（农业机械化工程专业论文）基于虚拟仪器的字符图像识别系统研究.pdf

摘要 随着信息时代的到来利计算机应用n 勺普及，世界各囤对信息产业的发展部给予， 极大的重视和关注。但在信息技术高速发展的同叫，一个难题也摆在我们的而前，那 就是计算机数据处理和例络传输的高速度与数据 俞入的低速度之间的矛盾。如何将汜 录存纸上的大量的文字罔像信息快速可靠的输入汁算帆，转变为便十计算机u 刖和处 理的字符信息，在定程度上成为影响社会信息化进程的重要因素。人们接受信息最 频繁的是视觉通道。在只常学习和生活中，所处理的信息有7 5 - 8 5 是视觉信息，其 中义字信息愈来愈占重要地位。要实现对这曲文宁信启、处理过程的机械化、自动化， 其先决条件就是利用计算机对文字信息进 j # 别。 本课题研究了字符图像的汁算机识别问题。字符根扼书写方式的不同，分为印刷 体字符和手写体字符。系统针对每种字符各自的特点，通过对字符的预处理，提取字 符本身特征，然后运用特定的识别算法，实现_ r 字符图像的自动识别。整个系统包括 图像采集、预处理、特征提取与字符识别p u 个部分。 图像采集硬件包括主频为2 8 ( ；h z 、内存为5 1 2 m b 的联想启天m 6 2 0 0 计算机，n i 公司的p c f l4 l l 图像采集卡利自制的图像采集箱。采集箱中采用黑色背景漫计，内 装有pr i r m n i ( tw v c p 2 , 1 0 g 彩色摄像机作为系统的输入传感器，4 0 w 环形灯作为照 明设备，保证了图像采集的质黾。 将采集到的图像经灰度转换和二值化处理、噪声玄除、图像增强、特征定位、边 缘提取、字符分割等预处理过程，形成了特女f 突出、便丁后续处理和识别的单个字符 图像。在特征定位过程中，设计了根据榆测被测票面两相邻直角边位置的方法来建立 相对坐标系，在此坐标系中确定宁符位置的特征定位算法。 根据印刷体和手写体字符识别的需要，系统采取了不同的特征提取策略。对于印 刷体字符，在对字符进行了归一化和细化处理后，采用网格特征和交叉点特征相结合 的方法作为其字符特征，建立字符标准信息库。而对于手写体字符，设汁了基于边界 特征和孔洞、笔画特征相结合的特征提取算法，完成了字符特征的提取。 印刷体字符采用模板匹配算法实现了宁符的识别，利用待识别字符与字符标准特 征库相比较，把待识别字符识别为与其l $ _ i e 向量的欧氏距离最小的特征向量所代表的 标准字符。而对丁l 手写体字符，系统采用b p 神经网络来实现字符的识别。 系统软件由nt 公司的虚拟仪器软件l a b v i o w 及图像处理工具包i m a qv i s i o n 开 发，实现了图像的聚集、预处理、特征提取和字符识别等功能。该软件操作简单，界 面友好，可靠性高。经实验表明，印刷体字符的识别准确率为9 5 5 ，手写体字符 的识别准确率为9 0 ： 。 关键词：虚拟仪器：字符识别；模板匹配；b p 神经网络；i m a qv i s i o n ；图像处理 s t u d yo nt h ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e d o hv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n a u t h o r ：c h e n gh a o s u p e r v i s o r ：q i a nd o n g - p i n g 醚两o r a g 矗c h l “l m e c h a n i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n gi n f o r m a t i o nt i m e sa n dt h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fc o m p u t e r , m o r ea n d m o r ec o u n t r y sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y c o n t r a s tw i t ht h ef u i ls p e e d d e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , ap r o b l e mi se n c o u n t e r e d 臻f r o n to f u s + 曩 艇i st h e c o n f l i c tb e t w e e nt h eh i g hs p e e do fc o m p u t e rd a t ap r o c e s s i n g ，t r a n s m i t i n ga n dt h el o w s p e e do f d a t ai n p u i i nt h ep a s tt h ei n f o r m a t i o nu s u a l l yr e c o r do nt h ep a p e ri nt h ef o r mo f c h a r a c t e r si m a g e h o wt ot r a n s f 0 1 1 1 1t h e s eh u g eo f i m a g ei n t oc h a r a c t e ri n f o r m a t i o nt h a