能够得到很好地保障。不过由于它的3D显示基本原理仍与视差障壁技术有异曲同工之处，所以分辨率仍是一个比较难解决的问题。

优点：3D技术显示效果更好，亮度不受到影响。

缺点：相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容，需要投资新的设备和生产线。

6. 视差挡板式裸眼3D技术

视差挡板就是在光路加上一些遮蔽物，把部分方向的光遮住，只让某些角度的光可以传出去。 挡板的位置经过精密计算，可以左眼像素（绿色）只被左眼看到，右眼像素（红色）只被右眼看到。

优点：结构及制作比较简单。 缺点：分辨率下降，亮度下降。

2.3 双眼视差的原理

2.3.1 双眼视觉功能

双眼视觉在生理学上将其分为三个阶段，称为Ⅰ、Ⅱ、III级双眼视觉功能，分别是同时视、融合功能以及立体知觉。下面对它们予以分别介绍。

1.同时视

同时视是指两眼黄斑中央凹和黄斑外对应的视网膜成分有共同的视觉方向，双眼具有同时注视并感知的能力。同时视是I级，即最初级的双眼视功能。没有同时视就不可能有融合功能和立体知觉。

若采用同视机观看两幅图片，如图2-2所示，一幅图片显示车库，另一幅图片显示汽车。在人的左右眼对应的镜筒前分别放置车库图片和汽车图片，若观看者同时视功能正常，则推动镜筒能使汽车进入车库内，形成一个完整的汽车在车库里的感觉。相反，若观看者不具有正常的同时视功能，则无论怎么推动镜筒，都不能形成一个完整的汽车进入车库里的感觉。

图2-2 同时视示意图 图2-3 融合功能示意图

2.融合功能

融合功能是II级双眼视功能，包括感觉性融合及运动性融合。 感觉性融合是在双眼具有正常同时视的基础上，通过大脑的分析处理，能将

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同时来自双眼视网膜对应点上有轻微差别的两个影像综合为一个完整物像的功能。用同视机检查，如图2-3所示，一只眼睛看到的茶杯无水蒸汽却有碟子，而另一只眼看到的茶杯有水蒸汽却无碟子，经过大脑的融合能合二为一，感知一个茶杯既有水蒸汽又有碟子的完整画面。

运动性融合则是一种大脑枕叶的心理视觉反射，是指由于落在两眼视网膜非对应点分离物像的刺激，视中枢引起反射性眼球定位运动，将物像调整到两眼中央凹或对应点上的能力。

3.立体知觉

立体知觉是Ⅲ级双眼视觉功能，也称为立体视觉，是视觉器官对周围物体远近、宽窄、高低立体空间位置的分辨感知能力，是建立在双眼同时视和融合功能基础上的高级双眼视功能。产生立体视觉的因素很多，如众所周知的双目视差等，接下来将做详细介绍。

2.3.2 心理深度暗示

心理深度暗示是人们通过在日常生活中长时间的经验积累获得的，主要包括以下几个方面。

1.视网膜像的大小 （Retinal Image Size）

在日常经验中，我们对很多物体的实际尺寸已有一定程度的了解，再加上物体在视网膜上的成像与距离、几何尺寸等有着直接的关系。因此，在已经确知对象物体大小的场合中，当视网膜上物体的像较大时，可判断物体距离观看者比较近，反之若视网膜上成的像比较小，则可判断物体距离观看者比较远。

2.线性透视 （Linear Perspective）

景物随着距离的增加而线性减小。例如平行的道路愈远处显得愈窄，而道路两旁的路灯及房屋在愈远处显得愈小。这在绘画中被广泛地应用，如图2-4所示。

图2-4 线性透视

3.重叠 （Overlapping）

前面的物体会将后面的某些物体遮挡掉，这种遮挡与被遮挡的关系称为重叠效应。图2-5（a）和图2-5（b）中提供了重叠深度暗示，我们很容易就能判断出图2-5（a）中A在前B在后，而图2-5（b）中B在前A在后；然而图2-5（c）和2-5（d）中则没有重叠深度暗示，我们看不出A和B的前后位置关系。

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A

A A A

BA （a）

BA （b）

BA （c）

BA （d）

图2-5 重叠

4.结构梯度 （Texture Gradient）

如图2-6所示，当注视砖墙或鹅卵石路面时，它们的均匀结构的梯度给人以深度暗示。

图2-6 结构梯度

5.阴影 （Shadow）

图2-7是两个方形的图案，其中图2-7（a）看起来是凸出平面的，而图2-7（b）是凹进平面的。这是一种心理学上的错觉，主要根源在于光照对人的意识的影响，通常情况下认为暗的部分是由于光线被遮挡，亮的部分是光线的直接照射。由此产生认知上的约定俗成，当看到类似图片时，也会在心理上产生空间层次感。

(a)

(b)

图2-7 阴影

6.大气透视 （Aerial Perspective）

在同一幅图像上，若远处的群山或树木看起来有些模糊，就更增强了深度感。这种现象是由于远处的景物因光线被空气中的微粒（如尘埃、烟、水气等)所散

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射而显得模糊，而观看者也会根据日常经验意识到它们处于较远位置。

7.颜色差异 (Color Difference)

同一视标由于颜色的不同，有时看起来近，有时看起来远。若亮度相同，一般长波长的颜色看起来近些，短波长看起来远些。

8.诱导立体 （Induced Stereovision）

在具有双眼立体像的周围如存在有单眼所看到的图像部份，该部份将被诱导成具有很强立体感的立体像。因而利用这一效应可扩展整个立体像的范围。

9.大屏幕显示 （Large Screen Display）

随着宽屏幕、超大屏幕、半球形穹顶屏幕等的出现，虽然被显示出的是2D像，但却使人有浸沉在画面中的立体感觉。人的视野很宽，大约相当于一个水平方向220°垂直方向130°的橢圆形广角相机，但能够很自然地观看范围是水平方向不小于90°而垂直方向不小于70°。视野至少要在此范围之内加上其它一些能发挥单眼视觉立体感的因素会产生较强的立体感觉。

