虚拟仪器技术在成像处理实验教学中的应用

屈惠明　陈　钱

摘 要：采用虚拟仪器技术进行各种传统理工科实验教学是实验室建设的发展趋势。本文通过分析虚拟仪器技术的特点，根据本科研究生成像处理实验教学的要求,构建了成像处理虚拟实验室的软硬件平台,将这一基于虚拟仪器技术的实验平台应用于实验教学取得了良好的效果，适应了虚拟实验室建设的新要求。

关键词：虚拟仪器 成像处理 实验教学

中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2009）01-0080-02

一、引言

虚拟实验室及其在教学中的应用，是近几年国内外实验教学和远程教学研究的热点。虚拟实验室就是以计算机网络为核心,将虚拟仪器通过网络连接起来,以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统。虚拟仪器技术是飞速发展的计算机技术与现代仪器技术相结合的产物，是通过应用程序将计算机与功能化硬件模块结合起来，通过友好的图形界面来操作计算机，以实现仪器的功能。虚拟仪器的功能是由用户定制，用软件控制和实现的，因而它的数据采集、分析、处理，结果显示、储存等功能与传统仪器相比更具适应性、灵活性、可扩展性，而且开发周期短、开发费用低。随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟实验室在教育领域的应用价值。国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了一些虚拟实验室，虚拟实验技术的应用越来越受到人们的重视，并已在科学研究、虚拟实验教学、教育娱乐等方面发挥了重要作用。[1]

由于虚拟实验技术的特点，它的实际应用在理工科的教学中大有作为，尤其在电工电子、光电探测与成像、医学、建筑、机械、生化等学科有重要作用。它不但能有效地降低实验成本，提高实验效率，而且可以实现异地协作和实验资源共享，成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向。虚拟实验同传统硬件实验相比在实验器件、实验环境和实验内容上都有着许多不同。

对于成像处理来说，关键性能参数的测试设定、各种探测器规格参数的设定以及各种处理方法的仿真验证和优化显得尤为重要，而用传统意义上的通用仪器，是无法完成所有这些功能的，若开发专门的实验设备仪器，不仅成本高、周期长，而且无法满足实验教学同时几十人进行实验的要求。利用虚拟仪器技术来开发成像处理实验系统，可以实现昂贵的关键器件设备的多人共享，这无疑是一个很好的选择。基于上述理由我们设计开发建设了用于本科和研究生教学用的成像处理虚拟实验室。

二、成像处理虚拟实验硬件平台

成像处理虚拟实验硬件平台由：高性能PC、高速数据采集卡、高速接口、辐射源、靶标、光学镜头、焦平面阵列探测器和探测器读出驱动电路组成；它可分为光源及探测模块、驱动控制模块、数据采集处理模块三大部分，硬件结构框图如图1所示。[2]

1.光源及探测模块。由辐射光源和焦平面探测器组成，光辐射通过光学镜头聚焦到焦平面探测器上，通过读出电路将模拟信号输出。

2.驱动控制模块。该模块为可编程多模式驱动，包括焦平面探测器驱动和参数控制。焦平面探测器驱动电路包括偏置电压控制和时钟脉冲驱动两部分,它们分别为器件提供正常工作所需的偏置电压和脉冲时序。为了使焦平面探测器驱动电路适应器件不同的参数特性,则需根据相应的器件参数调整直流工作点和脉冲驱动信号。偏置控制是由高精度直流信号源提供焦平面探测器工作所需的直流偏置。时钟驱动使焦平面探测器读出电路是否能够正常工作，它能提供读出电路所需的时钟波形和相关控制，可编程多模式驱动的设置和逻辑控制由现场可编程门阵列器件FPGA完成。

3.数据采集及处理模块。数据采集功能由美国National Instruments 公司的PCI型DAQ卡完成。它支持的功能有模拟输入（ＡＩ）、模拟输出（ＡＯ）、数字输入输出（ＤＩＯ）和定时输入输出（ＴＩＯ）；该卡具有4个模拟输入通道、2个模拟输出通道和8个数字定时I/O通道。焦平面探测器输出的信号先经过低噪声放大再采样；其最高采样频率达10MHz，而且自带64M缓存器，可以满足系统高速实时的要求。该卡带有12位A/D转换器，能满足采样精度和系统动态范围的要求。各种数据和成像处理功能以及系统各部分的接口通过计算机软件编程来实现。