t e a s i l yp r o c e s s e db yc o u p u t e rr a p i d l ya n dr e l i a b l yi sa l li m p o r t a n tf a c t o rf o rt h ep r o c e s so f s o c i e t y ti n t b r m a t i o n a l h u m a nu s u a l l ya c e e p ti n f o r m a t i o nb yv i s i o na n di n 氇ed a i l yl i f e t h e r ea r e7 5 8 5 i n f o n n a t i o nn e e d e dp r o c c s s e di si m a g ei n f o r m a t i o n i fw a n t e dt o r e a l i z et h ea i mo fp r o c e s s i n gc h a r a c t e ri n f o n n a t i o na u t o m a t i c a l l y , t h ef i r s tt h i n gi st o r e a l i z et h er e c o g n i t i o nn f c h a r a c t e ri m a g eb yc o m p u t e r i nt h i sp a p e rt h ep r o b l e mo fc o m p u t e rr e c o g n i t i o nt ot h ec h a r a c t e ri m a g ei ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h es t y l eo fw r i t i n g , t h ec h a r a c t e r sa r ed i v i d e di n t ot w of o r m s ，p r i n t i n g c h a r a c t e r sa n dh a n d w r i t i n gc h a r a c a t e r s 。b a s e do ne v e r yc h a r a c t e r i s t i co ft h et w os t y l e s ， s y s t e m r e a l i z e st h ef u n c t i o no fi m a g ep r e p r o c e s s i n g ，c h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o na n d c h a r a c t e rr e c o g n i t i o n s ot h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ，i m a g ec o l l e c t i o n m o d u l e ，i m a g ep r e - p r o c e s s i n gm o d u l e ，c h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o nm o d u l ea n dc h a r a c t e r r e c o g n i t i o nm o d u l e t h ei m a g ec o l l e c t i o nh a r d w a r ei n v o l v e sl e n o v em 6 2 0 0c o m p u t e r , w h i c hh a s2 8 g h z c p ua n d5l2 mm e m o r y , n ic o m p a n yp c i 一14ll i m a g ea c q u i s i t i o nb o a r d a n di m a g e c o l l e c t i o nb o x 。t h eb o xa d o p t sb l a c kb a c k g r o u n da n di l i s t a l t sp a n a s o n i cw v - c p 2 4 0 g c o l o rv i d e oc a m e r a a n dt h e4 0 w l o o pl i g h tg u a r a n t e e st h ec o l l e c t e di m a g eq u a l i t y , 1 1 1 ep r e w p r o c e s sm o d u l ei n v o l v e st h ep r o c e s so f b i n a r yp r o c e s s ，d i m i n i s hn o i s e ，i m a g e e n h a n c e ，c h a r a c t e ro r i e n t i o n ，e d g ee x t r a c t i o n ，c h a r a c t e r ss p l i ta n ds oo n a f t e rt h a tas i g n a l c h a r a c t e rw i t ht h em e r i to f d i s t i n g u i s h e dc h a r a c t e r i s t i c ，e a s i l yp r o c e s s e da n dr e c o g n i t i o nb y c o m p u t e ri sf o r m 矗i nt h ep r o c e s so fc h a r a c t e ro f i e n t i o n ，an e wm e t h o r di si n t r o d u c e d 。 