激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

史盼盼，李洋，胡俊

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130021）

激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

史盼盼，李洋，胡俊

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130021）

近年來，激光雕刻技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)處理是激光雕刻系統(tǒng)中的重要部分，數(shù)據(jù)檢測提取負責雕刻中重要參數(shù)的提取，灰度功率匹配將灰度級和激光器輸出功率建立線性關(guān)系，使得雕刻系統(tǒng)實現(xiàn)多灰度級的平滑雕刻。雕刻結(jié)果表明可以實現(xiàn)256級灰度雕刻，雕刻圖像具有層次感。

FPGA；激光雕刻；數(shù)據(jù)處理

近年來，激光雕刻技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，它利用高能量密度的激光束將特殊處理的電子圖像雕刻到被加工物體的表面，進而應用到印刷、制版等各種領(lǐng)域［1］。數(shù)據(jù)處理是激光雕刻系統(tǒng)中的一個重要組成部分，數(shù)據(jù)的處理直接制約激光器能量的輸出，進而影響雕刻出來的效果。

論述了基于FPGA的激光雕刻系統(tǒng)構(gòu)成，圖像數(shù)據(jù)通過USB2.0傳輸?shù)紽PGA主控系統(tǒng)，F(xiàn)PGA對接收后的數(shù)據(jù)進行算法處理，進而實現(xiàn)對CO2激光器的調(diào)制輸出，在被加工物體表面雕刻出期望圖像。主要研究了激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理及控制技術(shù)，包括數(shù)據(jù)檢測提取、像素灰度變換處理、灰度-功率匹配，對于改進激光雕刻工藝具有重要意義。

1 激光雕刻系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)功能構(gòu)成如圖1：包含主控系統(tǒng)FPGA、緩存池SRAM、運動機構(gòu)直線電機和功率設備激光器。

圖1 激光雕刻系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)控制核心是高速數(shù)據(jù)采集中最為關(guān)鍵的部分，本系統(tǒng)需要獨立的邏輯控制模塊實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、處理、同步等控制，相較于嵌入式系統(tǒng)中控制核心，F(xiàn)PGA具有強大的并行處理數(shù)據(jù)能力［2］，因此本系統(tǒng)選擇FPGA作為系統(tǒng)控制核心。SRAM負責對傳輸數(shù)據(jù)進行乒乓操作緩存以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，保證雕刻持續(xù)進行。雕刻途中對系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精確性要求很高，直線電機具有極平穩(wěn)的運行和極高的定位精度，并且沒有往返運動的間隙問題［3］，結(jié)合高精度光柵尺作為反饋系統(tǒng)，對雕刻圖像的細節(jié)部分重現(xiàn)有重要意義，因此本系統(tǒng)采用直線電機作為傳動機構(gòu)。行程開關(guān)是用于保護和機械零點。

將需要被雕刻的原始電子圖像通過專用軟件進行相關(guān)的圖像處理，調(diào)整灰度級數(shù)使之與CO2激光器的能量輸出相匹配，達到最佳的工藝要求，經(jīng)上位機軟件將處理后的圖像轉(zhuǎn)換為用于雕刻的十六進制數(shù)據(jù)（這其中包含相關(guān)的系統(tǒng)設置參數(shù)和數(shù)據(jù)打包），數(shù)據(jù)流經(jīng)USB2.0模塊傳輸?shù)紽PGA主控系統(tǒng)，經(jīng)SRAM緩沖后進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，提取倍頻因子和滾筒周長等參數(shù)用于雕刻的實時控制，匹配灰度級數(shù)和激光器的能量輸出，將輸入的編碼器脈沖經(jīng)由數(shù)字頻率合成后調(diào)控圖像數(shù)據(jù)的下發(fā)傳輸以及直線電機的前行，在被雕刻物體表面雕刻出所期望的圖像。

2 激光雕刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

激光雕刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理包括兩個方面，數(shù)據(jù)檢測提取和灰度功率匹配，數(shù)據(jù)檢測提取實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)校驗以及圖像數(shù)據(jù)流中滾筒周長、倍頻因子等參數(shù)的提取；灰度功率匹配實現(xiàn)像素灰度值和激光輸出功率的匹配，每一級灰度都有相應的輸出功率與之對應。

