虛擬儀器技術(shù)在成像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

屈惠明　陳　錢

摘 要：采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行各種傳統(tǒng)理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的發(fā)展趨勢。本文通過分析虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)本科研究生成像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,構(gòu)建了成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟硬件平臺(tái),將這一基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了良好的效果，適應(yīng)了虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新要求。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器 成像處理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2009）01-0080-02

一、引言

虛擬實(shí)驗(yàn)室及其在教學(xué)中的應(yīng)用，是近幾年國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)研究的熱點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室就是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心,將虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)連接起來,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和遠(yuǎn)程操作的一個(gè)系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是通過應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能化硬件模塊結(jié)合起來，通過友好的圖形界面來操作計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)儀器的功能。虛擬儀器的功能是由用戶定制，用軟件控制和實(shí)現(xiàn)的，因而它的數(shù)據(jù)采集、分析、處理，結(jié)果顯示、儲(chǔ)存等功能與傳統(tǒng)儀器相比更具適應(yīng)性、靈活性、可擴(kuò)展性，而且開發(fā)周期短、開發(fā)費(fèi)用低。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，人們開始認(rèn)識(shí)到虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。國內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了一些虛擬實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用越來越受到人們的重視，并已在科學(xué)研究、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教育娛樂等方面發(fā)揮了重要作用。[1]

由于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)，它的實(shí)際應(yīng)用在理工科的教學(xué)中大有作為，尤其在電工電子、光電探測與成像、醫(yī)學(xué)、建筑、機(jī)械、生化等學(xué)科有重要作用。它不但能有效地降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率，而且可以實(shí)現(xiàn)異地協(xié)作和實(shí)驗(yàn)資源共享，成為強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的一個(gè)重要發(fā)展方向。虛擬實(shí)驗(yàn)同傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)相比在實(shí)驗(yàn)器件、實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上都有著許多不同。

對(duì)于成像處理來說，關(guān)鍵性能參數(shù)的測試設(shè)定、各種探測器規(guī)格參數(shù)的設(shè)定以及各種處理方法的仿真驗(yàn)證和優(yōu)化顯得尤為重要，而用傳統(tǒng)意義上的通用儀器，是無法完成所有這些功能的，若開發(fā)專門的實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器，不僅成本高、周期長，而且無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)同時(shí)幾十人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的要求。利用虛擬儀器技術(shù)來開發(fā)成像處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)昂貴的關(guān)鍵器件設(shè)備的多人共享，這無疑是一個(gè)很好的選擇。基于上述理由我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)建設(shè)了用于本科和研究生教學(xué)用的成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室。

二、成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)由：高性能PC、高速數(shù)據(jù)采集卡、高速接口、輻射源、靶標(biāo)、光學(xué)鏡頭、焦平面陣列探測器和探測器讀出驅(qū)動(dòng)電路組成；它可分為光源及探測模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊三大部分，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。[2]

1.光源及探測模塊。由輻射光源和焦平面探測器組成，光輻射通過光學(xué)鏡頭聚焦到焦平面探測器上，通過讀出電路將模擬信號(hào)輸出。

2.驅(qū)動(dòng)控制模塊。該模塊為可編程多模式驅(qū)動(dòng)，包括焦平面探測器驅(qū)動(dòng)和參數(shù)控制。焦平面探測器驅(qū)動(dòng)電路包括偏置電壓控制和時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)兩部分,它們分別為器件提供正常工作所需的偏置電壓和脈沖時(shí)序。為了使焦平面探測器驅(qū)動(dòng)電路適應(yīng)器件不同的參數(shù)特性,則需根據(jù)相應(yīng)的器件參數(shù)調(diào)整直流工作點(diǎn)和脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。偏置控制是由高精度直流信號(hào)源提供焦平面探測器工作所需的直流偏置。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)使焦平面探測器讀出電路是否能夠正常工作，它能提供讀出電路所需的時(shí)鐘波形和相關(guān)控制，可編程多模式驅(qū)動(dòng)的設(shè)置和邏輯控制由現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA完成。

3.數(shù)據(jù)采集及處理模塊。數(shù)據(jù)采集功能由美國National Instruments 公司的PCI型DAQ卡完成。它支持的功能有模擬輸入（ＡＩ）、模擬輸出（ＡＯ）、數(shù)字輸入輸出（ＤＩＯ）和定時(shí)輸入輸出（ＴＩＯ）；該卡具有4個(gè)模擬輸入通道、2個(gè)模擬輸出通道和8個(gè)數(shù)字定時(shí)I/O通道。焦平面探測器輸出的信號(hào)先經(jīng)過低噪聲放大再采樣；其最高采樣頻率達(dá)10MHz，而且自帶64M緩存器，可以滿足系統(tǒng)高速實(shí)時(shí)的要求。該卡帶有12位A/D轉(zhuǎn)換器，能滿足采樣精度和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的要求。各種數(shù)據(jù)和成像處理功能以及系統(tǒng)各部分的接口通過計(jì)算機(jī)軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

