基于小波變換的圖像處理在數控雕刻中的應用

摘 要:基于圖像處理的雕刻系統以其特有優勢逐漸被市場接受，并成為雕刻系統的發展方向之一。為滿足人們對雕刻加工的還原真實性和藝術性需求，必須提高圖像處理的質量。本文提出利用小波變換等圖像處理技術得到較高質量的二維圖像數據后，通過直接圖像影像加工法得到三維矢量化模型再根據輸入的工藝參數可生成數控加工代碼，并通過加工仿真驗證NC代碼，探討其對提高源圖像三維還原逼真度的作用。

關鍵詞:小波變換 圖像處理 數控雕刻

中圖分類號:TN919.8文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(b)-0039-01

1 引言

雕刻技術最初產生于藝術品的加工，蘊涵著豐富的文化內涵和精致工藝，被逐漸應用到工業行業。目前，常用的雕刻技術有手工雕刻、機械仿形雕刻、激光雕刻等，各種雕刻加工技術都各有自身的優缺點，分別應用于各種不同的材料和場合。

用Pro/E、UG、MasterCAM等軟件可以雕刻簡單的圖案和尺寸較大的零件，通過曲面和實體造型功能、進行銑削車削自動加工編程、生成數控代碼，傳輸至加工中心，實現雕刻零件的目的。如需雕刻不規則的浮雕曲面、文字、圖案、紋理等零件時，由于雕刻對象復雜性，無法采用上述集成化軟件和加工中心實現雕刻。

基于圖像處理的數控雕刻加工技術高度融合了計算機圖形學、數字圖像處理技術與數控加工技術，是近十幾年發展起來的一種新的雕刻技術，用于對各種材料表面進行文字、圖案雕刻的現代化特種加工方法。圖像處理技術的發展進一步拓寬了數控雕刻的工藝范圍，節省了設計制造的時間周期，并在一定程度上提高了產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需要進行必要的前期處理，以便在減少噪聲影響的同時，提高圖像的對比度，突出圖像的細節，改善圖像的視覺效果，修復和重建質量下降的圖像。再結合直接圖像影像加工算法得到圖像的三維矢量化模型，再根據輸入的工藝參數即可生成數控加工代碼，并通過加工仿真驗證NC代碼。

2 小波去噪特點和基本步驟

由于圖像采集系統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，為了后續的加工，有必要對圖像進行去噪。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點:

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

(2)低熵性:小波系數分布稀疏，使圖像處理后的熵降低;

(3)基函數選擇更靈活:小波變換選擇基函數具有靈活性，因此可根據信號特點和去噪要求選擇適合小波;

(4)多分辨率特性:可較好地刻畫信號的非平穩特性，如突變、斷點、邊緣等;

圖像在采集、傳輸和恢復等過程中，不可避免地會被噪聲污染，噪聲一般存在于圖像的高頻子圖中，對小波分解后的高頻子圖的小波系數進行閾值量化，達到圖像消噪的目的。閾值去噪方法簡潔有效，具有比較理想的去噪效果。閾值去噪方法的思想就是對小波分解后的各層系數中模大于和小于某閾值的系數分別處理，然后對處理完的小波系數再進行反變換，重構出經過去噪后的信號。

小波去噪的基本步驟主要包括如下三步:

(1)用小波分解對信號處理;

(2)量化出小波分解高頻系數的閾值;

(3)對信號進行小波重構。使用小波分解的低頻系數以及閾值量化處理后的高頻系數進行小波重構，小波去噪效果如(圖1)。

3 基于圖像的數控加工

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。無論哪種方式，最終得到的數字圖像都是一個二維矩陣。采用直接圖像影像加工算法可以將圖像信息轉化為三維幾何信息。

直接圖像影像加工算法原理:在二維圖像坐標(x，y)中，灰度或者色彩的某個分量可間接地表示像素Z軸坐標。使用該原理，可將經過數字圖像處理后得到的二維灰度圖像經過矢量化，轉變成三維幾何加工信息，即圖像每一點三維坐標為(x，y，z)。

3.2 生成數控加工代碼

在加工代碼生成過程中，Z軸坐標為Z軸加工深度，由圖像的灰度決定。假設最大加工深度為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方向使得連續的點加工連接到一起，組成直線，然后在y方向進行循環。結果是加工代碼都完全由直線組成，成倍的降低了代碼量。根據實際需要選擇刀具的直徑為x方向的步長。若步長處于幾個像素中間，采用就近原則，選用最近像素作為下一個加工點。

3.3 加工仿真驗證

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

4 結論

為適應工業企業對制造類專業技能型人才的需求，高等院校需要大量價格低廉、性能穩定的教學型實驗設備。而現有數控雕刻機由于體積大、價格昂貴、專業性強、不便于功能擴展和應用軟件的支撐等原因，不能實現高等院校的實驗教學。并且此項研究的成果也可以用在制造類專業的實訓教學中，幫助該類專業更好的實現人才培養目標，給學生創新創業提供新的平臺。

參考文獻

[1]李存榮，郭順生，楊明忠.圖像快速雕刻自動編程軟件的研究與開發[J].儀器儀表學報，2004，25(4):57-60.

[2]閻開印，黃輝.基于數字圖像的數控雕刻技術研究[J].計算機應用研究，2007，24(8):206-208.