基于usb摄像头的图像采集系统设计

基于usb摄像头的图像采集系统设计内容摘要：

的传输速度远远高于串口、并口的速度，因 此现在市场热点主要是 USB 接口的数字摄像头。 摄像头的工作原理 摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头 (LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过 A/D(模数转换 )转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片 (DSP)中加工处理，再通过 USB 接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。 如果拥有一台 NI 图像采集设备，可以通过 Measurementamp。 Automation Explorer (MAX)配置 NI— IMAQ 或 NI— IMAQdx驱动程序。 摄像头的主要结构 1) 镜头（ LENS） 2) 图像传感器（ SENSOR）：可以分为两类： CCD（ charge couple device）电荷耦合器件； CMOS（ plementary metal oxide semiconductor）：互补金属氧化物半导体。 3) 数字信号处理芯片（ DSP）： DSP生产厂商较多，市面上较为流行的有： VIMICRO（中星微） 301P/L、 SONIX（松翰 ） 102/120/12 ST（罗技 LOGITECH 的 DSP 提供商）、基于 USB 摄像头的图像采集系统设计 5 SUNPLUS（ SUN+重点发展单芯片的 CIF 和 VGA，但图 像质量一般）、 PIXART（原相）PAC207 单芯片 CIF、 SQ（倚强） 、 SQ930C 等。 4) 电源：摄像头内部需要两种工作电压： ，最新工艺芯片有用到。 USB概述 USB 含义 USB 是英文 Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为 “通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。 是应用在 PC 领域的接口技术。 USB 接口支持设备的即插即用和热插拔功能。 USB 的沿革 从 1994 年 11 月 11 日发表了 USB 版本以后， USB 版本经历了多年的发展，到现在已经发展为 版本，成为目前电脑中的标准扩展接口。 目前主板中主要是采用 和 ，各 USB 版本间能很好的兼容。 USB 用一个 4 针（ 标准为 9针）插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127 个外部设备，并且不会损失带宽。 USB 需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。 目前的主板一般都采用支持 USB 功能的控制芯片组，主板上也安装有USB 接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有 USB 插针 ，可以通过连线接到机箱前面作为前置 USB 接口以方便使用（注意，在接线时要仔细阅读主板说明书并按图连接，千万不可接错而使设备损坏）。 而且 USB 接口还可以通过专门的 USB 连机线实现双机互连，并可以通过 Hub 扩展出更多的接口。 USB 具有传输速度快（ 是 12Mbps， 是 480Mbps, 是 5 Gbps），使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、 MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置软驱、 USB 网卡、 ADSL Modem、 Cable Modem等几乎所有的外部设备。 USB 接口可用于连接多达 127 个外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。 USB 自从 1996 年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。 USB 的优点 USB 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： 1) 可以热插拔。 这就让用户在使用外接设备时，不需要重复 “关机将并口或串口电缆接上再开机 ”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将 USB 电缆插上使用。 2) 携带方便。 USB 设备大多以 “ 小、轻、薄 ” 见长，对用户来说，同样 20G 的硬盘 ， USB 硬盘比 IDE 硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然 USB 硬陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 6 盘会是首要之选了。 3) 标准统一。 大家常见的是 IDE 接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了 USB 之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了 USB 硬盘、 USB 鼠标、 USB 打印机等等。 4) 可以连接多个设备。 USB 在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有四个端口的 USB HUB 时，就可以再连上 四个 USB 设备，以此类推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任 何问题 (注：最高可连接至 127 个设备 )。 普通电脑摄像头实用系统设计 现有的图像采集系统 安装复杂，而且投资很大 ，而小型的企业一般很难承受， 有没有好的办法既投入小、安装简单， 且 费用低廉呢。 有，这就是使用 USB 的电脑摄像头来实现 采集 的目的。 考虑到在现实生活的实用性，本设计要克服的主要问题及解决方法如下。 USB 摄像头的安装 按照 USB 的标准规定， USB 设备的最长的传输距离是 5 米 ，所以 USB 都不能长距离使用，这就是我们使用 USB 摄像头 采集图像 遇到的第一个问题，摄像头的传输距离。 此设计可以 通过 USB HUB（有源集线器 能对信号放大或再生，这样它就延长了有效传输距离 ） 来延长传输距离，每增加一个 HUB，就可以延长 5 米，一共可以增加 5 个 HUB，也就是延长 5 次，每次 5 米，所以最长可以延长 25 米。 摄像头效果 图像采集 用的摄像头，一般都要求清晰度高， 图像清晰， 而 目前电脑摄像头普遍使用的感光芯片是美光或现代的感光芯片，这 两 种芯片的摄像头，清晰度都差不多，对于要求不太严格的 采集 都能够满足基本要求，而且每秒 30 帧的速度也基本能够满足监控的需求。 如果 室 内光线比较暗，就需要使用夜视效果好的摄像头。 没有的话 就只有使用红外线的摄像头，这种摄像头在光线充足的情况下 是彩色的，在光线暗的情况下就会发出红外线，并变为黑白方式工作，这样的话，即使在没有灯光的情况下，依然能够获得比较好的成像效果，只是 图像 会变成黑白的，但满足一般 采集 用途还是勉强可用的，但用户需要根据自己的环境 和图像的作用 选择 最合适的 摄像头。 