三、成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室而言，硬件平臺(tái)只為數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和顯示提供條件，軟件才是實(shí)驗(yàn)室的靈魂和關(guān)鍵。我們的成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用軟件采用LabVIEW7.1平臺(tái)開發(fā)。LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它提供了功能強(qiáng)大的函數(shù)庫和子VI虛擬儀器，包括：底層的I/O控制子程序、儀器驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)還有高級(jí)分析庫等，并提供了豐富多彩的表示方法。圖形開發(fā)的方式為每一個(gè)VI提供可調(diào)用的代碼模塊，允許用戶從其它代碼模塊中調(diào)用。這些代碼模塊就像一些封裝良好的、原子性的程序代碼，與硬件IC一樣，可以直接在其它系統(tǒng)程序中調(diào)用；這一特性造就了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。焦平面探測器數(shù)據(jù)的采集、位圖數(shù)據(jù)的排列顯示和各種成像處理算法都可以編成一個(gè)個(gè)子VI程序模塊供系統(tǒng)調(diào)用；[3] 多模式的參數(shù)設(shè)定可以從程序前面板中修改完成；這樣系統(tǒng)就可以完成各種規(guī)模焦平面探測器和任意設(shè)計(jì)的成像處理算法的仿真；這為成像處理算法設(shè)計(jì)、算法的適用性和實(shí)時(shí)性驗(yàn)證以及算法的優(yōu)化提供了靈活通用的工具。成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件界面主要有三大功能模塊，分別是功能控制面板、參數(shù)設(shè)定控制面板和成像處理結(jié)果顯示面板。成像處理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)軟件界面如圖2所示。

1.參數(shù)設(shè)置控制模塊：完成采集設(shè)備、采集通道、觸發(fā)通道、觸發(fā)電平、時(shí)鐘模式、時(shí)鐘通道、采樣點(diǎn)數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，完成探測器模式參數(shù)設(shè)置，以及進(jìn)行光源參數(shù)、數(shù)據(jù)保存路徑等設(shè)定。

2.功能控制模塊：它實(shí)現(xiàn)成像處理各種算法和功能仿真的選通和控制；它是軟件系統(tǒng)的各種子VI功能的入口,可進(jìn)行各種算法功能的修改、擴(kuò)展和組合。

3.處理效果演示模塊：實(shí)時(shí)演示功能控制模塊選通的各種成像處理算法功能及其組合的仿真效果，供設(shè)計(jì)者評(píng)價(jià)，以便及時(shí)修改算法和進(jìn)行優(yōu)化；這比反復(fù)進(jìn)行硬件改版調(diào)試來完成設(shè)計(jì)和算法的改進(jìn)優(yōu)化要直觀和方便的多。

可見，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的仿真功能和系統(tǒng)可擴(kuò)展性；任何成像處理算法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只要通過LabVIEW圖形化軟件編程，就可以由系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行算法演示實(shí)驗(yàn)及其功能組合仿真，實(shí)時(shí)驗(yàn)證其成像處理實(shí)驗(yàn)效果。

四、基于虛擬儀器技術(shù)的成像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

以基于虛擬儀器構(gòu)建的成像處理實(shí)驗(yàn)室軟硬件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)焦平面探測器的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測試及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,獲取焦平面探測器的主要性能參數(shù)，針對(duì)不同焦平面探測器參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征；進(jìn)行盲點(diǎn)檢測，非均勻性校正系數(shù)測試計(jì)算及各種成像處理方法的仿真和優(yōu)化。對(duì)于不同規(guī)模的探測器，只需要在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件程序界面的參數(shù)設(shè)定控制面板改變相應(yīng)參數(shù)即可，使用起來靈活方便，通用性強(qiáng)。特別適合于本科、研究生成像處理教學(xué)中，各種成像處理方案的設(shè)計(jì)、方案的編程調(diào)試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、效果演示、方案及程序的優(yōu)化等經(jīng)過多次反復(fù)的試驗(yàn)，該實(shí)踐不需要消耗大量硬件成本，既節(jié)約又直觀，可以達(dá)到甚至大大超過人手一臺(tái)昂貴的成像硬件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果。

五、結(jié)束語

采用虛擬儀器技術(shù)建立成像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，既較好地解決了傳統(tǒng)成像處理實(shí)驗(yàn)室需要大量昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器，同時(shí)也避免了學(xué)生因儀器設(shè)備不足影響實(shí)際動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠的缺陷，靈活方便的虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)更激發(fā)了學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的積極性和創(chuàng)新熱情，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法所受到的經(jīng)費(fèi)、時(shí)間性、空間性制約，具有比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法更好的優(yōu)勢，為光電探測與成像課程的教學(xué)提供了一種全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，對(duì)于推動(dòng)我國虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)有重要參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]揚(yáng)樂平,李海濤等.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2005.