2.3.3 生理深度暗示

生理深度暗示包括单眼立体视觉暗示和双眼立体视觉暗示。前者主要包括眼睛的焦点调节和单眼移动视差；后者主要包括两眼集合和双目视差。

1.焦点调节 (Accommodation)

在观看外界物体时，人眼通过睫状肌的收缩（张弛）来调节晶状体的厚度变厚（薄）从而减小（增大）焦距，进而使近（远）处的物体在视网膜上清晰成像。大脑的神经中枢通过睫状体的收缩-张弛信息，就可知道外界物体与观看者间的绝对距离。然而许多实验证明调节对立体知觉的有效作用区域只在10米之内，对于远处物体调节作用便会消失。

2.单眼移动视差 (Monocular Motion Parallax)

当观看者移动或活动头部时，视觉空间内物体间的相互位置关系也会随之按某种规则产生变化。如图2-8所示，当观看者在注视物体A的状态时，向箭头所示方向移动。此时比物体A离观看者更靠近的某个物体B会沿着与观看者移动相反的方向运动。而另一方面，比物体A离观看者更远处的某个物体C则按与观看者移动相同的方向运动。

C A B B A C B A C 图2-8 单眼移动视差

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将这种伴随着观看者移动所产生的物体之间相互位置关系的变化称为单眼移动视差，借此可知观看者所见的物体之间的前后关系。

3.两眼集合 (Convergence)

当用双眼观看对象物时，为了把注视点在双眼的中央凹处形成像，使双眼向内侧回转。当用双眼注视对象物时，两眼视线所形成的夹角称为集合角。此集合角与到对象物的距离成反比例，因此可以用于判断观看者到对象物的距离。但是，在对象物处于较近的情况下，集合角的变化量也比较大，而当对象物的距离比较远时，集合角的变化量也比较小，检测能力会明显降低。利用集合角可检测的距离信息大约在20m左右。

4.双目视差 （Binocular Parallax）

在观看一个空间物体时，两眼瞳孔之间相距大约为65mm，所以两眼是从不同角度看这个物体的，左眼看到物体左边部分多一些，而右眼看到右边部分多一些，在左眼和右眼视网膜上分别感受着不完全相同的刺激，形成眼视觉上的差异，即双目视差。双目视差是深度信息的客观物理现象，是产生立体知觉的重要生理基础。如图2-9所示，当把一本书放在眼睛正前方一定距离的地方，使书脊朝向人脸，这时左眼就能看到书的封底，而右眼能看到书的封面。当左右眼视网膜产生的影像同时传向视觉中枢时，人就能感到眼前的这本书有立体感。若视网膜上的视觉差异是水平方向的，就称作水平视差（Horizontal Parallax)；视网膜上下方向的视差称作垂直视差(Vertical Parallax)。

Q

M P 左眼图像 右眼图像 左眼 右眼 图2-9 双目视差

图2-10视界圆

当两眼注视一个物体时，通过两眼结点及注视点所画的三角形的外接圆，称为视界圆。如图2-10所示，所谓视界圆的概念，又可理解为相对于眼球后极视网膜弧面，在两眼球前方空间的一个空心球面，球面的中心是两眼黄斑的注视方向，球的弧面上每一个点都能经双眼的结点，在视网膜形成以黄斑中央凹为中心完全相对应的点，这是根据“对等弧的圆周角相等”的原理所决定的。对正视眼来讲，从双眼的集合近点至无限远的空间，在不同距离的不同注视点将有无数这样的弧面，越远越接近平面，称为视界圆的基础面。图2-10中，点M为注视点，那么远于和近于注视点的点Q和点P分别具有正水平视差和负水平视差。

既然在视界圆上任何一个物像的刺激都能使双眼视网膜产生对应点形成双眼单视，那么从理论上讲，所有离开视界圆的物体通过两眼结点，会由于一定的

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视角差异，刺激视网膜非对应点，投射向不同方向形成两个物像，产生复视。然而事实上，或近或远稍离开视界圆有限距离的物点，虽然不是落在双眼视网膜对应点上，仍可使人产生双眼单视，这是因为人类经过视觉实践的锻炼，原来的双眼视网膜对应点扩大成对应区，并把视界圆包括在内，这种扩大的双眼单视区由Panum（帕努姆）于1856年所证实，故称为Panum对应感觉区。在此区域内，人们可保持双眼单视且立体感程度随着双目视差的增大而增大，但当双目视差超过Panum对应感觉区时，人们会产生明显复视现象，立体感相失。

2.4 3D显示的未来发展趋势

2.4.1 3D显示在生产行业中的前景

事实上早在十几年前，3D立体显示技术雏形就已经被开发出来，以达到在2D显示设备上显示3D立体画面的效果。在随后的时间内，很多厂商都推出了自己的3D显示解决方案，它们在显示原理以及实际效果上都有很大的区别。

在三星和优派分别推出3D显示器后，一部分网友并不以为然，认为它们所使用的3D技术和之前推出的相同。但事实上并非如此。接下来，我们就对目前常见的几种3D技术进行介绍，看看各种3D显示技术的优点和存在的问题。

目前已经有包括三星在内的多家显示器厂商都推出了免佩戴专业眼镜就能看到3D立体画面的显示设备，如图2-11所示。它们最大的优势就是可以人们完全不需要佩戴眼镜就能体验到身临其境的效果。