基于 USB 摄像头的图像采集系统设计 7 3 VI 和 LabVIEW 的相关简介 引言 自 20 世纪 90 年代以来，在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及采集系统得到了迅速发展，使得测量仪器和图像采集系统的设计方法和实现技术 发生了深刻变化。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件赋予仪器生命，是整 个仪器系统设计的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，能 方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。 NI 公司的 LabVIEW 是当前流行的图形化开发环境，同时它也是一种功能强大的编程语言（亦被称为 G 语言）。 它是一套专为 数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，使 创建的程序模块化，易于调试、理解和维护，而且程序编程简单、直观 ， 因此它特别适用于图像采集处理系统。 LabVIEW：图形编程虚拟仪器 LabVIEW 的概述 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。 主要包括数据采集、控制、数据分 析 、数据表示等功能，它提供一种新颖的编程方法，即以图形方式组装软件模块，生成专用仪器。 LabVIEW 由面板、流程方框图、图标 /连接器组成，其中面板是用户界面，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标 /连接器是调用接口 （ Calling Interface）。 流程方框图包括输入/输出（ I/O）部件、计算部件和子 VI 部件，它们用图标和数据流的连线表示； I/O 部件直接与数据采集板、 GPIB 板、或其他外部物理仪器通信；计算部件完成数学或其他运算与操作；子 VI 部件调用其他虚拟仪器。 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、RS232 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。 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 便地建立自己的虚拟仪器，其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，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。 它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此， LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。 它可以增强你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、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 8 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位编译器。 像许多重要的软件一样， LabVIEW 提供了 Windows、 UNIX、 Linux、 Macintosh 的多种版本。 新 VI 的创建 本设计选用的是 LabVIEW2020 版本，先在电脑上安装好 LabVIEW 软件，当安装完成后，选择“开始” |“程序” |“ National LabVIEW2020”选项即可启动 LabVIEW。 新建 VI 后，可在前面板与后面板上看到相应的控件和函数。 在 LabVIEW 中开发的程序都称为 VI（虚拟仪器），其扩展名默认为 .vi。 所有的 VI 都包括前面板（ Front Panel）、 程序框图（ Block Diagram）以及图标（ Icon） 3 部分。 如图 31 所示。 图 31 新 VI 的创建 虚拟仪器及视觉与运动模块 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。 它代表着从传统硬件为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变。 视觉与运动 (vision and motion)模块为虚拟仪器的付费升级模块，其内部集成了大 量的图像采集硬件驱动软件以及数字图像处理的模块化函数，可以方便的进行图像信号的空域及频域处理。 相关 控件和函数的介绍 Vision 是一个图像处理的工具包，当安装完成后，启动 LabVIEW 软件，可以在前面板与后面板上看到相应的控件和函数。 1) 前面板控件 ： 安装完 Vision后，前面板中会自动出现一个 Vision选项列表，如图 32 所示。 2) 程序框图函数 ： 在后面板中，打开函数选板，可以看到“视觉与运动”下拉列表。 打开此列表将显示 Vision安装后所有的函数，其中包括运动控制方面的函数，如图33 所示。 基于 USB 摄像头的图像采集系统设计 9 图 32 Vision 显示控件 图 33“视觉与运动”函数 Vision控件介绍 打开它后可以 看到有五个显示控件，如图 32 所示。 本设计主要用到的控件是图像显示 (Image Display)。 1) IMAQ — 该控件是一个类型定义，用于声明 图像 类型的数据。 在 VI 的前面板中使用该控件代表图像类型数据。 例如，使用该控件作为一个子程序的输入或输出，使调用可以将一幅图像传送给子程序。 2) 图像显示 (Image Display)— 该控件用于在 LabVIEW 中直接显示图像。 也可以利用该控件创建关注区域 (ROIs)。 图像显示控件提供标准和 3D 版两种外观。 3) Image Display(Classic)— 也用于对图像显示的设置。 它只是设置以经典的方式显示图像。 4) IMAQ 视觉控件 (IMAQ Vision controls)— 这里的控件用于将 NI Vision的程序控件直接加入用户自己的程序中获得相应的功能。 对图像进行分析和处理所用到的一些控件，包括图像的类型，图像处理的方式和不同的形态算子以及颜色的类型的选择等等。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10 5) 机器视觉控件 (Machine Vision controls)— 这里的控件用于将 NI Vision的机器视觉控件直接加入到用户自己的程序中以获得相应的功能。 Vision and Motion（视觉与运动）模块 在后面板的函数选板中，可以看到有 8 大类的“视觉与运动”函数。 它们主要是一些图像采集和图像处理的函数。 其内部集成了大量的图像采集硬件驱动软件以及数字图像处理的模块化函数，可以方便的进行图像信号的空域及频域处理。 如图 34 为 Vision and Motion函数模块。 图 34 视觉与运动函数模块 1) NI— IMAQ 模块 是图像采集函数列表，主要用于通过 NI 的系列图像采集板卡来获得图像。 其中包括任务的建立、设备的初始化以及硬件参数的设定等函数， 如 35 所 示。 图 35 NI— IMAQ 函数列表 2) NI— IMAQdx模块 : 如图 36 所示。 基。