基于小波變換的圖像處理在數(shù)控雕刻中的應(yīng)用

摘 要:基于圖像處理的雕刻系統(tǒng)以其特有優(yōu)勢(shì)逐漸被市場(chǎng)接受，并成為雕刻系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。為滿足人們對(duì)雕刻加工的還原真實(shí)性和藝術(shù)性需求，必須提高圖像處理的質(zhì)量。本文提出利用小波變換等圖像處理技術(shù)得到較高質(zhì)量的二維圖像數(shù)據(jù)后，通過直接圖像影像加工法得到三維矢量化模型再根據(jù)輸入的工藝參數(shù)可生成數(shù)控加工代碼，并通過加工仿真驗(yàn)證NC代碼，探討其對(duì)提高源圖像三維還原逼真度的作用。

關(guān)鍵詞:小波變換 圖像處理 數(shù)控雕刻

中圖分類號(hào):TN919.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)07(b)-0039-01

1 引言

雕刻技術(shù)最初產(chǎn)生于藝術(shù)品的加工，蘊(yùn)涵著豐富的文化內(nèi)涵和精致工藝，被逐漸應(yīng)用到工業(yè)行業(yè)。目前，常用的雕刻技術(shù)有手工雕刻、機(jī)械仿形雕刻、激光雕刻等，各種雕刻加工技術(shù)都各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，分別應(yīng)用于各種不同的材料和場(chǎng)合。

用Pro/E、UG、MasterCAM等軟件可以雕刻簡(jiǎn)單的圖案和尺寸較大的零件，通過曲面和實(shí)體造型功能、進(jìn)行銑削車削自動(dòng)加工編程、生成數(shù)控代碼，傳輸至加工中心，實(shí)現(xiàn)雕刻零件的目的。如需雕刻不規(guī)則的浮雕曲面、文字、圖案、紋理等零件時(shí)，由于雕刻對(duì)象復(fù)雜性，無(wú)法采用上述集成化軟件和加工中心實(shí)現(xiàn)雕刻。

基于圖像處理的數(shù)控雕刻加工技術(shù)高度融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)，是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的雕刻技術(shù)，用于對(duì)各種材料表面進(jìn)行文字、圖案雕刻的現(xiàn)代化特種加工方法。圖像處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步拓寬了數(shù)控雕刻的工藝范圍，節(jié)省了設(shè)計(jì)制造的時(shí)間周期，并在一定程度上提高了產(chǎn)品的加工精度與加工速度。

本文先利用小波變換等圖像融合技術(shù)需要進(jìn)行必要的前期處理，以便在減少噪聲影響的同時(shí)，提高圖像的對(duì)比度，突出圖像的細(xì)節(jié)，改善圖像的視覺效果，修復(fù)和重建質(zhì)量下降的圖像。再結(jié)合直接圖像影像加工算法得到圖像的三維矢量化模型，再根據(jù)輸入的工藝參數(shù)即可生成數(shù)控加工代碼，并通過加工仿真驗(yàn)證NC代碼。

2 小波去噪特點(diǎn)和基本步驟

由于圖像采集系統(tǒng)獲取的圖像由于噪聲、光照、被拍攝物體的破損等多種因素的影響，信噪比通常不高，為了后續(xù)的加工，有必要對(duì)圖像進(jìn)行去噪。圖像去噪有很多種方法，效果較好的方法為小波去噪。

小波變換存在以下優(yōu)點(diǎn):

(1)去相關(guān)性:可取出信號(hào)的相關(guān)性，且噪聲在變換后有白化趨勢(shì)，所以小波域比時(shí)域更利于去噪;

(2)低熵性:小波系數(shù)分布稀疏，使圖像處理后的熵降低;

(3)基函數(shù)選擇更靈活:小波變換選擇基函數(shù)具有靈活性，因此可根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)和去噪要求選擇適合小波;

(4)多分辨率特性:可較好地刻畫信號(hào)的非平穩(wěn)特性，如突變、斷點(diǎn)、邊緣等;