图2-11 三星推出的无需佩戴专用眼镜的大尺寸3D显示器

这项技术一般被称为「裸眼多视点」技术，也就是不通过任何工具就能让左右两隻眼睛从显示屏幕上看到两幅具有视差的、有所区别的画面，将它们反射到大脑，人就会产生立体感。它也利用了人眼的视差原理，通过给观看者左右两眼分别送去不同的画面，从而达到立体的视觉效果。如图2-12所示。由于观察着可以不佩戴眼镜，因此这些技术非常适合在公共场所展示的大屏幕显示器，便于多人观赏。

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最近，柯达宣佈推出了一种新的裸眼3D显示技术，和上文中提到不同的是，柯达发佈的这项技术使用了两个高清晰度LCD显示屏的广视域和虚拟影像，这种台式显示器视域范围为45°×36°，分辨率为1280×1024。

图2-12 免专用眼镜3D显示技术成像方式

不过，裸眼3D显示技术的缺点也非常明显：人们在观看屏幕时，必须位于一定的范围内才能观察到立体画面，若距离屏幕位置太远，或观察角度太大的时候，3D效果并不明显。此外，若离屏幕距离太紧，人会有明显的头晕现象，因此该技术暂时还不适合在小尺寸显示器上使用。此外，这种技术在显示效果方面相对较差。

相信大多数读者最开始接触立体影像是在电影院中欣赏3D电影。亲自观看过立体电影的读者都知道，若在观看时把眼镜拿掉，仅使用肉眼来观看，会发现电影画面十分模糊，似乎画面由两个不同的影像所跌价而成，而戴上眼镜之后，这种现象也会消失，这是为何呢？如图2-13所示。

图2-13 不佩戴3D眼镜时看到的是模糊的画面

电影萤幕中的光线透过立体眼镜对光的选择，而分别呈现在人的左眼和右眼

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中，使人体产生立体影像的感觉。从技术原理来看，3D立体电影一般采用两种成像原理，一种是红蓝滤光成像技术，这种电影需要搭配专门的红蓝滤色镜才可以观看；如图2-14所示。而另一种是偏光滤光成像技术，如IMAX电影，它只有使用偏振光眼镜才能看到立体效果。

图2-14 采用红蓝滤镜的3D眼镜

对于红蓝滤光成像技术而言，该技术不会不受现有影像设备的限制，只要搭配一副红蓝滤色镜就可以体验到3D立体效果。在播放电影时，实际上是通过插值运算的方法来实现立体效果。

除了桌面显示器外，手机、PDA等掌上设备的显示屏幕也将会采用3D显示技术。近期，三星为我们展示了一款针对手机设备开发的3DOLED面板。考虑到便携性，这类手机3D屏幕不会要求人们佩戴专用的3D眼镜。除了三星外，如东芝等厂商也推出了相关的技术，其原理是通过覆盖在屏幕上的一层特殊的「透镜」实现的。它可以把小型显示屏中显示的图像「分开」称两幅略微不同的画面，并分别送入左右眼中，让画面变得立体有深度。由于该「透镜」的厚度极薄，人的肉眼甚至无法直接看到它的存在，不会影响到画面的正常显示。

除了本文所说的在普通的2D屏幕中实现立体的画面的3D技术外，几年前国外有厂商推出了如地球仪似的球体显示设备，它能够真正显示出立体的3D效果，人们在不同的角度观察，能够看到不同的影像。不过这种显示设备更多的是用在医学或天文研究中，而不会作为消费类产品进行销售。

终上所述，随着技术的进步，3D显示技术和普通消费者的距离已经越来越近，它不再是行业用户的专利。在三星和优派均推出遊戏性3D显示器后，人们可以将3D显示器搬到卧室内，而不用和其他人一起挤在电影院中观看。凭藉着身临其境的立体画面，3D显示器对高端遊戏玩家而言拥有极大的吸引力。除了针对个人用户外，3D显示器同样适合于商用以及科研，如展示分子结构模型、军事目标、文物艺术品展示、会展、大企业形象展示等各领域发挥其独特的作用。相信随着3D技术进一步成熟，我们今后会在生活的各个领域中看到3D显示设备的身影。

2.4.2 3D显示在生活应用中的现状及前景

1.3D市场无比混乱

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无比混乱的市场可以说是3D市场目前面临最大的难题。作为一种新型的显示技术，3D技术目前正处于蓬勃发展的阶段，但是整个3D行业却无统一标准，不仅消费者晕头转向，有些厂商的技术人员也为之头疼。 如果想让整个市场取得革命性的突破，那么制定相关的3D行业标准也就成了迫在眉睫的事情。在3D内容制作、媒介传输、信号接口、显示解码等诸多环节均建议相应的规范，让厂商在生产研发之时有章可循，也还消费者一个明明白白。

2.3D使部分观众眩晕

大部分观众看完《阿凡达》都连声叫好，但是我们也不应忽视部分因为3D版《阿凡达》而出现眼干、眼痛、头晕、恶心等症状的观众，据报道还有观众观影后突发急性青光眼。3D画面是虚实交汇的，这些动感的虚画面会让人们聚焦眼球很困难，长时间观看很容易出现头晕、头痛。另外，电影院内光线比较暗，观众瞳孔自然就会放大，另外3D画面对于眼睛刺激性也特别大，眼压也会随之升高，出现眼干、眼痛等症状。

3.3D资源稀少

想看1080p高清视频？网上随便一搜琳琅满目。但是3D内容呢？虽然支持3D的游戏已经多达百款，但是每年在影院放映的3D电影还寥寥无几，其他诸如3D图片等资源更是为数稀少，在这种情况下，消费者又有什么理由耗费数倍的价钱去购买一款“华而不实”的产品呢？

