基于數(shù)字圖像的數(shù)控雕刻技術(shù)研究

摘要：通過對圖像格式識別與輸入、圖像質(zhì)量改善、圖像邊緣提取和增強(qiáng)，進(jìn)行了基于圖像的數(shù)控雕刻系統(tǒng)研究。著重研究了直接圖像影像加工和圖像邊緣加工兩種加工方法，給出了它們的具體思路和方法，并結(jié)合PC+運動控制器的開放式數(shù)控加工思路，研制了基于圖像的數(shù)控雕刻系統(tǒng)，仿真和實際加工表明，該系統(tǒng)能夠獲得滿意的加工效果。

關(guān)鍵詞：圖像處理；直接圖像影像加工；圖像邊緣加工；數(shù)控雕刻

中圖分類號：TG547文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)08－0206－03

隨著雕刻加工技術(shù)的不斷發(fā)展和競爭的加劇，產(chǎn)品市場對雕刻系統(tǒng)的靈活性和快速性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的圖形雕刻系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足發(fā)展需求，而基于圖像處理的雕刻系統(tǒng)以其特有優(yōu)勢逐漸被市場接受，并成為雕刻系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。該研究在運動控制器的基礎(chǔ)上，根據(jù)開放式數(shù)控原理，對圖像雕刻加工系統(tǒng)的模塊劃分、加工路線定義、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等內(nèi)容進(jìn)行初步研究和設(shè)計，力求實現(xiàn)一種獨立于傳統(tǒng)CAD軟件的雕刻加工系統(tǒng)。

1圖像處理與識別

圖像處理與識別包括圖像格式識別與輸入、圖像質(zhì)量的改善、圖像邊緣的提取和增強(qiáng)。目前采用的圖像處理格式很多，常用的有BMP、JPG、GIF、TIFF等，通過定義各種常用圖像格式，集成在靜態(tài)庫中，可以實現(xiàn)不同格式圖像的讀取、存儲、圖像數(shù)據(jù)壓縮與轉(zhuǎn)換、圖像顏色處理、圖像區(qū)域選擇等功能，獲得圖像的原始數(shù)據(jù)，為圖像的處理做準(zhǔn)備。

為了改善圖像質(zhì)量，應(yīng)用銳化和邊緣增強(qiáng)技術(shù)突出圖像上的灰度突變的各類邊緣，增大對比度突出重點區(qū)域，使圖像輪廓更清晰。應(yīng)用平滑技術(shù)抑制噪聲而達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的。應(yīng)用復(fù)原技術(shù)修復(fù)和重建質(zhì)量下降的圖像[1]。

根據(jù)不同內(nèi)容的圖像提供多種邊緣提取方法，獲得圖像的邊緣并增強(qiáng)。其中Sobel算子和Hough算子主要針對梯度變化比較平緩，噪聲比較多的圖像；Canny算子主要針對梯度變化劇烈，色彩區(qū)域較多的圖像；New算子主要針對文字類的簡單圖像。同時對圖像細(xì)化和奇異點進(jìn)行刪除[2]。

獲得的圖像處理結(jié)果如圖1所示。

2基于圖像的加工方法

2．1直接圖像影像加工算法

在二維圖像坐標(biāo)(x，y)中，灰度或者色彩的某個分量可以間接地表示像素z軸坐標(biāo)，由此可采用直接圖像影像加工算法，將經(jīng)過數(shù)字圖像處理后得到的二維灰度圖像經(jīng)過矢量化處理，轉(zhuǎn)變成三維幾何信息，再進(jìn)行數(shù)控加工編程，得到數(shù)控代碼，直接影像加工算法[3，4]。

位圖文件大小用像素表示，當(dāng)顯示器分辨率不同時，圖像顯示的大小也不一樣。在實際數(shù)控加工輸出時，程序無法自動確定實際加工大小。在生成代碼前必須設(shè)定加工圖像的實際大小。在具體實施算法時，還需要考慮以下幾個問題：

3數(shù)控雕刻系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于圖像處理的數(shù)控雕刻系統(tǒng)采用常用的NC+PC結(jié)構(gòu)模式：以PC機(jī)作為上位機(jī)，雕刻機(jī)作為下位機(jī)，通過運動控制器實現(xiàn)通信。其中系統(tǒng)硬件平臺包括工業(yè)PC機(jī)、運動控制器、驅(qū)動器、伺服電機(jī)、雕刻機(jī)。PC機(jī)作為控制軟件的開發(fā)平臺主要負(fù)責(zé)根據(jù)雕刻工藝要求對輸入圖像進(jìn)行數(shù)字化處理以及根據(jù)運動控制器提供的接口函數(shù)實現(xiàn)圖像信息向雕刻加工信號的轉(zhuǎn)換；運動控制器采用GT400SV運動控制卡，它提供多種常用插補(bǔ)算法(如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等)，根據(jù)上位機(jī)提供的加工信息控制雕刻機(jī)實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)控制；驅(qū)動器根據(jù)運動控制器發(fā)出的電信號，按照預(yù)定方向和速度驅(qū)動電機(jī)；伺服電機(jī)驅(qū)動雕刻機(jī)，使工作臺和刀具產(chǎn)生相對運動；雕刻機(jī)是實現(xiàn)裝置，提供了加工產(chǎn)品的平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。



系統(tǒng)采用面向?qū)ο缶幊膛c特征建模的技術(shù)，將特征對象中的圖像信息及加工信息進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)，加強(qiáng)圖像處理與制造之間的有機(jī)聯(lián)系。根據(jù)雕刻加工的特點和開放化、模塊化要求，整個系統(tǒng)主要分為五大模塊，即圖像處理模塊、雕刻加工模塊、DNC傳輸模塊、運動控制模塊、加工仿真模塊（圖8）。各個功能模塊具備了自身特征的面向?qū)ο蟊磉_(dá)方式，系統(tǒng)組成框架如圖8所示。

4結(jié)束語

本文結(jié)合基于數(shù)控雕刻的圖像處理技術(shù)，從圖像輸入、數(shù)字處理、邊緣提取、初步矢量化、代碼生成、運動控制等方面對系統(tǒng)的模塊劃分、加工路線進(jìn)行研究和開發(fā)。以深圳固高公司生產(chǎn)的運動控制器為基礎(chǔ)，在PC機(jī)上對各種輸入圖像進(jìn)行數(shù)字化處理后，通過下位機(jī)控制系統(tǒng)加工出圖像產(chǎn)品，表明所研究的算法可行，從而為雕刻加工的多樣性提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”