圖像在采集、傳輸和恢復(fù)等過程中，不可避免地會(huì)被噪聲污染，噪聲一般存在于圖像的高頻子圖中，對(duì)小波分解后的高頻子圖的小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化，達(dá)到圖像消噪的目的。閾值去噪方法簡(jiǎn)潔有效，具有比較理想的去噪效果。閾值去噪方法的思想就是對(duì)小波分解后的各層系數(shù)中模大于和小于某閾值的系數(shù)分別處理，然后對(duì)處理完的小波系數(shù)再進(jìn)行反變換，重構(gòu)出經(jīng)過去噪后的信號(hào)。

小波去噪的基本步驟主要包括如下三步:

(1)用小波分解對(duì)信號(hào)處理;

(2)量化出小波分解高頻系數(shù)的閾值;

(3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波重構(gòu)。使用小波分解的低頻系數(shù)以及閾值量化處理后的高頻系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，小波去噪效果如(圖1)。

3 基于圖像的數(shù)控加工

3.1 獲取三維幾何加工信息

圖像的基本類型有二值圖像、灰度圖像、索引圖像和RGB彩色圖像。無(wú)論哪種方式，最終得到的數(shù)字圖像都是一個(gè)二維矩陣。采用直接圖像影像加工算法可以將圖像信息轉(zhuǎn)化為三維幾何信息。

直接圖像影像加工算法原理:在二維圖像坐標(biāo)(x，y)中，灰度或者色彩的某個(gè)分量可間接地表示像素Z軸坐標(biāo)。使用該原理，可將經(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，轉(zhuǎn)變成三維幾何加工信息，即圖像每一點(diǎn)三維坐標(biāo)為(x，y，z)。

3.2 生成數(shù)控加工代碼

在加工代碼生成過程中，Z軸坐標(biāo)為Z軸加工深度，由圖像的灰度決定。假設(shè)最大加工深度為Zmax，則各像素的加工深度＝最大加工深度Zmax×灰度值/255。

在實(shí)際加工中，采用行掃描法逐行得到加工代碼。在x方向使得連續(xù)的點(diǎn)加工連接到一起，組成直線，然后在y方向進(jìn)行循環(huán)。結(jié)果是加工代碼都完全由直線組成，成倍的降低了代碼量。根據(jù)實(shí)際需要選擇刀具的直徑為x方向的步長(zhǎng)。若步長(zhǎng)處于幾個(gè)像素中間，采用就近原則，選用最近像素作為下一個(gè)加工點(diǎn)。

3.3 加工仿真驗(yàn)證

合理的工藝參數(shù)是保證數(shù)控加工質(zhì)量的前提，輸入數(shù)控加工所需的工藝參數(shù)，主要包括刀具參數(shù)、切削參數(shù)和毛坯參數(shù)。其中，刀具參數(shù)主要包括刀具的類型、直徑、長(zhǎng)度、角度半徑等。將含噪圖像經(jīng)過小波變換等圖像融合技術(shù)需要進(jìn)行必要的前期處理和圖像修復(fù)后， 如圖1，結(jié)合直接圖像影像加工算法得到圖像的三維矢量化模型，再根據(jù)輸入的工藝參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控加工代碼，G代碼仿真器模擬得到加工效果圖，如(圖2)所示。

4 結(jié)論

為適應(yīng)工業(yè)企業(yè)對(duì)制造類專業(yè)技能型人才的需求，高等院校需要大量?jī)r(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的教學(xué)型實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而現(xiàn)有數(shù)控雕刻機(jī)由于體積大、價(jià)格昂貴、專業(yè)性強(qiáng)、不便于功能擴(kuò)展和應(yīng)用軟件的支撐等原因，不能實(shí)現(xiàn)高等院校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。并且此項(xiàng)研究的成果也可以用在制造類專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，幫助該類專業(yè)更好的實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，給學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供新的平臺(tái)。

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