位圖矢量化在激光雕刻技術中的應用

張金龍，宋文學

（西安航空技術高等專科學校，陜西 西安 710077）

激光加工是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，從而獲得所需要的圖案和切縫的加工方法，［1］它是融合了光、機、電、材料加工及檢測等學科的復合型先進制造技術。激光雕刻是利用激光束在材料表面產生的三種作用：熔融、汽化以及光化學反應，使材料表面燒蝕，熔蝕區材料的表面質地、顏色和反射率均會發生變化，從而造成可以識別的符號標記。隨著激光和計算機技術的迅猛發展，激光加工技術在加工領域得到了廣泛的應用。［2，3］

激光雕刻通常用來各種金屬及非金屬加工，例如：竹木、有機玻璃、玻璃、鍍漆金屬，金屬激光雕刻制品，模具制造加工等。加工目標一般是復雜圖形或者圖像。復雜圖形大部分由曲線組成，而圖像則由不同的色彩組成。一種情況是用戶提供平面圖形照片，要求按圖形照片進行雕刻加工；其次是提供圖形文件。第一種情況一般可通過掃描儀將其轉化為第二種形式。

1 矢量化技術

數字化圖像可分為兩大類：矢量圖像和位圖圖像。一般圖像是以BMP、JPEG等位圖形式存放的；位圖是一個矩陣點陣，每一個點稱為像素；像素是位圖的基本元素。通常位圖格式是不能無限制放大的，如果達到一定程度，就會出現鋸末現象。而光柵矢量圖沒有這種情況，可以無限放大而不會失真。在使用過程中，激光雕刻機中位圖雕刻效果不理想，并且在雕刻線要做一些工作處理。而矢量圖雕刻效果很好。例如DXF矢量文件格式，它是目前常用二維繪圖軟件AutoCAD、CAXA電子圖板的主要格式，能夠很方便被激光雕刻機軟件識別。然而對于復雜圖像，曲線數量較多，手繪工作量巨大。而位圖一般又包括大量曲線，景物生動，這就需要將位圖轉換成為矢量圖。

位圖向矢量圖轉換過程中，由于原始圖像中存在雜點和混入噪聲，需對圖像進行平滑處理，以消除噪聲污染；然后選用適當的閾值將圖像二值化為單色圖，保留并增強圖像的輪廓信息；再對該二值圖像進行去噪聲（二值化過程中帶來的噪聲）、圖像分割、細化、邊緣檢測等預處理操作，形成易于矢量化處理的二值圖像；接下來對該圖像進行矢量化處理，包括邊緣提取、鏈碼跟蹤和圖元識別；最后得到在CAD環境下可直接使用或需進一步優化處理的矢量文件格式（DXF格式）。［4］

目前，國內外對矢量化方法的研究已做了許多工作，并產生了一些理論，研究出了不少算法。但在實際應用中都存在不同程度的缺陷和困難，一次擬合大致可分為兩種方法：一種是自頂向下的分解方法，該方法的缺陷是單個偏差較大的點造成結果偏差較大，必須用其他方法進行后處理加以彌補；另一種是自底向上的合并方法，該方法的困難在于初始線段長度的選取，如選擇不當對結果影響較大，要獲得好的結果必須附加其他處理。二次擬合常用最小二等乘法，但若二次曲線有較復雜的相交、相接關系時，該方法難于將不同二次曲線分開，識別準確率受到影響。［5］

圖像矢量化軟件處理效果的好壞，關鍵是矢量化算法的選取。作者的研究工作分兩步走：首先探討圖像矢量化理論，有比較地選擇一些效果好、易于計算機實現的矢量化算法。

2 矢量化軟件及矢量化過程

通過程序設計語言正確地表達這些矢量化算法，然后，利用軟件開發工具，將這些算法編程實現。圖像矢量化研究結果產生了一批這方面的軟件，例如：CorelDRAW中的CorelTRACE、R2V、WinTopo、WiseImage、Scan2CAD等等。

