位图矢量化在激光雕刻技术中的应用(1)

科学之友　Ｆｒｉｅｎｄ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｍａｔｅｕｒｓ　２０１０年１０月　位图矢量化在激光雕刻技术中的应用　张金龙，宋文学　（西安航空技术高等专科学校，陕西西安７１００７７）　摘要：激光雕刻中矢量雕刻效果通常好于位图雕刻，而实际中大量图像以位图文件形　式存储，因此矢量化就显得尤为重要。本文阐述了激光雕刻过程中位图转换为矢量图的　技术和方法，并利用实例展示了矢量化处理过程及雕刻结果。　关键词：激光雕刻；图像；矢量化　中图分类号：ＴＮ２４９　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８１３６（２０１０）３０—００３４—０２　激光加工是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，将材　件格式，它是目前常用二维绘图软件ＡｕｔｏＣＡＤ、ＣＡＸＡ电子图　料快速加热至汽化温度，从而获得所需要的图案和切缝的加工　板的主要格式，能够很方便被激光雕刻机软件识别。然而对于　方法，　它是融合了光、机、电、材料加工及检测等学科的复　复杂图像，曲线数量较多，手绘工作量巨大。而位图一般又包　合型先进制造技术。激光雕刻是利用激光束在材料表面产生的　括大量曲线，景物生动，这就需要将位图转换成为矢量图。　三种作用：熔融、汽化以及光化学反应，使材料表面烧蚀，熔　位图向矢量图转换过程中，由于原始图像中存在杂点和混　蚀区材料的表面质地、颜色和反射率均会发生变化，从而造成　入噪声，需对图像进行平滑处理，以消除噪声污染；然后选用　可以识别的符号标记。随着激光和计算机技术的迅猛发展，激　适当的阈值将图像二值化为单色图，保留并增强图像的轮廓信　光加工技术在加工领域得到了广泛的应用。　’　息；再对该二值图像进行去噪声（二值化过程中带来的噪声）、　激光雕刻通常用来各种金属及非金属加工，例如：竹木、　图像分割、细化、边缘检测等预处理操作，形成易于矢量化处　有机玻璃、玻璃、镀漆金属，金属激光雕刻制品，模具制造加　理的二值图像；接下来对该图像进行矢量化处理，包括边缘提　工等。加工目标一般是复杂图形或者图像。复杂图形大部分由　取、链码跟踪和图元识别；最后得到在ＣＡＤ环境下可直接使用　曲线组成，而图像则由不同的色彩组成。一种情况是用户提供　或需进一步优化处理的矢量文件格式（ＤＸＦ格式）。　平面图形照片，要求按图形照片进行雕刻加工；其次是提供图　目前，国内外对矢量化方法的研究已做了许多工作，并产　形文件。第一种情况一般可通过扫描仪将其转化为第二种形式。　生了一些理论，研究出了不少算法。但在实际应用中都存在不　１矢量化技术　同程度的缺陷和困难，一次拟合大致可分为两种方法：一种是　数字化图像可分为两大类：矢量图像和位图图像。一般图　自顶向下的分解方法，该方法的缺陷是单个偏差较大的点造成　像是以ＢＭＰ、ＪＰＥＧ等位图形式存放的；位图是一个矩阵点阵，　结果偏差较大，必须用其他方法进行后处理加以弥补；另一种　每一个点称为像素；像素是位图的基本元素。通常位图格式是　是自底向上的合并方法，该方法的困难在于初始线段长度的选　不能无限制放大的，如果达到一定程度，就会出现锯末现象。　取，如选择不当对结果影响较大，要获得好的结果必须附加其　而光栅矢量图没有这种情况，可以无限放大而不会失真。在使　他处理。二次拟合常用最小二等乘法，但若二次曲线有较复杂　用过程中，激光雕刻机中位图雕刻效果不理想，并且在雕刻线　的相交、相接关系时，该方法难于将不同二次曲线分开，识别　要做一些工作处理。而矢量图雕刻效果很好。例如ＤＸＦ矢量文　准确率受到影响。　４数字电子钟软件设计　断，两个外部中断。定时中断，主要是完成时间的统计，当外　整个系统软件设计主要包括主程序、中断服务程序、显示　部晶振为１２　ＭＸ－Ｉｚ，设定为工作方式１，其最大定时间为６５ｍｓ　程序等几个部分。各个模块均写成函数形式，便于结构化程序　多一点，不能进行１Ｓ计时，所以将定时器定时间设定为５０ｍｓ，　设计。各个模块之间可能需要交换数据，我们采取定义公共变　这样中断２０次为１ｓ。当“秒”计至６０时，“分”加１，当“分”　量的方法来实现，这样就不必通过形参和实参方式来交换数据，　计到６０时，“时”加１，当“时”计到２４时，“时”清０，完成　简化了程序设计。主程序主要完成系统初始化，中断初始化和　天计时。两个外部中断程序比较简单，分别完成“时”加１　构建一个循环不得地显示当前时间。本系统采用的是显示芯片　和“分”加１，当加到上限时归０。　来实现系统显示的。显示时主要根据ＬＣＤ芯片时序要求，模拟　参考文献　产生相应的时序，选中芯片，向ＬＣＤ芯片送相应的控制字设定　１张志良．单片机原理与控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９　其工作方式，再送相应数据完成显示工作。由于ＬＣＤ１６０２是两　２何立民．Ｍｃｓ一５１单片机应用系统［Ｍ］．