4.大多3D产品不支持1080p全高清

对于3D产品厂商来说，从行业长远的发展来看，将全部热情扑在产品的研发推广毫无疑问是错误的。作为普通的消费者，只有亲身体验震撼逼真的3D效果，并且了解到市场中充斥着为数甚多的3D资源才会选购3D显示设备。

也许在一两年后，此问题便以得到彻底解决，但是从目前的情况来不支持1080p全高清的3D设备还是占据了大部分的市场。好不容易才感受到了1080p的清晰逼真，现在却让我为3D而选择放弃，相信没有几位消费者会答应。好在3D技术经过10余年的发展，终于在近些年突破了这一瓶颈，大多已能够支持1080p内容。可以预见的是，以后的大屏幕3D显示设备均兼容1080p高清，二者缺一不可。

5.戴3D眼镜有诸多不便

戴3D眼镜不方便的问题是针对眼镜式3D技术而言的，但是在目前市场中，裸眼式3D产品寥寥无几，大众消费者默认为3D技术都是需要戴眼镜的。话题再回到《阿凡达》上来，据部分媒体报道，在《阿凡达》热映期间，各种3D眼镜在淘宝上销售创造了新高峰，看来人们对电影院电影的舒适度、大小、效果等还是有很多担心。经过几十年的历程，3D技术取得了迅猛的发展。当然，对于我们这些普通消费者来说，也没必要了解如此繁杂的3D技术，我们需要的只是效果更出色，实现难度更低，价格更低廉的3D显示产品而已。尽管3D电视和电影还没有普及，但研究者们已经在开发下一代3D技术了。他们的奋斗目标是：可裸眼观看的三维显示器和可虚拟触摸、操作的3D图像。这里我们主要阐述裸眼式三维显示，即自由立体显示技术，不需要佩戴立体眼镜等附属设备的3D显示技术。

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综合以上的技术，目前所提出的各种方式都仍有其优缺点，但随着时间的进步，这些问题也渐渐的被解决，正如当初的彩色显示器代替了黑白显示器，液晶显示器代替CRT显示器一样，随着显示技术的革新，没有辅助设备的三维显示技术代替平面显示技术将是必然趋势。随着科技的不断发展，相信3D技术会越来越完善，同时给人们提供更美好的视听享受。

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第3章 软件环境介绍

3.1 虚拟仪器的原理及系统

3.1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是日益发展的计算机硬、软件和总线技术向其它相关技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器仪表技术密切结合共同孕育出的一项全新成果。20世纪中期，美国国家仪器公司（National Instruments Corporaion，简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。如果再做进一步说明，那么虚拟仪器是一种以计算机作为仪器统一硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。

作为一种新的仪器模式与传统的硬件化仪器比较，虚拟仪器主要有以下特点：功能软件化、功能软件模块化、模块控件化、仪器控件模块化、硬件接口标准化、系统集成化、程序设计图形化、计算可视化、硬件接口软件驱动化。

3.1.2 虚拟仪器的硬件系统

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网格、总线标准等方面的发展，推动者虚拟仪器系统的发展。

1.GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线

这种接口总线是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE488.1和 IEEE488.2。他是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE-488的GPIB接口。

2.VXI（VMEbus eXtension for Instrimentation ）总线系统

VXI总线系统是VME总线在仪器领域的扩展，它是在1987年VME总线、Eurocard标准和IEE488标准等的基础上，由主要仪器制造商共同定制的开放性仪器总线标准。VXI系统可包含256个装置，有主机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。

3.PXI（PCI eXtension for Instrimentation）总线系统

PXI总线系统是PCI在仪器领域的扩展。它是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星型触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等。

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4.DAQ（Data AcQuisition）数据采集系统

DAQ数据采集系统是指基于PC计算机标准总线（如ISA，PCI，USB等）的数据采集功能模块。它充分的利用计算机资源，大大地增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速的组建基于计算机的仪器，实现“一机多用”。在性能上，随着A/D转换技术、信号调理技术的迅速发展，DAQ的采样速率已达到Gbit/s，并能结合数字I/O、计数器/定时器等通道。在PC计算机上挂接DAQ功能模块，配合相应软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。

3.1.3 虚拟仪器的软件系统

虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件资源和软件资源，使本来由硬件实现的功能软件化（虚拟化），以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。“软件及仪器”这一口号正是基于软件在虚拟仪器中的重要作用而提出的。VPP系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、部件知识库等一系列VPP软件标准，推动了软件标准化的进程。虚拟仪器的软件框架从底层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、仪器开发软件。如图3-1所示，表示虚拟仪器软件的结构框架。

1.VISA虚拟仪器软件结构体系

VISA体系结构是标准I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/O函数库为VISA库。它驻留于计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。

2.驱动程序

每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源代码的形式提供给用户。

3.应用软件

应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 系统管理

虚拟仪器开发软件

虚拟仪器驱动程序

DAQ接口

DAQ D/A卡 信号

A/D卡 调理器

图3-1 虚拟仪器的软件结构 1.1.4 虚拟仪器的形成

1.测试集成

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现今，无论在实验室生产车间或户外现场对机械设备、电气设备、通讯设备和环境污染或其他对象动态测试时，通常除传感器和信号调理器之外还需多台仪器。对于复杂的测试系统，还需很多其它设备。