w h i c hd e t e c tt h ee d g e so fn o t e sa n du s ci tt oe s t a b l i s har e l a t i v ec o o r d i n a t e s ，i nw h i c ht h e l o c a t i o no ft h e c h a r a c t e r sa r eo r i e n t a t e d a c c o r d i n gt ot h ei n d i v i d u a ln e e d e do fp r i n t i n ga l l dh a n d w r i t i n gc h a r a c t e rp r o c e s s i n g ， t w od i f f e r e n t ss t r a t e g y sa r ea d o p t e db yt h es y s t e m f o rt h ep r i n t i n gc h a r a c t e r s ，f i r s tt h e s y s t e r nc o m p l e t e st h ep r o c e s so ft h i n i n ga n du n i f i c a t i o na n dt h e ne x t r a c tt h ee o m b i n e d c h a r a c t e r i s t i co ft h en e tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n t e r s e c t i o nc h a r a c t c r i s t i c b a s i n g0 nt h e s ea s t a n d a r dc h a r a c t e r i s t i cd a t a b a s eo fc h a r a c t e r si se s t a b l i s h e d 。a n df o rt h ch a n d w r i t i n g c h a r a c t e r s ，a r i t h m e t i co fc h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o ni sd e s i g n e d ，w h i c hb a s eo nt h eb o r d e r c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec h a r a c t e r sh o l e sa n ds t r o k e sc h a r a c t e r i s t i c t h er e c o g n i t i o na r i t h m e t i co fp r i n t i n g c o m p a r e s t h ec h a r a c t e rw i t ht h es t a n d a r d c h a r a c t e ra d o p t st e m p l a t em a t c h i n g ，w h i c h c h a r a c t e r i s t i cd a t a b a s ea n dr e c o g n i z et h e c h a r a c t e ra s 氇en e a r s te u c l i dd i s t a n c es t a n d a r dc h a r a c t e ri 1 1 搬os t a n d a r dc h a r a c t e r i s t i c d a t a b a s e a n df o rt h eh a n d w r i t i n gc h a r a c t e rt h es y s t e ma d o p t sb pn e u r a ln e t w o r kt or e a l i z e t h er e c o g n i t i o n t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta d o p t st 1 1 en ic o m p a n y sv i r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e wa n d v i s i o nt o o k i ti m a qv i s i o n 。弛es o 瓤v a r er e a l i z e st h ef u n c t i o no fi m a g ec o l l e c t i o n ，i m a g e p r e - p r o c e s s c h a r a c t e re x t r a c t i o n 潍dc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n 。