北京：北京航空航天　行显示，一般要操作两次。本系统共有３个中断，一个定时中　大学出版社，１９９９　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＬＣＤ　ｍｏｎｉｔｏｒｓ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｌｏｃｋ　ｄｅｓｉｇｎ　Ｈｕａｎｇ　Ｋｅｙａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｄｅｓｉｇｎ　ｄｉｇｉａｔｌ　ｃｌｏｃｋ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅ　ｈｔｅ　ｃｈｉｐ　ＬＣＤ１６０２　ａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｕｔｐｕｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｈｔｅ　ＬＣＤ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｎｇａｎｄｐｒｅｐａｒｅｆｏｒａ　ｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｇｒａｍｃｏｎｔｅｎｔ，ａｎｄｉｎｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｖａｌｉｄａｔｅｉｎｔｈｅｐｒｏｔｅｕｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＣＵ；ＬＣＤ１６０２；ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　３４—．　科学之友　Ｆｒｉｅｎｄ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｍａｔｅｕｒｓ　２０１０年１０月　图像矢量化软件处理效果的好坏，关键是矢量化算法的选　取。作者的研究工作分两步走：首先探讨图像矢量化理论，有　比较地选择一些效果好、易于计算机实现的矢量化算法。　２矢量化软件及矢量化过程　通过程序设计语言正确地表达这些矢量化算法，然后，利用　软件开发工具，将这些算法编程实现。图像矢量化研究结果产　生了一批这方面的软件，例如：ＣｏｒｅｌＤＲＡＷ中的ＣｏｒｅｌＴＲＡＣＥ、　Ｒ２Ｖ、ＷｉｎＴｏｐｏ、Ｗｉｓｅｌｍａｇｅ、Ｓｃａｎ２ＣＡＤ等等。　下面以ＡｌｇｏＬａｂ　ＰｔＶｅｃｔｏｒ软件为例，实现激光加工中的图　像矢量化处理。ＡｌｇｏＬａｂ　ＰｔＶｅｃｔｏｒ提供了强大的位图文件矢量化　功能，通过将普通位图文件的颜色减少以及以光栅引导彩色的　图像的格式转换提供高质量的光栅矢量图，只需要简单几个步　骤便可达到与繁复的矢量图描制工作相同效果。它是套自动化　的点阵，矢量图转换工具，使用者无需做任何特别的设定即可将　点阵格式图像转换为矢量格式。当然，如果有特殊的需求，如　需要得到较为精确的矢量格式，也提供了进阶设定的功能，如　修正颜色及线条矢量化的宽容度等，目前可供输入转换的格式　包括ＢＭＰ、ＪＰＧ以及ＰＮＧ，在输出格式的选择上则为ＷＭＦ、　ＥＭＦ、ＤＸＦ以及ＡＩ等几种，使用者可视需求自行选择。　不要认为要完成这么艰巨的任务要多么庞大的体积，这个　ＡｌｇｏＬａｂ　ＰｔＶｅｃｔｏｒ安装后的空间只占据４．１７ＭＢ大小，安装后的　图标见图１。　Ａ１ｇｏｌａｂ　ＰｔＶｅｃｔＯ１＂　图１软件图标　图２软件界面　打开软件，软件界面如图２所示。载入你想矢量化的位图，　下面以“卧虎图”为例，具体地说明该软件的使用。ＡｌｇｏＬａｂ　ＰｔＶｅｃｔｏｒ真正有用的命令在“保存”图标的右边，分别是操作　次序、修整、颜色缩减、清洁、矢量化等。　按打开按钮，按照待雕刻卧虎图路径找到它，并且打开。　如图４是寻找图形过程。图５是打开的卧虎图。　图３待雕刻卧虎图…　图４　ＡｌｇｏＬａｂ　ＰｔＶｅｃｔｏｒ打开位图界面　图５打开卧虎图　图６矢量化卧虎图　图７另存文件　如果我们希望通过简单的操作来转换图形格式，那么可以　直接点取操作次序，程序就会自动完成所有的修整、颜色缩减、　清洁、矢量化的工作，一步到位，得到下面的光栅矢量图，见　图６。矢量化后点击文件、另存为，选择保存格式：ＷＭＦ、ＥＭＦ、　ＰＳＰ、ＤＸＦ以及　，如图７所示。然后选择保存路径就可以保　存了。激光雕刻能识别ＤＸＦ，选择该格式进行保存。　我们的转换工作已经完成，那么怎么知道我们制作出来的　图像是光栅矢量图呢？我们可以使用各种常用的图形设计软件　来进行检验。用ＡｕｔｏＣＡＤ打开刚才保存的矢量化处理的卧虎图，　见图８。此时，位图已经转换位为可变编辑的矢量图。经过一定　处理、编辑就可以进行雕刻了。用雕刻软件打开编辑好的ＤＸＦ　格式的虎形图，进行雕刻。雕刻后的卧虎激光雕刻图见图９。　图８　ＡｕｔｏＣＡＤ打开的ｄｘｆ格式的卧虎图　图９卧虎激光雕刻图　当然，通过操作次序得到的光栅矢量图可能我们认为太过　于直接简单。那么还有另外一种方法实现光栅矢量图的转换。