为了从根本上改变现行测试系统模式，必须从概念更新入手，建立新型现代测试系统。“测试集成”新概念便是建立全新测试系统的新思想。所谓“测试集成”便是对多种硬件化测试仪的功能进行“集成”，即将众多的测试仪器功能集成在PC机的一个“测试功能软件库”中，通过与专用的模块卡和接口搭配，使之在一台PC机中精确无误的实现被集成的测试仪器的全部功能。从而代替其他仪器，大大降低成本。

2．虚拟仪器的形成

传统的硬件仪器，主要由机箱和底盘，插在底盘上的反映仪器功能、性能、精度指标的电子卡和与电子卡有序连接、用以控制仪器的工作状态、调用仪器功能和参数的面板控件等四部分组成。若在计算机的总线插槽内插入模块化数据采集卡，并在测试对象与模块卡之间接入传感器，这样虚拟仪器便可和被测对象进行数据交换和进行测试与分析了。

3．虚拟仪器库的形成

如果在一台PC机内只包含一台虚拟仪器，远不能充分体现虚拟仪器的优点，也没有对PC机进行充分利用。虚拟仪器的一大优点是具有集成性，通过“测试集成”可将多台仪器功能集成在一个“测试功能库”中；同样，也可将多种仪器的面板控件软件化后一一集成于“控件库”中，并使这些仪器的功能软件和控件软件在机内的开发系统中进行软装配、软调试等操作，最后在一台PC机内便形成一个多品种的虚拟仪器库，这时用户便可从仪器库中调用自己需要的仪器或多个仪器。

3.2 LabVIEW的概述

3.2.1 LabVIEW软件的介绍

虚拟仪器（Virtual Instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。如图3-2所示。

被信数数 虚拟仪器测号据据 面板 对调采处

象 理 集 理

图3-2 虚拟仪器方案

同时，虚拟仪器技术的四大优势 ：

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1．性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

2．扩展性强

NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候，您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3．开发时间少

在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

4．无缝集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

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。

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统。性能不太高，目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，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-485

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图3-14 Overlay模块

Overlay Points—在图像上覆盖一点或一组点。 Overlay Line—在图像上覆盖一条线。 Overlay Bitmap—在图像上覆盖一位图。 Overlay Text—在图像中覆盖文字。

3.NI IMAQ I/O模块

用于Vision采集图像的输入和输出。如图3-15所示。

图3-15 NI IMAQ I/O模块

3.3 LabVIEW应用

3.3.1 创建虚拟仪器

就以一个简单的波形显示其来说明虚拟仪器的创建。这个波形显示器利用公式框节点计算函数y=sin(x),来将波形显示出来。如图3-16所示。

图3-16 波形显示器前面板

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1.前面板

用File菜单的New选项打开一个新的前面板窗口，把波形显示部件（在Control中Graph子模版下选择Waveform Chart节点）放入前面板窗口，然后更改节点标签和X、Y轴标签，最后右建单击显示部件，选中Visible Items中的Graph Palette，打开显示部件的控制按钮。

2.框图程序

框图程序是由节点、端点、图框和连线四种元素构成的。

节点类似于文本语言程序的语句、函数或者子程序。LabVIEW有两种节点类型，分别是函数节点和子VI节点。两者区别在于：函数节点是LabVIEW一编译好了的机器代码供用户使用的，而子VI节点是以图形语言形式供用户使用的。用户可以访问和修改任一子VI节点的代码，但无法对函数节点进行修改。节点都提供与外部调用者之间的接口，称为端口。

端点是只有一路输入/输出，且方向固定的节点。LabVIEW有三类端点：前面板对象端点、全局与布局变量端点和常量端点。对象端点是数据在框图程序部分和前面板之间传输的接口。一般来说，一个VI的前面板上的对象都在框图中有一个对象端点与之一一对应。当在前面板创建或删除面板对象时，可以自动创建或删除相应的对象时，控制对象的端点在框图中是粗框框住的。

图框是LabVIEW实现程序结构控制命令的图形表示。如循环控制、条件分支和顺序控制等，编程人员可以使用它们控制VI程序的执行方法。

连线是端口建的数据通道，它们类似于普通程序中的变量赋值过程。数据是单向流动的，从源端口向一个或多个目的端口流动。不同线形代表不同数据类型。每种数据类型还以不同颜色强调。

3. 从框图程序窗口创建前面板对象

用选择和连线工具，你都可以用鼠标右键点击任一节点和端点，然后从弹出菜单中选择“创建常数”，“创建控制”，或“创建显示”等命令。LabVIEW会自动地在被创建的端点与所点击对象之间接好连线。

4. 数据流编程

控制VI程序的运行方式叫做“数据流”。对一个节点而言，只有当它的所有 输入端口上的数据都成为有效数据时，它才能被执行。当节点程序运行完毕后，它把结果数据送给所有的输出端口，使之成为有效数据。并且数据很快从源送到目的端口。

如图3-17所示，这个VI程序把两个输入数值相乘，再把乘积减去50.0。这个程序中，框图程序从左往右执行，这个执行次序不是由于对象的摆放位置，而是由于相减运算函数的一个输入量是相乘函数的运算结果，它只有当相乘运算完成并把结果送到减运算的输入口后才能继续下去。请记住，一个节点（函数）只有当它所有的输入端的数据都成为有效数据后才能被执行，而且只有当它执行完成后，它的所有输出端口上的数据才成为有效。

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图3-17

3.3.2 程序调试技术

1. 找出语法错误

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。

2. 设置执行程序高亮

在LabVIEW的工具条上有一个画着灯泡的按钮，这个按钮叫做“高亮执行”按钮上。点击这个按钮使该按钮图标变成高亮形式，再点击运行按钮，VI程序就以较慢的速度运行，没有被执行的代码灰色显示，执行后的代码高亮显示，并显示数据流线上的数据值。这样，你就可以在根据数据的流动状态跟踪程序的执行。

