2024年3月11日发(作者：)
边干边学机器视觉系列 图像采集部分
当选定好机器视觉的软硬件平台后，下一步就是图像采集。本章将详细讨论基于USB
摄像头的图像采集和工业相机的图像采集，大家可以根据手中硬件的不同而选读不同的部分。
从软件的视角来看，尽管硬件不同，但编程的思路和模式是基本一致的。
本文使用的工业相机是Panasonic的BP330，它是一款遵循CCIR标准的黑白相机，图
像采集卡是NI公司的PCI-1407(任何标准制式的黑白模拟相机都可以接到PCI-1407)。把相
机连接到PCI-1407后，即可在MAX下找到PCI-1407，点击Grab 按钮，还可以采集到图
像，如图3.1所示。
图3.1 在MAX里面采集图像
如果你使用的是USB 摄像头，那么请参考Error! Reference source not !
Reference source not found.，运行imaqUSB 中的。在软硬件正常工作的
情况下，可以看到从USB 摄像头中传出的图像，如Error! Reference source not found.所示。
在进行机器视觉系统开发前，我们通常都会如上所示先验证软硬件是否能正常工作，以
便后续开发。
1.1 采集单幅图像
1.1.1 基于图像采集卡的Snap操作
采集单幅图像是基本的图像采集操作之一，对应的动作叫Snap。每次Snap时，图像数
据先从相机传到图像采集卡，然后再传到计算机的内存(图像处理缓冲区)中去，如图3.2所
示。
图3.2 Snap方式采集图像过程
Snap方式的图像采集程序如图3.3所示：
第1步：调用IMAQ 完成图像采集板卡的初始化工作。
第2步：调用IMAQ 为图像数据创建一个数据缓冲区。
第3步：调用IMAQ 从图像采集板卡中读入一帧图像数据，并把它放入先前创
建的数据缓冲区中，并放入Image中显示。
第4步：当图像数据缓冲区被释放后，我们在前面板上将看不到采集的图像了，所以特
地添加一个人为的延时程序，等待用户停止。
第5步：调用IMAQ ，释放占有的图像采集板卡。
第6步：调用IMAQ ，释放占有的图像数据缓冲区。
图3.3 Snap范例程序
单幅图像采集的运行结果，如图3.4所示。
图3.4 单幅图像采集
读到这里，大家可能跟我一样都有一个疑问，为什么必须有第二步和第六步，即创建图
像数据缓冲区和释放图像数据缓冲区。这是因为每帧图像的数据量都特别大，如果在处理图
像的过程中直接传递图像数据，则非常耗时。最好的方式是仅仅传递指向该数据缓冲区的引
用。IMAQ 完成的就是创建图像数据缓冲区并返回指向该数据缓冲区的引用的过程。
1.1.2 基于USB摄像头的Snap操作
USB摄像头的Snap操作的程序实现与上面的基本相同，只需要用IMAQ USB函数选
板中的函数替代相应步骤即可，如图3.5所示。
图3.5 USB 摄像头Snap范例程序
USB设备在正常工作以前, 第一件要做的事就是枚举，所以USB摄像头在进行初始化
前，需要先执行第0步，枚举系统中的USB摄像设备，接着：
第1步：调用IMAQ USB 完成USB摄像设备的初始化工作。
第2步：调用IMAQ 为图像数据创建一个数据缓冲区。
第3步：调用IMAQ USB 从USB摄像设备中读入一帧图像数据，并把它放入
先前创建的数据缓冲区中，并放入Image中显示。
第4步：当图像数据缓冲区被释放后，我们在前面板上将看不到采集的图像了，所以特
地添加一个人为的延时程序，等待用户停止。
第5步：调用IMAQ USB ，释放占有的USB摄像设备。
第6步：调用IMAQ ，释放占有的图像数据缓冲区。
USB 摄像头Snap范例程序运行结果如图3.6所示。
图3.6 USB 摄像头Snap范例程序运行结果
1.1.3 使用进行连续图像采集的速度问题
在实际工程应用中，连续图像采集的应用占绝大多数。当我们会使用后，很自
然的想到最简单的连续采集图像实现方式是把放到While循环中，如图3.7所示。
图3.7 使用Snap进行连续图像采集
在While循环中，加入可以计算每次循环消耗的时间。运行上述程序，
可以看到使用Snap进行连续图像采集时，获得每帧图像所消耗的时间高达120ms(不同的系
统，时间略有不同)，如图3.8所示。换句话说，在这种方式下，每秒钟只能获得大约8帧
图像，这种速度在大多数实际应用中是不能容忍的。
图3.8 120ms采集一帧图像
为实现高速的连续图像采集，NI Vision Module提供了一个专用于连续图像采集的VI，
IMAQ Grab ，。下节本文将详述如何进行连续图像采集。
1.2 采集连续图像
IMAQ 运行速度之所以会慢，是因为IMAQ 除了实现图像数据采集的操
作外，还实现了许多初始化和资源释放的操作，大家可以双击IMAQ ，看看IMAQ
的实现过程，如图3.9所示。
图3.9 IMAQ
PS.看NI提供的VI的内部实现方式是一种很好的学习方式。——代码阅读
了解了速度慢的原因后，很自然的想到，既然是连续采集，何不把许多雷同的初始化操
作提取出去，在每次连续采集开始时，仅做一次初始化就可以。为实现快速的连续图像采集，
NI Vision Module提供了两个VI，一个是IMAQ Grab ，另一个是IMAQ Grab
。 IMAQ Grab 负责每次连续采集前的初始化，IMAQ Grab 专
注于图像采集。
1.2.1 基于图像采集卡的Grab操作
基于图像采集卡的连续图像采集的实现代码如图3.10所示。
图3.10 连续图像数据采集
第1步：调用IMAQ 完成图像采集板卡的初始化工作。
第2步：调用IMAQ Grab 初始化Grab过程。
第3步：调用IMAQ 创建图像数据缓冲区。
第4步：调用IMAQ Grab 快速采集图像数据。
第5步：调用IMAQ ，释放占有的图像采集板卡。
第6步：调用IMAQ ，释放占有的图像数据缓冲区。
使用IMAQ Grab ，采集每帧图像的时间从120ms降到了40ms，如图3.11所
示。
图3.11 IMAQ Grab Acquire运行结果
1.2.2 基于USB摄像头的Grab操作
同上，USB摄像头的Grab操作的程序也与基于图像采集卡的实现过程基本相同，如图
3.12所示：
第0步：调用IMAQ USB Enumerate 枚举USB摄像头。
第1步：调用IMAQ USB 完成USB摄像头的初始化工作。
第2步：调用IMAQ USB Grab 初始化Grab过程。
第3步：调用IMAQ 创建图像数据缓冲区。
第4步：调用IMAQ USB Grab 快速采集图像数据。
第5步：调用IMAQ USB ，释放占有的USB摄像头。
第6步：调用IMAQ ，释放占有的图像数据缓冲区。
图3.12 USB摄像头的连续图像采集过程
使用IMAQ USB Grab 实现连续图像采集后，采集每帧图像的时间下降到了
35ms毫秒左右，如图3.13所示。
图3.13 USB 摄像头连续图像采集结果
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