我　们可以选择修整：准备将一图像转换好颜色形状定义边界和更相　似种类的颜色，这样就得到一个初步处理的图像；然后我们可以　执行颜色缩减，这样就可以为一图像建立一块适当减少颜色的调　色板，并且用调色板的颜色代替原来颜色，可以得到第二步的处　理图像；为了更好地完成任务，我们还必须执行清洁的操作，可　以去除小污点和合并微末细节成为有关图像颜色的大轮廓，经过　这样的处理，基本可以进行光栅矢量图的转换了；最后，我们就　可以执行矢量化，得到一张真正的光栅矢量图。　参考文献　１陈绮丽、黄诗君、张宏超．激光技术在材料加工中的应用现状　与展望［Ｊ］．２００６（８）：２２１～２２３　２张永康、周建忠、叶云霞．激光加工技术［Ｍ］．化学工业出版　社，２００４：５～８　３王春生．透过数控机床展看激光切割机的快速发展［Ｊ］．世界　制造技术及装备市场，２００８（５）：１７～２０　４张劲峰．数控线切割机床图像矢量化研究及其ＣＡ／应用［Ｄ］．　上海：上海大学，２００４　５李庆华、王多强、陈志勇．图像的矢量化方法与算法研究［Ｊ］．　计算机应用研究，１９９５（６）：９～１２　６　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｉｐｉｃ．ｃｏｍ／　（英文摘要下转第３８页）　３５—　科学之友　Ｆｒｉｅｎｄ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｍａｔｅｕｒｓ　２０１０年１０月　菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌　氧过程速率的限制步骤。每种微生物可在一定的ｐＨ值范围内　活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的ｐＨ值　范围较广，在４．５～８．０之间。产甲烷菌要求环境介质ｐＨ值在　中性附近，最适宜ｐＨ值为７．０～７．２，ｐＨ６．６～７．４较为适宜。在　厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑　物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应　器内的ｐＨ值在６．５—７．５（最好在６．８～７．２）的范围内。　ｐＨ对产甲烷菌活性影响甲烷细菌生长最适宜的ｐＨ值范围　约为６．８～７．２之间，如果ｐＨ值低于６或者高于８，生长繁殖将　大受影响。　ｐＨ在污水处理中发挥着至关重要的作用，只有充分考虑　ｐＨ对各种处理方法的影响，选择适合的ｐＨ值范围，才能达到　最好的处理效果。　参考文献　ｌ李辉、洪涛．污水处理过程中ｐＨ值控制方法的研究［Ｊ］．　电子科技大学学报，２００３（０６）　２张荣标．污水处理中ｐＨ值微电脑自动控制系统［Ｊ１环境工程，　１９９４（０３）　４结束语　３陈平、李亚峰、崔红梅、赵艳红．ｐＨ值对油田污水处理的影　响［Ｊ］．辽宁化工，２００６（０８）　４汪慧贞、王绍贵．ｐＨ值对污水处理厂磷回收的影响［Ｊ］．北京　建筑工程学院学报，２００４（０４）　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｐＨ　Ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｅｗａｇｅ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｚｅｎｇ　Ｚｈｉｊｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｗｅｉｌｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｍｏｎ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ，ｃｈｅｍｉｃａｌ，ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｃａｌ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｎ　ｔｈｅｓｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ｎｅｅｄｅｄ　ｆｏｒ　ｍａｎｙ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｉｏｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｐＨ　ｖａｌｕｅｓ，ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ　ｎｏｔ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｐｒｏｄｕｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｒｔｅａｔｍｅｎｔ；ｐＨ　