2.1 數(shù)據(jù)檢測提取

圖2 數(shù)據(jù)處理過程

如圖2為FPGA主控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理過程，共有八個模塊，分別為USB數(shù)據(jù)讀取模塊、前級FIFO、SRAM緩沖池控制模塊、后級FIFO、數(shù)據(jù)檢測模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、灰度能量匹配模塊和數(shù)據(jù)控制模塊。USB數(shù)據(jù)讀取模塊主要是用來對USB傳輸模塊的控制和讀取USB2.0傳輸來的16位數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)檢測模塊作用是檢測出圖像數(shù)據(jù)、倍頻因子、滾筒周長以及版邊偏移量并傳送到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，然后經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)匹配，匹配后的各參數(shù)傳輸給執(zhí)行模塊執(zhí)行相應操作，圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)较袼鼗叶茸儞Q模塊進行灰度變換，再傳輸?shù)交叶饶芰科ヅ淠K對激光器輸出功率進行調(diào)制，同時將圖像像素數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制模塊，控制激光器的開閉，完成整個雕刻過程。

如圖3為數(shù)據(jù)檢測提取處理的流程圖，首先判定FIFO是否為空，為空則讀取SRAM數(shù)據(jù)到FIFO中，不為空則進行數(shù)據(jù)監(jiān)測提取，將提取的參數(shù)傳遞給執(zhí)行機構(gòu)PLC和變頻器，PLC根據(jù)參數(shù)控制光學平臺運行至設定位置開始雕刻，變頻器根據(jù)參數(shù)控制膠輥電機的實時轉(zhuǎn)速。首先檢測數(shù)據(jù)頭“5555”和“AAAA”，如果檢測不到數(shù)據(jù)頭，則視本次數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準確性；檢測到數(shù)據(jù)頭后，接下來提取滾筒周長和倍頻因子等參數(shù)，倍頻因子是6字節(jié)參數(shù)，需要進行數(shù)據(jù)匹配，完成后將倍頻因子傳輸給變頻器。Data_ready_buf是圖像數(shù)據(jù)準備好標志位，當提取圖像數(shù)據(jù)完成時置位Data_ready_buf，開始調(diào)制輸出圖像數(shù)據(jù)，clr_ready_buf是圖像數(shù)據(jù)輸出完成信號，當前數(shù)據(jù)輸出完成時置位clr_ready_buf，然后開始下一輪的提取檢測。

圖4 數(shù)據(jù)檢測仿真波形圖

系統(tǒng)使用SignalTap II進行調(diào)試，選取的采樣時鐘信號為FPGA的時鐘信號，如圖4所示，正確檢測出數(shù)據(jù)頭、倍頻因子、滾筒周長和版邊偏移量。

2.2 灰度-功率匹配

圖像可以提取出圖像像素和像素灰度兩個重要信息，提取出的圖像像素作為激光器的控制信號，控制著激光器的開閉，在被雕刻物體表面就表現(xiàn)出雕刻效果。而像素灰度是一個重要的參數(shù)，控制著雕刻深度。如圖5為圖像調(diào)制輸出原理圖。

目前，大多數(shù)激光圖像雕刻系統(tǒng)只能雕刻二值圖像（即黑白圖像）。對于多等級灰度圖像，先通過數(shù)字半色調(diào)算法（如有序抖動法、誤差擴散法以及迭代法等）將其轉(zhuǎn)換為二值圖像后，再進行雕刻加工。這種系統(tǒng)實現(xiàn)起來較為簡單，只需在經(jīng)過圖像雕刻區(qū)時保持加工速度恒定，并根據(jù)二值圖中像素的像素值為0或1，控制激光器在相應位置出光或不出光。它只能雕刻出黑白圖像，圖像層次感不強。即使通過增加激光加工點的方式可在視覺上實現(xiàn)多等級灰度圖像雕刻，但大大增加了計算量，也減短了激光器的使用壽命。

為了使雕刻結(jié)果能反映原圖像的層次和細節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)激光器輸出功率的方式，進行多等級（最多256級）灰度圖像雕刻加工［4］。這種方法需要設定256種激光器輸出功率，分別代表一個灰度等級，然后根據(jù)像素灰度值對應的灰度等級來調(diào)節(jié)激光器輸出功率，從而產(chǎn)生深淺不一的焦斑。實際應用中，將激光器輸出功率與灰度等級近似看作線性的關(guān)系。由于當激光功率較小時，在材料表面無法產(chǎn)生焦斑或形成的焦斑不明顯，所以加工過程中激光器輸出功率應在某個值以上進行線性調(diào)節(jié)。采用這種方法進行雕刻加工，所得圖像層次感較強。