l th a st h em e r i to fe a s i l y o p e r a t i o n ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n t h ee x p e r i m e n t ss l m wt h a it h e r e c o g n i t i o na c c u r a c yo fp r i m i n gc h a r a c t e ri s9 5 5 a n dt h er e c o g n i t i o na c c u r a c yo f h a n d w r i t i n gc h a r a c t e ri s9 0 3 。 k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r t m a e n t ；c h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ；t e m p l a t em a t c h i n g ；b pn e u r a l n e t w o r k ：i m a qv i s i o n ；i m a g ep r o c e s s i n g 独创性声明 木人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得趣j l 壅些盍堂或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；睑；告签字日期：3 6 年占月同 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解逦j e 壅些盍堂育关保留及使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查( 借) 阅。 本人授权擅j e 壅些太堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位沦文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： 程谗导师签冬： 签字日期：) 口。6 年占月膳日签字日期：0 阳年月形日 基于虚拟仪器的了符识别系统训j t 1 1 研究的目的与意义 1 引言 人类社会己开始进入信息时代，信息产业的发展将对国家的发达和民族的兴旺产生重 大的影响。因此，世界备国对信息产业的发艘部给予r 极大的重视和关注。人类社会的不 断进步带来r 信息卒间的增长用i 积累，而计算机的山现为现代化信息处理提供了有效的手 段。但是，在信息技术高速发展的同时，一个难题也摆在我们面前，那就是计算机数据处 理雨i 网络传输的高速度与数据输入的低速度之间的矛盾。目前，人类的许多信息是记录 在纸_ 匕的文字图像，将这些信息输入计算机是非常繁琐而低效率的上作，这在一定的程度 e 减缓了社会信息化的进程。因而，作为信息化基础的数据输入成了计算机应用中的瓶： 砸 问题。人们接受信息最频繁的是视觉通道。在日常学习和生活中，所处理的信窟、有7 5 培5 是视觉信息，其中文字信息愈来愈一l ，重要地位。比如对各种期刊文献的阅读、查找、翻译； 对各种统计报表的汇总、计算、分析；对再种幽件票证的分拣、传送、验核等。要实现对 这些文字信息处理过程的机械化、自动化，其先决条什就是利用计算机对这些文字信息进 行识别。 字符识别是利用讨算机自动辨识印刷在纸上或人写在纸上的字符信息，是模式识别的 一个重要分支。它的一项关键技术是光学字符氓别技术( o p t i c a lc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ，简 称o c r ) 。即通过扫描仪把印刷体或手弓体文稿扫描成图像，然后识别成相应的计算机可 直接处理的字符。本技术涉及模式阻别、蚓像处理、数字信号处理、自然语言理解、人工 智能、模糊数学、信息论、计算机、中文信息处理等学科，是一门综台性技术，在中文信 息处理、办公室自动化、机器翻译、人1 街能等高技术领域，都有着重要的实用价值和理 论意义”。 1 2o c r 技术国内外研究概况 对o c r 技术的研究已有几卜年的历史。早在1 9 2 9 年，陶舍克就利用光学模扳匹配方 法识别数字。当时，他使用了1 0 块模板对应1 0 个数字，依次把待识别的数字投影到这1 0 块模板 ，当模板透过光达到晟小时馈2 字遮挡了模板的透光部分) ，投影的数字就被识别 成这块模板上的数字“3 。g r i m s d a l e 等人在l 9 5 8 年，作了些开创性的上作。他们对输入模 式的扫描是用飞点扫揣器实现的，然后用一数字计算机分析字符的形状，抽取其基本特征， 而后将这些特征与存在计算机中的特征相比较，并作适当的判剐”1 。另外一个杰出的：作 楚b r o w n i n g 领导盼小组，他们介蜊了一种更加通片j 朐采用1 0 1 5 个光电管输入的方法。 在六十年代初，麻省理p 院晌m u r r a y e d e n 指出。所有拉r 亨符可以由l8 种笔划编 i 洲北农业人学顺士学位沦文 袋，嚣这1 8 穆笔划叉西分簿戒蹬令鏊零笔劐”“。