3. 断点与单步执行

为了查找程序中的逻辑错误，你也许希望框图程序一个节点一个节点地执行。使用断点工具可以在程序的某一地点中止程序执行，用探针或者单步方式查看数据。使用断点工具时，点击你希望设置或者清除断点的地方。断点的显示对于节点或者图框表示为红框，对于连线表示为红点。当VI程序运行到断点被设置处，程序被暂停在将要执行的节点，以闪烁表示。按下单步执行按钮，闪烁的节点被执行，下一个将要执行的节点变为闪烁，指示它将被执行。你也可以点击暂停按钮，这样程序将连续执行直到下一个断点。

4. 探针

你可以用探针工具来查看当框图程序流经某一根连接线时的数据值。从Tools工具模板选择探针工具，再用鼠标左建点击你希望放置探针的连接线。这时显示器上会出现一个探针显示窗口。该窗口总是被显示在前面板窗口或框图窗口的上面。在框图中使用选择工具或连线工具，在连线上点击鼠标右键，在连线的弹出式菜单中选择“探针”命令，同样可以为该连线加上一个探针。

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第4章 用LabVIEW采集图像并合成3D图像

4.1 LabVIEW图像采集分析概述

4.1.1 图像采集

LabVIEW提供了多种图像采集的方法。其中NI公司的视觉采集软件提供的驱动和函数，既能够从数千种连接到NI接收器上的不同相机上采集图像，也能够从连接在PC、PXI系统或笔记本计算机上标准端口的IEEE1394和千兆位以太网视觉相机采集图像。在推出用软件的基础上,NI公司又推出了图像采集卡,对于NI公司的图像采集卡,可以直接使用采集卡自带的驱动以LabVIEW中的DAQ库直接对端口进行操作。但由于NI公司的图像采集卡成本很高,大多用户难以接受,因此硬件平台往往采用通用图像采集卡,软件方面的处理程序仍采用LabVIEW以及视频处理模块编写。文正是基于这样的目的,提出了一种在LabVIEW环境下驱动通用图像采集卡的方案,在TDS642EVM高速DSP视频处理板卡的平台下,完成实时图像采集及处理。

闻亭公司TDS642EVM(简称642)多路实时视频处理板卡是DSPTMS320DM642芯片设计的评估开发板。计算能力可达到4Gips,板上的视频接口和视频编解码芯片PhilipsSAA7115H相连,实现实时多路视频图像采集功能,支持多种PAL,NTSC和SECAM视频标准。本系统通过642的PCI接口与主机进行数据交换。PCI支持“即插即用(PnP)”自动配置功能,使图像采集板的配置变得更加方便,其一切资源需求的设置工作在系统初启时交由BIOS处理,无需用户进行繁琐的开关与跳线操作。PCI接口的海量数据吞吐,为其完成实时图像采集和处理提供保证。

图像采集的过程也就是图像采集板卡对来自CCD的标准视频信号(PAL制式)进行模数转换的过程,将量化后的数据通过PCI总线传入计算机内存,然后通过编制的应用程序读取显示。

图4-1 图像采集示意图

如图4-1所示,模块实现的功能是把由摄像头输入的模拟视频转换成为BT.656标准的频数据流。在本系统中，摄像头输出PAL制的模拟视频，通过CVBS接口输入到ADV7181B中。与视频解码器的接口分为：数据接收部分和控制部分。数据接收部分的数据宽度为8位，D0到D7;控制部分即I2C模块，接口为SCLK和SDA。视频信号采集模块（FPGA+SRAM）：BT.656数据传输到FPGA以后，FPGA

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要对输入的数据进行预处理，再传送给DSP进行处理。预处理的目的是把BT.656数据流中的Y，Cb，Cr信号分别提取出来，用SRAM作为缓存，再传送给DSP进行处理。FPGA中主要有三个接口:与视频解码器的接口，与DSP的接口以及与SRAM的接口。

对于采集的数据，可以采用以下的一种图像缓存方案：FPGA把获得的一帧图像的数据保存到SRAM中，同时DSP从另外一块SRAM中读取数据。这样，在第一次采样时，FPGA将从ADV7181B中获得的数据保存到SRAM中，此时DSP处于等待状态。第一次采样结束后，DSP与FPGA进行总线切换，分别连接到与上次不同的SRAM上，此时DSP开始读数据，FPGA开始采数据。每当DSP与FPGA完成各自的任务时，DSP与FPGA进行总线切换，交换连接的SRAM，从而实现帧的连续采集。

视频信号处理模块（TMS320C6713）：TMS320C6000的开发主要面向数据密集型算法，有着丰富的内部资源和强大的运算能力，所以被广泛地应用于数字通信和图像处理等领域。

视频采集应用程序由LabVIEW编制完成。在需要进行图像采集时,LabVIEW发送读取SDRAM中存储的YCbCr格式图像数据的请求,642获得请求后,开始采集图像并将采集到的YCbCr数值存储到相应的内存地址,在642完成整一帧的图像采集之后,将SDRAM中的标志变量Sem设定为0,LabVIEW在这个过程中循环读取标志变量的值,当为0时,则从SDRAM中获得图像数据,也就是Y,Cb,Cr三个数组的数据,然后将其转化为LabVIEW能够显示的标准RGB格式输出该图像。

4.1.2 图像处理

图像处理也可以称作视觉处理。LabVIEW提供了多种图像处理的方法。其中非常常见的是通过调用MATLAB图像处理程序。MATLAB具有强大的科学计算功能大量稳定可靠的算法库集数值分析矩阵运算信号处理和图形显示于一体针对不同领域的应用具有信号处理图像处理神经网络等几十个专用工具箱MATLAB的缺点在于界面开发能力较差并且数据输入网络通信硬件控制等方面都比较繁琐。