ｖａｌｕｅ；ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　（上接第３５页）　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｌａｓｅｒ　Ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｚｈａｎｇ　Ｊｉｎｌｏｎｇ，Ｓｏｎｇ　Ｗｅｎｘｕｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｅｃｔｏｒ　ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｓ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｂｅＲｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｂｉｔｍａｐ　ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　ｉｎ　ｌａｓｅｒ　ｅｎｇｒａｖｉｎｇ，ｂｕｔ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｉｍａｇｅｓ　ｔｏ　ａ　ｂｉｔｍａｐ　ｉｆｌｅ　ｉｓ　ｓｔｏｒｅｄ　ｎ　ｉｐｒａｃｔｉｃｅ，ｉｔ　ｉｓ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆｂｉｔｍａｐ　ｉｎｔｏ　ｖｅｃｔｏｒｇｒａｐｈ　ｎ　ｉｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｅｎｇｒａｖｉｎｇ，ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ　Ｅｎｇｒａｖｉｎｇ；ｐｉｃ￣ｒｅ；ｖｅｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ　（上接第３６页）　２数字温度计的软件设计　本设计中采用ＡＴ８９Ｃ２０５　１作为核心处理器，把经过数字传　感器ＤＳＩ８Ｂ２０现场实时采集的温度数据，存入单片机内部数据　存储器，送数码管显示，并检测是否有按键按下，来由单片机　控制是否显示。进行温度检测和显示的设计应考虑如下问题：　温度实时采集；精确显示温度：采用４位数码管显示当前温度，　精确到０．０１　；定时器启动，设置显示持续时间；按键处理，　判断按键然后显示温度。软件设计主要有：主程序、系统初始　化程序、温度采集子程序、显示子程序、键盘查询子程序、按　键处理子程序等。具体流程图（如图２所示）ｃ　３结论　本设计采用ＡＴ８９Ｃ２０５　１单片机作为主控核心，ＤＳ　１　８Ｂ２０　数字单总线温度传感器作为测温器件，通过４位数码管显示温度，　并考虑低功耗设计，显示有持续时间。作为数字温度计，具有　低功耗、低成本、体积小等优点。　ＡＴ８９Ｃ２０５１　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ－—ｂａｓｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｓ　Ｌｏｎｇ　Ｊｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＴ８９Ｃ２０５　１　ＭＣＵ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ，ａｎｄ　Ｄａｌｌａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｎｙ’Ｓ　ｓｉｎｇｌｅ—ｗｉｒｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ＤＳ　１　８Ｂ２０　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄａｔａ，ｂｙ　ｄｉｇｉａｌｔ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ，ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ．　Ａｎｄ　ｃａｎ　ｓａｖｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ａｃｃｅｓｓ　ｔｏ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｅ　ｕｎｔｉｌ　ｔｈｅ　ｂｕｔｔｏｎ　ｉｓ　ｐｒｅｓｓｅｄ　ｔｏ　ｄｉｓｐｌａｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＴ８９Ｃ２０５１；ＤＳ１８Ｂ２０；ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ　３８—