e d e n 豹 ：箨的重要之照疰了：翘灞述了所 有手写字符都可由有限数量的基本特，征梅成，这一观点实际隐含予以前的工作中，在以后 的文字识别中采刚句法( 结构) 模式识别 佝所有方法都来源于这一思想“。 七十年代初期，p a r k s 等介绍一种抽取拓扑特征的特征抽取方法以及多级结构蠛接的识 澍方渡“。醚焉，基本对汉字谖剿逶 f 疆究，主臻楚对印裂 奉汉字，手写露捌体汉字及 在线手写汉字识别的方丽的研究”“。并下1 9 8 0 年避行了印刷体汉寸：识别的公开表演，该 装置可识别2 0 0 0 个汉字，识别速度为1 0 0 字秒，识别率达到9 8 4 。 在翻内，7 0 年代开始了对印刷体字符及手写体字符的识别。7 0 年代末，复盟大学研制 了蔑莺第台簿耩嚣字餐谖巍疆，该穰w 谈鬻蔹霜予封字搬打窜熬字籍。与魏嗣嚣萼，中蓬 科学院自动化研究所开腻了手写数字的研究 ：作，研制了国内第一台邮政编码的识别样机。 以后邮电部第三研究所、西北电讯j ：矬学院、重庆人学均开展了o c r 机的研制l 作，取 得了一定的进壤”“。 大豹捌了年代秘，隧蓑个a 计算撬麓出褒，c c d 乎板式孝j 描仪静蠢麓纯，字符识 别技术得到了蓬勃发展，许多研究者将其它领域的一些新技术及研究手段引入刘o c r 技术的研究中，并取得了一定的成果。这些技术和手段包括人工神经网络、小波燮换、分 形、模糊理论戳及9 0 每代韧豹开放式系统、集藏系统理论等领域“。 在字符浚掰研究方嚣。有代表性静莓夕 系统莆l 研究小缀有美鬻黪e x p e r v i s i o n 麓r c k ( r e c o g n i t i o n c o o l k i t s ) ，羹国纽约州立夫学b u f f a l o 分梭的c e d a r 研究中心，加拿大c o n c o r d i a 大学的c e n p a r m i 实骏塞，日本东芝的t e x t r e a d e r 以敷法国的银行支票识别系统”i 。国 蠹剐竣渍华天学龟子系、孛鑫汉王、j & 衷郏电大学偿惠系、洗阳自动纯搿班及重庆夫学为 代表 2 0 1o 1 3 本研究的主要内容 本课题以印刷体及筝写体字符为研究对象，探索o c r 技术对票据表面特定字符识别 的理论与方法。利用虚拟仪器技术，根据字符本身的特征，实现对字符图像的精确定位与 谖翻。遮一谦题对减轻人王谖掰的劳动强囊，撵高浚剃速度及谣掰准确率，透斑诗算撬数 据输入的鞭求具有积极的促进作用。 主要研究内容有； ( 1 ) 设计计算机视觉碗件系统，研究字符豹光学特性，数此建立起一套适用予光学字辖 谖弼鹣诗黪枫视觉硬蒋系统，荠完藏字褥罄豫酶采集； ( 2 ) 采集票据图像，完成字符识别前的低层图像处理及算法研究，将传统的图像处理方 法和现代激进的新方洼艇理论运用丁祭据图像处理，分析、研究、比较、选择出对禁据图 像简单有散的实赐性姓理算法； ( 3 ) 硪究褥字符图豫与背景匿像准确舞裁麓舂效霉瀵，并我奎能漓躲翻像格式转纯绣荣 来的干扰瓤变形的方法， ( 4 ) 寻找适合字符识别的票压特征并选鞭台适的撮墩方法 2 基于虚拟仪器的字符识别系统珂f 究 ( 5 ) 设计： i 适合印刷体及手写体字符识别的算法，分折算法原理及特点，找山影响字杓 识别准确率的蚓素，提出改进措施实现对印刷体及手剐：宁符的识别： ( 6 ) 应用l a b v i e w 开发平台结合蚓像处理分析函数库i m a qv i s i o n 进行图像处删与分析 系统的开发，编写字符识别系统稗序； ( 7 ) 分析实验结果，由结果来检验识别的准确率年所川方法的可靠性。 河北农业人学碗上学位论文 2 虚拟仪器技术与数字图像处理 2 1 虚拟仪器技术 21 。1 虚拟仪器技术简介 伴随着微电子技术、计算机技术和网络技术的迅速发展及其在电1 电子测量技术领域 的应用，测量仪器不断进步，依次出现了数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器，同时也由单 台仪器逐渐发展到叠架式仪器系统、虚拟仪器系统等等”。”1 。经削析不难发现，任何传统 仪器无非由以下三大功能模块组成：即对被测信号的采集与控制、数据的分析与处理、测 得结果的表达与输出。传统仪器的这些功能块都是以硬件( 或固化的软件) 形式存在的“。 虚拟仪器技术是日蔬发展的计算机技术、仪器技术、传感器技术密切结合，共同孕育 出的一项新成果，是上世纪9 0 年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物“。以计算机 作为仪器统一的硬什平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件 管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能平面板控什软什化，使之与计算机融为 一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时义充分利用计算机智能资 源的全新仪器系统。由了二仪器的专业化功能和面板控仆都是由软l 卡构成，因此国际上把这 类新型仪器称为“虚拟仪器”“。虚拟仪器的出现，彻底改变了传统的仪器观，开辟了 测试技术的新纪元“。