基于以上理由利用混合编程技术在LabVIEW中调用和操作MATLAB就可以相互补充充分发挥两者的优势开发出高效率的虚拟仪器。

LabVIEW和MATLAB混合编程的实现主要有以下几种方法：

1.利用节点调用算法。

在MATLAB Script节点中用户可以编辑MATLAB程序也可以直接调入已经存在的MATLAB程序并在LabVIEW环境下运行用户可以很方便地在自己的LabVIEW应用程序中使用MATLAB编写的算法和功能丰富的工具箱。MATLAB Script节点对输入输出数据的类型有明确的要求目前两者之间的数据通信仅支持Real Vector、Real Matrix、Complex、Vector、Complex、Matrix六种格式的数据而且还必须根据具体情况进行选择。用该方法实现LabVIEW与MATLAB的混合编程简单实用其缺点是没有脱离MATLAB的环境而只是将它在后台执行所以这种方法必须在计算机中安装有MATLAB。

2.利用COM组件调用MATLAB算法。

COM技术的核心就是二进制接口规范此规范独立于编程语言和操作系统从MATLAB6.5开始增加MATLAB COM Builder功能它可以帮助用户将用M语言开发的算法自动快速地转变为独立的OM组件对象生成的COM组件对象可以在任何支

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持COM对象的应用程序中使用如Visual C++isual Basic LabWindows/CVI LabVIEW通过OM组件以同其他用户共享已经开发的算法，并且可以免费地随同COM应用程序发布MATLAB算法。

LabVIEW在其Function Communication Activex模块中提供了一组与组件操作相关的子VI其中Automation Open节点打开一个与COM对象相连的Refnum然后该Refnum能够被传递给模块中的其他函数节点从而实现具体的COM对象操作最后Close Automation节点关闭Refnum。

利用COM技术MATLAB Builder for COM能够将低速执行的M文件编译成二进制的COM组件嵌入到LabVIEW程序中这种方法对于规模较大性能速度内存管理要求较高的LabVIEW应用程序来说是非常有利的。

3.利用动态链接库技术。

动态链接库(DLL)是基于Windows程序设计的一个重要的组成部分在LabVIEW下利用DLL技术调用MATLAB首先是用m文件翻译器Matcom将MATLAB的源文件翻译cpp代码并编译为DLL文件然后用LabVIEW提供的调用库函数(Callibrary Function CLF)节点在LabVIEW中实现DLL函数的调用。

该方法必须安装Matcom但是Matcom对class类和图形窗口的支持不够使得图像处理的一些功能不能使用无法画出像MATLAB中那样精细的图像。

比较以上三种方法可知利用动态链接库的方法不适合调用MATLAB进行图像处理利用COM组件可以完成调用MATLAB图像处理的功能但比较繁琐适合于大型系统设计利用MATLAB Script节点可以方便地完成MATLAB图像处理功能满足一般需求开发出小型高效的虚拟仪器系统。LabVIEW的每个程序就是一个VI它包括前面板和框图程序窗口两部分在LabVIEW中利用MATLAB Script实现MATLAB图像处理方法为在框图程序窗口中通过Functions Palette Mathematics Formula MATLAB Script打开MATLAB Script节点可以直接在其框图中写入MATLAB图像处理程序也可以在框图中点击右键在弹出菜单中选择import在对话框中选择要导入的图像处理M程序文件即完成了节点程序的写入一般情况下推荐使用后者在MATLAB环境下编译通过的M文件导入节点可以节省调试时间提高开发效率在框图内书写或调用文件时要保证每一条语句的完整性或者完整写在一行或者分行要有连接符否则程序运行会产生错误。

4.1.3 LabVIEW与外设连接概述 实现LabVIEW对数据的采集和处理，传统的是采用数据采集卡，但是这些数据采集设备存在安装不便、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制，可扩展性差，同时在一些电磁干扰性强的测试现场，可能无法专门对其做电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真。在LabVIEW下使用USB总线,可以同样实现数据采集,并且弥补了采集卡的不足。

传统的用LabVIEW读写USB设备的方法是：先用VC“或Delphi编写动态链接库dll文件，在dll中通过调用WINAPI函数读写USB设备的数据，并存在缓冲区中，在LabVIEW中通过对DII文件的调用提取缓冲区中的数据。介绍了在LabVIEW下。通过调用NI—VISA子程序控件，实现与USB设备的直接通信，避免了二次编程的麻烦和数据的中转。

USB底层驱动开发工具有Windows DDK和第三方开发工具，如Driver studio和Wind river等，但是使用这些工具开发驱动难度大、效率底。在这里，介绍如何借用IabVIEW的NI—VISA子程序控件作为USB的底层驱动。

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VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是一个用来与各种仪器总线进行通讯的高级应用编程接口(API)。他不受平台、总线和环境的限制。通用串行总线(USB)是一个基于信息的通讯总线。这表示PC机与USB设备通过发送指令和数据进行通讯，而这些指令和数据是通过总线以文本或二进制数据的形式发送的。每个USB设备都有各自的指令集。可以使用NI—VISA的读写功能向仪器发送这些指令，并读取仪器的反馈。