下面以AlgoLab PtVector軟件為例，實現激光加工中的圖像矢量化處理。AlgoLab PtVector提供了強大的位圖文件矢量化功能，通過將普通位圖文件的顏色減少以及以光柵引導彩色的圖像的格式轉換提供高質量的光柵矢量圖，只需要簡單幾個步驟便可達到與繁復的矢量圖描制工作相同效果。它是套自動化的點陣/矢量圖轉換工具，使用者無需做任何特別的設定即可將點陣格式圖像轉換為矢量格式。當然，如果有特殊的需求，如需要得到較為精確的矢量格式，也提供了進階設定的功能，如修正顏色及線條矢量化的寬容度等，目前可供輸入轉換的格式包括BMP、JPG以及PNG，在輸出格式的選擇上則為WMF、EMF、DXF以及AI等幾種，使用者可視需求自行選擇。

不要認為要完成這么艱巨的任務要多么龐大的體積，這個AlgoLab PtVector安裝后的空間只占據4.17MB大小，安裝后的圖標見圖1。

圖1 軟件圖標

圖2 軟件界面

打開軟件，軟件界面如圖2所示。載入你想矢量化的位圖，下面以“臥虎圖”為例，具體地說明該軟件的使用。AlgoLab PtVector 真正有用的命令在“保存”圖標的右邊，分別是操作次序、修整、顏色縮減、清潔、矢量化等。

按打開按鈕，按照待雕刻臥虎圖路徑找到它，并且打開。如圖4是尋找圖形過程。圖5是打開的臥虎圖。

圖3 待雕刻臥虎圖［6］

圖4 AlgoLab PtVector打開位圖界面

圖5 打開臥虎圖

圖6 矢量化臥虎圖

圖7 另存文件

如果我們希望通過簡單的操作來轉換圖形格式，那么可以直接點取操作次序，程序就會自動完成所有的修整、顏色縮減、清潔、矢量化的工作，一步到位，得到下面的光柵矢量圖，見圖6。矢量化后點擊文件、另存為，選擇保存格式：WMF、EMF、PSP、DXF以及AI，如圖7所示。然后選擇保存路徑就可以保存了。激光雕刻能識別DXF，選擇該格式進行保存。

我們的轉換工作已經完成，那么怎么知道我們制作出來的圖像是光柵矢量圖呢？我們可以使用各種常用的圖形設計軟件來進行檢驗。用AutoCAD打開剛才保存的矢量化處理的臥虎圖，見圖8。此時，位圖已經轉換位為可變編輯的矢量圖。經過一定處理、編輯就可以進行雕刻了。用雕刻軟件打開編輯好的 DXF格式的虎形圖，進行雕刻。雕刻后的臥虎激光雕刻圖見圖9。

圖8 AutoCAD打開的dxf格式的臥虎圖

圖9 臥虎激光雕刻圖

當然，通過操作次序得到的光柵矢量圖可能我們認為太過于直接簡單。那么還有另外一種方法實現光柵矢量圖的轉換。我們可以選擇修整：準備將一圖像轉換好顏色形狀定義邊界和更相似種類的顏色，這樣就得到一個初步處理的圖像；然后我們可以執行顏色縮減，這樣就可以為一圖像建立一塊適當減少顏色的調色板，并且用調色板的顏色代替原來顏色，可以得到第二步的處理圖像；為了更好地完成任務，我們還必須執行清潔的操作，可以去除小污點和合并微末細節成為有關圖像顏色的大輪廓，經過這樣的處理，基本可以進行光柵矢量圖的轉換了；最后，我們就可以執行矢量化，得到一張真正的光柵矢量圖。

1 陳綺麗、黃詩君、張宏超.激光技術在材料加工中的應用現狀與展望［J］.2006（8）：221～223

2 張永康、周建忠、葉云霞.激光加工技術［M］.化學工業出版社，2004：5～8

3 王春生.透過數控機床展看激光切割機的快速發展［J］.世界制造技術及裝備市場，2008（5）：17～20

4 張勁峰.數控線切割機床圖像矢量化研究及其CAI應用［D］.上海：上海大學，2004

5 李慶華、王多強、陳志勇.圖像的矢量化方法與算法研究［J］.計算機應用研究，1995（6）：9～12

6 http://www.nipic.com/