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i ) 是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新 的仪器，是仪器领域内的一次革命，是2 1 世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重 要方向”。 2 1 2 虚拟仪器的概念与特点 虚拟仪器的概念首先由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p o r a t i o n ，简称n i ) 予1 9 8 6 提出”“。尽管迄今为止虚拟仪器还没有一个统一的定义，但是一股认为：虚拟仪 器是在p c 摹础上通过增加相关硬件和软仆构建而成的、具有可视化界面的可重用测试仪 器系统。它的基本构成包括计算机、虚拟仪器软什及硬件接口模块i ：5 e lo 虚拟仪器的出现， 彻底打破了传统仪器由厂家定义，： j 户无法改变的模式。它给用户一个充分发挥自己才能 和想象力的空间，用户( 而不是厂家) 可以随心所欲的根据自己的需要，设计自己的仪器 系统，满足多种多样的仪器需求。”j 。在虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入与 输出，软件才是整个系统盼关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的 改变、添减仪器系统的功能和规模，所以有“软件就是仪器”之说”。传统仪器与虚拟 4 晕j 虚拟仪器的，符识别系统训宄 仪器的比较如表2 一t 所示。 表2 一虚拟仪器与传统仪器的比较 f 统仪器虚拟仪器 仪器厂商定义 硬件足关键 仪器功能、规模硐定 封闭的系统，+ j 其它设桥相连受限 制 价格昂贵 技术更新慢( 削期5 10 年) 开发维护费用高 用户自己定义 软件是关键 系统功能、规模n j 通过软件修改和增减 基于算机的开放式系统，玎j 方促的 j 司外设、网络及其它设备相连 价格低可重复利用 技术婪新快( 周期l 2 年) 节省卅发维护费用 从这个比较中不难看出虚拟仪器的巨大优越性。虚拟仪器系统的概念是洲控系统的抽 象，不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：数据采集，对采集的数据进 行分析处理，然后显示并输出处理结果“”j 。它h j 的不同主要表现在灵活性方面。虚拟仪 器由i l j 户自己定义，这就意味着我们可以自由编台计算机平台、硬件、软件以及各种完成 应用系统所需的附件，埘这种灵活性在传统仪器上是达不到的。 虚拟仪器技术利用p c 机高速数据采集和处理能力，对被测对象进行数据采集、分析 ( 如叠加、平均、数字滤波等) 、存储、显示等。虚拟仪器排除了干扰信号和模拟电路引起 的误差，大大提高了测试精度1 。虚拟仪器控制功能强，有自动调零、自动调节量程、自 动转换极性和自动校准的功能。虚拟仪器没有常规仪器的控制面板，而是利j = 计算机强人 的图形环境，在计算机屏幕上建立起图形的软面板来代替常规的仪器控制面板。用户通过 鼠标或键盘操作软面板来进行操作。且操作方便，易于掌握。 由于虚拟仪器测试系统的各种自动测试工作都是在计算机控制和参与下自动完成的， 闪此该测试系统有以下特点”。”1 ： ( 1 ) 通道多。传统的独立仪器系统功能单一，只能测量固定的儿个参数，通常不具备 同时测量多个参数的能力。而基于p c 机的虚拟仪器系统可配备多个信号通道，有的多达 上千路。对于多路信号，通过计算机软件控制，进行高速扫描采样，实现多信息的同步测 量。 ( 2 ) 精度高。测试系统可以选_ l i j 高分辨率的a d 转换器，可以随时修_ l 坝量误差， 如自动校准( 消除零漂、温漂、增益不稳定等系统误差) 、软件线性化处理( 对传感器等硬 件的非线性特性进行校正) 、软 滤波( 消除系统| 土j ：外部引入的十扰) 等。 ( 3 ) 速度快。这得益于微处理器和p c 总线速度的提高。 ( 4 ) 系统功能强，操作简单、力便。 虚拟仪器技术利用少量的标准化硬件模块加上功能强大的吲形化编稃平台，将计算机 洲北农业大学硕士学位论文 技术同仪器技术完美的结合起来，具有开发周期短、成本低、重复劳动少干组建灵活等特 点，它迅速改变着传统的仪器系统，成为当今l 生界流行的仪器构成方案。目前虚拟仪器技 术已成功应用于数据图像采集控制系统、g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统以及过程控 制、闩动化等领域。 从上世纪9 0 年代中删以米，国内的一批高等院校平高科技公司，在研究开发虚拟仪器 产品、虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做j ，一系列有益= 作，并取得了一批瞩目的成果。据世界仪嵌与自动化杂志报道，2 1 世纪初，虚拟仪器 的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测与i u 控仪器的5 0 。 美国g o l d s m i t h 种子公司于1 9 9 7 年利用虚拟仪器开发f 具开发了计算机自动化秧苗分析系 统( c a s a ) ；美国g e o m a t i c s 公司t - 1 9 9 6 年采用虚拟仪器开发。 j 具一一l a b v i e w 软什开 发了自动灌溉系统：峦执安：f ：业大学于1 9 9 6 年开发了柴油机实验室自动化数据采集与控制 系统，这些系统都具有同类系统不可比拟的优点。 