I—VISA从3.0版开始支持USB通讯，他有2种VISA类函数(Resource Class)，可以控制2类USB设备：USBINSTR设备与USBRAW设备。符合USB测试和测量类(USB TMC)协议的USB设备可以通过使用USBINSTR类函数控制，他们使用448.2标准通讯。对于这些设备，只需以与GPIB仪器通讯同样的方式，使用“VISA Open”，“VISA Close”“VISA Read”和“VISA Write”功能。USBTMC设备符合VISAUSBINSTR类函数能够理解的协议。USBTMC设备相对来说控制较为复杂，因为每个设备可以使用各自的通信协议，而这些通信协议一般都是由设备的生产厂家自定的。为了使用NI—VISA，必须先让Windows将NI—VI-SA作为设备的缺省驱动程序使用。在Windows环境中，可以通过INF文档做到这一点。INF文件是系统硬件设备配置文件，USB驱动程序通过INF文件中的PID(产品识别号)和VID(厂商识别号)识别USB设备。NI—VISA3．0中包含的VISA Driver Development Wizard(DDW)可以为USB设备创一个INF文档。下面简单介绍创建INF文档的过程：

（1）在安装了NI—VISA后，启动VISA Driver Development Wizard程序，出现了为PXI／PCI或USB设备创建个INF文档的向导，选择US设备，点NEXT，出现VI-SADDW基本设备信息窗口。

（2）进行这一步时，需要清楚USB的PID和VID。这些数字可以在安装USB设备的时候对其进行确认，并在想要与设备通讯的时候，寻找他的地址。依据USB的规格，两个数字都是16位16进制数字，并应该由设备制造商提供。例如在后面介绍基于USB的虚拟示波器用到USB接口芯片PDIUSBD12的PID和VID分别是0x0471和0x0666；这一步设置完成后，点击NEXT，进行最后一步的设置。

（3）USB Instrument Prefix(USB仪器前缀)只是一个描述符，可以用他来识别本设备所用的相关文档。在USB Instrument Prefix中输入相应信息，并在“output file directory”中选择存放这些文档的目录，然后点击Finish。INF文档就被建好并保存至指定的位置。

这时候，只要复制生成的INF文件夹拷到系统盘windows文件夹下INF文件夹，点击右键，安装即可。这时，插上US设备，Windows系统就能探测到，并根据INF硬件配置文件选择NI—VISA作为底层驱动程。在LabVIEW中，只需调用NI—VISA的相关控件，即可实现对USB设备的读写操作。

4.2 模块设计及图像合成

4.2.1 采集模块

在本实例设计中，由于是一步一步的采集图片，所以只需采集图片，然后把它放置在一个文件夹上。程序框图如图4-2所示。

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图4-2 图像采集

图像采集的框图如图4-3所示。 开始 （初始化设备，申请资源） 参数设置 （分辨率，图像窗口，曝光时间） 采集图像到硬盘 （采取，读取，存储，停止） 结束 （释放资源）

图4-3 采集框图

利用labVIEW采集第一幅图像。图像如图4-4所示。

图4-4 第一幅图

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停止程序的运行，移动摄像头5厘米左右。再点击开始运行程序采集第二幅图像。图像如图4-5所示。

图4-5 第二幅图

采集到的图像有两种途径传递，一是将采集的图像存放在某一段内存中，使用时LabVIEW从该内存中读取图像，应用于实时性要求高的系统；另一种途径是将图像存放在硬盘某一指定目录下，使用时LabVIEW从该目录下读取图像，应用于实时性要求不高的系统。本系统对实时性的要求不高，采用图像数据传输到计算机的内存中，利用位图函数将图像实时显示在计算机的屏幕上，同时保存到计算机硬盘，在 LabVIEW 使用图像的时候从硬盘加载图像。

4.2.2 3D图像的合成

本系统的图像处理功能是通过在LabVIEW 环境下调用MATLAB图像处理工具箱实现的，这里着重阐述图像处理功能的实现过程。

LabVIEW 与MATLAB之间图像参数的传递：

在LabVIEW下设置测量参数和界面设计，通过MATLAB Scrip节点调用 MATLAB图像处理程序完成3D图像的处理。LabVIEW 的每个程序就是一个VI，它包括前面板和框图程序窗口两部分，前面板负责界面设计，框图程序完成功能的实现。图像通过Read BMP File子VI进行加载，图像通过Draw Flattened Pixmap子VI和显示控件显示在计算机屏幕上，传递到 MATLAB Script 节点进行图像处理，最后合成3D图片。

在 LabVIEW 中利用 MATLAB Script实现MATLAB图像处理方法为：

在框图程序窗口中，通过Functions Palette－Mathematics－Formula－MATLAB Script，打开 MATLAB Scrip节点，可以直接在其框图中写入MATLAB图像处理程序，也可以在框图中点击右键 ，在弹出菜单中选择“import”，然后在对话框中选要导入的图像处M程序文件即完成了节点程序的写入。一般情况下推荐使用后者，在 MATLAB 环境下编译通过M 文件导入节点可以节省调试时间 ， 提高开发效率。在框图内书写或调用文件时要保证每一条语句的完整性，或完整写在一行，或分行但要有连接符，否则，程序运行会产生错误。调用 MATLAB Script 的程序如图4-6所示。

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图4-6 MATLAB程序的调用

MATLAB Script节点的参数传递可通过添加输入输出完成 。在节点边框上单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“Add Input”或“Add Output”，注意数字图像是以矩阵格式存储的，所以输入输出图像的数据格式选择为 Real Matrix。在此程序框图中，前面加载的图像通过两个Input节点传至 MATLAB Scrip 节点中，图像经过MATLAB的程序合成3D图像，然后通过Draw Flattened Pixmap 绘图显示在LabVIEW的前面板上，从而完成 MATLAB与LabVIEW的混合编程。合成的结果如图4-7所示。

图4-7 合成的图像

需要注意的是目前 MATLAB Script 功能还只能在32位Windows操作系统平台上实现。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ywog.html