圖5 圖像調(diào)制輸出

通常情況下，第j灰度級對應的灰度值為Cgray[j]=255-jj=0,1,…,255。但是雕刻橡膠時，第j灰度級對應的灰度值應變成Cgray[j]=j j=0,1,…,255。如果保持灰度級與灰度值的對應關(guān)系不變，那么必須將圖像進行反相。實際應用中，灰度級j和激光器的輸出功率Pj的對應關(guān)系如下式所示：

其中，q和k與加工材料有關(guān)。假設第255灰度級對應激光器的最大輸出功率Pmax那么：

該系統(tǒng)采用占空比可調(diào)的125M脈沖調(diào)制激光器的輸出功率，其中激光器限制最大的輸出功率對應的占空比為40%，則第j灰度級對應的調(diào)制脈沖的占空比Mj應該為：

灰度功率匹配的FPGA設計流程如圖6所示。

圖6 灰度-功率匹配處理流程

其中CO2_En是CO2激光器的使能信號，當CO2_En為1時激光器開啟，當CO2_En為1時激光器關(guān)閉；Duty_cycle是CO2激光器的功率輸出調(diào)制信號，由灰度值和固定系數(shù)相乘得到，激光器的輸出功率受調(diào)制信號的占空比變化控制，當占空比為0%時激光器輸出能量為0，激光器最大輸出功率為占空比40%，由激光器內(nèi)部限定。

3 實際雕刻效果分析

如圖7為灰度梯度雕刻測試結(jié)果，電子圖設計有灰度梯度變化，從實際雕刻效果來看，灰度的變化表現(xiàn)為激光燒蝕深度的變化，均勻變化的灰度在雕刻實物上表現(xiàn)為均勻平滑的坡度。

圖7 灰度梯度雕刻測試

如圖8為實際灰度圖像的雕刻效果，通過灰度功率的匹配，每一級灰度都有精確的激光器輸出功率與之對應，這樣，在雕刻灰度圖像時就避免了因灰度級變化而產(chǎn)生的鋸齒現(xiàn)象，雕刻圖像層次感強，具有立體效果。

圖8 灰度圖像雕刻效果

4 結(jié)論

通過對激光雕刻系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理技術(shù)的詳細闡述，提出了一種適用于CO2激光器的灰度功率匹配算法，用于雕刻灰度圖像，通過調(diào)整灰度級-功率輸出匹配，可以實現(xiàn)256級灰度雕刻，在不同的被雕刻物表面雕刻出具有層次感的圖像，使激光雕刻技術(shù)不但在印刷柔版領(lǐng)域具有重要應用，而且在雕刻藝術(shù)品領(lǐng)域也有重大應用，對于推動激光雕刻的發(fā)展具有重要意義。

［1］ 鄭錦生，陳松青.激光雕刻技術(shù)的發(fā)展［J］.機床與液壓，2006（8）：228-231.

［2］ 蔡兵.基于DSP和FPGA的激光加工控制系統(tǒng)研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［3］ 葉云岳.直線電機原理與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000：1-28.

［4］ 李俊.基于嵌入式數(shù)控的激光切雕控制系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.成都：電子科技大學，2010.

［5］ 史盼盼.基于數(shù)字雕刻制版的圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究［D］.長春：長春理工大學，2017.

Research on Image Data Processing and Transmission Technology in Laser Engraving System

SHI Panpan，LI Yang，HU Jun
（School of Electronic and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In recent years，more and more attention has been paid to the laser engraving technology.FPGA data processing is an important part of the laser engraving system，Data detection extraction is responsible for the extraction of important parameters in engraving.Gray power matching establish a linear relationship between the gray level and the laser output power，making the carving system to achieve multi-grayscale smooth carving.The results of the carving show that 256 grayscale engravings can be achieved，and the engraving images have a sense of hierarchy.

FPGA；laser engraving；data processing

TN919

A

1672-9870（2017）03-0071-04

2016-12-14

史盼盼（1990-），男，碩士研究生，E-mail：825421205@qq.com

李洋（1978-），女，博士，副教授，E-mail：lyang@cust.edu.cn