2 1 ，3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器系统的基本构成框图如图2 - 1 所示。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采 集系统、g p i b ( 通用接口总线) 仪器系统、v x i 仪器系统以及它们三者的组合。 一个典型的数据采控系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡( 扳) 、计算机、控制 执行设备五部分组成。一个好的数据采集产品不仅应具备良好性能硐1 高可靠性，还应提供 高性能的驱动程序和简单易_ f l 的高层语言接口，使用户能较快速地建立可靠的应用系统。 近年来，由于多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据 采集板实时系统集成总线、高速数据采集的双缓冲区以及实现数据高速传送的中断、d m a 等技术的应用使得最新的数据采集板卡能保证仪器级的高准确度与可靠性。 6 兰爿工业自动化蜒释睁 硌 训醯与扑析蜥阵 p c 棚 或 删 野 + l 曲w h d d 弹# ，c v 工 拉 + l o 哪 烈 蕾 4 呻o ! 信 访 # 扩弋蕊睁肆 女v 血n l a l b t 座l e ( 至三b = = 爿窥蜘岛眭k 盈# 爿苏官敏件睁 图2 1 虚拟仪器的基本构成框图 f i g2 it h eb l o c kd i a g r a mo f v i r t u a li n s t r u r o e n t 基于虚拟仪器的宇符识兄l j 彖统叭宄 21 4 虚拟仪器的发展方向 随着汁算机、通信、微电子技术的不断发展，以及网络时代的剑来和信息化要求的不 断提高，列络技术应州刹虚拟仪器领域中是虚拟仪器发腱的人趋势。日前围内网络化虚拟 仪器的概念还没有一个比较明确的提法，也没有一个被删鞋界泛接受的严格定义。其一 般特征是将虚拟仪器、外部设备、被删试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享， 共同完成测试任务。使用网络化虚拟仪器，可在任何地点、任何时刻使获取剑洲量数据信 息的愿望成为现实。网络化虚拟仪器也适用于异地或远程控制、数据采集、故障监测、故 障诊断和报警等。 与以p c 为核心的虚拟仪器相比，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的义一次革命。网 络化虚拟仪器可以将由单台虚拟仪器实现的三大功能( 数据获取、数据分析及图形化显示) 分开处理，分别使用独立的基本硬件模块利配套软件实现传统仪器的三人功能，以网线相 连接，实现信息资源的共亨。 2 2 数字图像处理 22 1 数字图像处理概述 数字图像处理又称计算机图像处理，是将图像信号转化成数字格式并利用计算机进行 处理的过程“。这项技术最早出现在2 0 世纪2 0 年代，第一次有效应用是1 9 6 4 年，美国 喷气推进实验室利用计算机对太空船发回的月球蚓像信息进行处理，收到了明显效果”“。 近年来随着信息技术的迅猛发展，特别是互联网技术的高速发展，数字图像处理技术以其 特有的处理精度高、处理内容丰富、可进行复杂的非线性运算等特点受到了前所未有的重 视，并促进了自身的高速发展”。 2 2 2 数字图像处理系统组成 图2 2 是+ 个数字图像处理系统的基本组成“。它包括采集、显示、存储、通信、处 理和分析五个模块。与般的用于数据处理的计算机的不同点是必颁有专用的输入输出和 通信设备。 1 数字例像采集模块 为采集数字梅l 像，所用设备由两个部件组成”。”。：一是对某个电磁能量波谱段( 如x 射线、紫外线、可见光、红外线等) 敏感的物理器什，它能产生与所接受到的电磁能量成 正比的( 模拟) 电信号；一是模数转换部件，它能将上述( 模拟) 电信号转化为数字( 离 散) 的形式。常用的图像采集设备有电荷耦合器( c c d ) 照相机、数宁摄像机和扫描仪等。 2 数字i 墨i 像硅示模块 图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解译和识别的图像 a t o 图像的显示 7 河北农业大学顾士学位论文 主要蠢滔秘：一静是旃蓬稼通过c r t 辍示器、渡a 照示嚣袋投澎仪等蹬器簦时性超示麓软 拷贝形式；弱静是遗过照楣杌、激光拷受和打印辘等将圈像输如列枥理奔矮上的永久幢 硬拷贝形式。 銎2 - 2 瓒 募挞理系统橡戏拳意盈 f i g 2 2t h eb l o c kd i a g r a mo fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 3 图像存储模块 为了绦存塑像信怠，嚣要穆蒙燃豫域经过整理约懑缘信惑在诗黪投中按菜耱援缮存储。 图像信患的突出特点避数据量巨大。为解决海量存储问题，图像处理模块主要解决数据压 缩、图像格式及图像数据库技术等问题“。 4 数字图像通信模块 楚缘镑簸可镬不圈黪系统共享翻缘数摇资源，极大趣箍囊了凰豫在蚤令领域戆泛虚 瑁”。酗像通信可分为近程和远程通信两种：近烈黼像通信主要指在不同设备间交换图像 数据，现已有许多用于局域通信的软件和硬件以及备种标准协议；近程图像通信主要指在 圈像处理曩统间传输绸像。图像数据压缩与编码技术是解决这个问题的主要途径之一”。 