三、成像处理虚拟实验室软件设计

对于成像处理虚拟实验室而言，硬件平台只为数据的采集、传输、存储和显示提供条件，软件才是实验室的灵魂和关键。我们的成像处理虚拟实验室应用软件采用LabVIEW7.1平台开发。LabVIEW是基于数据流的编译型图形编程环境，它提供了功能强大的函数库和子VI虚拟仪器，包括：底层的I/O控制子程序、仪器驱动程序、数学函数、字符串处理函数还有高级分析库等，并提供了丰富多彩的表示方法。图形开发的方式为每一个VI提供可调用的代码模块，允许用户从其它代码模块中调用。这些代码模块就像一些封装良好的、原子性的程序代码，与硬件IC一样，可以直接在其它系统程序中调用；这一特性造就了系统的灵活性和可扩展性。焦平面探测器数据的采集、位图数据的排列显示和各种成像处理算法都可以编成一个个子VI程序模块供系统调用；[3] 多模式的参数设定可以从程序前面板中修改完成；这样系统就可以完成各种规模焦平面探测器和任意设计的成像处理算法的仿真；这为成像处理算法设计、算法的适用性和实时性验证以及算法的优化提供了灵活通用的工具。成像处理虚拟实验室软件界面主要有三大功能模块，分别是功能控制面板、参数设定控制面板和成像处理结果显示面板。成像处理虚拟实验教学平台软件界面如图2所示。

1.参数设置控制模块：完成采集设备、采集通道、触发通道、触发电平、时钟模式、时钟通道、采样点数等系统参数设置，完成探测器模式参数设置，以及进行光源参数、数据保存路径等设定。

2.功能控制模块：它实现成像处理各种算法和功能仿真的选通和控制；它是软件系统的各种子VI功能的入口,可进行各种算法功能的修改、扩展和组合。

3.处理效果演示模块：实时演示功能控制模块选通的各种成像处理算法功能及其组合的仿真效果，供设计者评价，以便及时修改算法和进行优化；这比反复进行硬件改版调试来完成设计和算法的改进优化要直观和方便的多。

可见，该系统具有强大的仿真功能和系统可扩展性；任何成像处理算法实验设计只要通过LabVIEW图形化软件编程，就可以由系统调用进行算法演示实验及其功能组合仿真，实时验证其成像处理实验效果。

四、基于虚拟仪器技术的成像处理实验教学平台应用

以基于虚拟仪器构建的成像处理实验室软硬件平台，可实现焦平面探测器的数据采集、参数测试及数据的统计分析,获取焦平面探测器的主要性能参数，针对不同焦平面探测器参数进行统计分析得到其数据统计特征；进行盲点检测，非均匀性校正系数测试计算及各种成像处理方法的仿真和优化。对于不同规模的探测器，只需要在实验系统软件程序界面的参数设定控制面板改变相应参数即可，使用起来灵活方便，通用性强。特别适合于本科、研究生成像处理教学中，各种成像处理方案的设计、方案的编程调试、实验验证、效果演示、方案及程序的优化等经过多次反复的试验，该实践不需要消耗大量硬件成本，既节约又直观，可以达到甚至大大超过人手一台昂贵的成像硬件系统进行实验的效果。

五、结束语

采用虚拟仪器技术建立成像处理实验教学平台，既较好地解决了传统成像处理实验室需要大量昂贵的实验设备与仪器，同时也避免了学生因仪器设备不足影响实际动手操作实验时间不够的缺陷，灵活方便的虚拟实验室建设更激发了学生自主设计实验的积极性和创新热情，突破了传统实验教学方法所受到的经费、时间性、空间性制约，具有比传统实验教学方法更好的优势，为光电探测与成像课程的教学提供了一种全新的实验教学手段，对于推动我国虚拟实验室的建设有重要参考价值。

参考文献：

[1]候国屏,王坤,叶齐鑫.LABVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]QU Hui-ming, CHEN Qian, et al. A General Image Processing Algorithm Demo and Evaluation System for Infrared Imaging. Proceedings of SPIE. 2007（6279）: 62793G-1～7.

[3]扬乐平,李海涛等.LabVIEW程序设计与应用[M].北京:电子工业出版社, 2005.