5 数字圈豫豹楚璎帮分辑 数字圈像的处理和分析方法大致w 以分为两火类，即：空域法带j 变换域法“”。 ( 1 ) 警域法 这秘方法是把毽橡喾作是平西中务个像素组成集台，然后童接对这个二缎函数进行 耩应瓣姓蠖”“。空域滚主要有下面蕊大类： 领域处理法，其中包括梯度运算( g r a d i e n ta l g o r i t h m ) ，拉普拉斯算子。运算( l a p l a e i a n o p e r a t o r ) ，平滑算子运算( s m o t h i n go p e r a t o r ) 和卷积运算( c o n v o l u t i o na l g o r i t h m ) 。 点处理法，包挺灰凌处理( g r a yp r o c e s s i n g ) ，露鞭、周长、休税、重心运算等等。 2 ) 变换域法 数字图像处理的变换域处理方法鼹首先对图像进行正交变换，得到变换域系数阵娜， 然后再施彳亍各种处理，处理厉再反变换到空闽域，得到处理结果。遮类处理包括：滤波、数 据乐缩、特薤提取等处理”。 s 摹十虚拟仪器的宁符识别系统研究 22 3 数字图像处理的特点 数字图像处理具f 1 以r 特点”。： f 1 ) 斟像信息量大 在数字幽像处理中，一副幽像可以_ 舀成是山剀像矩阵中的像素( p i x e l ) 组成的，每个像 素的灰度级一殷采用8 b i l 或更彰的b i t 米表示，对丁一副较大的图片来说，需要处理的数 据量就很大。因此，大数据量的存储、传输和处理需要汁算机有足够的内、外存储器卒问， 而且处理精度越高，所需存储空间就越大。 ( 2 1 精度高 对于一幅图像而言，不管是对4 b i t 还是8 b i t 和其他比特图像的处理，对计算机程序米 醢儿乎是一样的。增加图像像素数使处理图像变大，只需改变数组的参数，而处理方法不 变。所以从原理上不管处理多高精度的图像都是可能的。而在模拟图像处理中，要想使精 度提高一个数量级，就必须对处理装置进行犬幅度改进。 f 3 ) 再现性好 不管是什么图像，他们均用数组或数组集合表示，这样计算机容易处理。因此，在传 送和复制蚓像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭到破坏，保持了完 好的再现性。而在模拟图像处理过程中，就会圜为各种吲素干扰而无法保持图像的再现性。 f 4 ) 通用性、灵活性高 不管是可视图像还是x 线照片、红外热成像、超卢波图像等不可见光成像，尽符这些 图像成像体系中的设备规模和精度子不相同，但当把图像信号直接进行a d 变换，或记 录成照片再数字化，对于计算机米说都能用二维数组表示，不管什么样的图像都可以用同 样的方法进行处理，这就是数字图像处理的通用性。另外，对处理程序自由加以改变，可 进行各种各样的处理。如上下滚动、漫游、拼图、合成、变换、放大、缩小和各种逻辑运 算，所以灵活性很高。 2 3 基于虚拟仪器的计算机视觉技术 随着产品结构的日趋复杂，产品性能的不断提高，以及市场对成本、时效性限制的口 益严格，产品的测试问题已成为人多数厂家关注的焦点。在纷繁的测试产品中，虚拟仪器 已经成为越来越多测试人员的最佳选择。这是因为它能更迅捷、更经济、更灵活地解决测 试问题。随着驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复刖成为仪器编程中的基础， 这意味着可咀避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间； 可以用各种不同的模块构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略，这不仅会节省大 量人力物力，而且已有的测试投资在未来通过虚拟仪器应用稃序将通用计芹机与仪器硬件 结合起来，用户可以通过友好的图形界面( 通常n q 做虚拟前面扳) 操作这台计算机就像在 操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。虚拟仪器以透明的方式把汁算机资源 ( 如微处理器、内存、届示器等) 和仪器硬件( 如d a 、数字f 0 、定时器、信号调理等) 的测 河北农业大学硕士学位论文 壁、控翩糍力结台在一越，_ i 薹过获搏实魂鼹鼗据鹃分糖楚瑾2 “1 “。警删户兹瓣试要求交讫 时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或夔新配置现有系统以满足掰的测试要 求。这样，当用户从一个项f 转向另一个项目时，就能简单地构谶出新的虚拟仪器系统而 不丢弃已自的硬件利软件资源。 簌翊户懿蕊点米漭，今天静测试镶域嚣籍善二大主篓撬馥一一溅试残本不甑蘧趣、测 试系统越来越庞杂以及对测试投资的保护要求越米越强烈。虽然增加产品的电气化程度可 以增加其功能与性能，假所增加的功能与性能都需要通过测试来保证其质旨。因此，随着 产品电气化程度的增加，测试成本也在不断增大。现在许多单位鸯释神各样、互不相同的 测试系统，这些测试系统往往嚣不兼容，又不麓共事软、疆f l 二瓷源。鼯使在同一个荦位， 这种状7 咒也是屡见不鲜。造成这种状? 咒的根源在于缺乏统一的测试策略，其问题不金出在 用户单位的管理上，而谯于：传统仪器无法向用户提供统的测试策略”“。在产品的研究、 开发晕i 生产豹垒过程中，不同阶段有刁：潮的测试要求。在婿究、开发除段，技术爨经单位 不仅需要麓l 离性能静涮试设备来检查冀浚计是否达登羧零凝格书上的要求