基于圖像處理的弦絲畫機器人設計

杜 明，王中寶

(吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021)

0 引言

弦絲畫發源于19世紀末，被稱為“數字與藝術的舞蹈”，其制作方式是在一個釘滿釘子的木板上，按照圖案的明暗交接用繞線的方式組成圖案輪廓，然后用線在釘子之間纏繞，組成幾何圖形或畫，因其上手簡單又極具藝術美感，使得弦絲畫手工藝品越發流行。2018年，維也納某科研團隊研發了一種計算機算法，利用該算法能夠讓機器人用繞線的形式重新創造出各種圖案。與國外相比，國內雖然存在能夠生成繞線順序的軟件，但尚未見到自動繞線的機器。現有的繪制流程地解算需要付費使用，且代碼不開源，應用受限。另外，采用人工方式進行繪制，消耗時間長，容易出錯。綜上所述，本文設計了一套能夠自動繞線的繪畫機器人，具有自動識圖、解算及繪制功能[4]。

1 構弦絲畫機器結構及傳動控制

1.1 系統組成

弦絲畫控制系統主要由上位機與下位機兩個部分組成。上位機負責弦絲畫步驟的解算、繪制步驟的儲存。下位機則是繪制部分的機械平臺，由3個步進電機進行驅動，分別構成X軸、Y軸以及Z軸3個方向。系統流程與系統結構如圖1和圖2所示。

圖1 系統流程

圖2 系統結構

1.2 傳動系統控制

傳動系統主要由下位機控制實現，通過STM32F10 3C8T6單片機接收上位機發送的位置信息，控制各步進電機進行繞線。各軸步進電機傳動控制結構如圖3所示。

圖3 步進電機傳動控制結構

2 圖像處理算法及軌跡形成

2.1 生成釘子位置

首先通過一張1 000×1 000像素的空白圖片，用來模擬弦絲畫的背景板。以點O(X0,Y0)為圓心，以R為半徑，坐標如圖4所示。

由圖4可得圓周上某點的極坐標方程為：

圖4 圓的極坐標

(1)

可見，根據公式(1)可以求出圓上任意一點的位置，推導出公式(2)：

(2)

式中：n為弦絲畫上總的釘子數，ni為從角度位置到時釘子的排序。

在作圖時，由于像素點的原因不能求出小數，所以,需要對求得的坐標(X,Y)取整最后繪圖得到坐標生成效果,如圖5所示。

圖5 坐標生成效果

2.2 加載圖片

使用OpenCV中cv2.imread()函數加載圖片，該函數的形式如式(3)所示：

cv2.imread(Path,Flags)

(3)

式(3)中輸入參數Path是圖片的路徑；Flags是圖片的加載方式。cv2.cvtColor()方法用于將圖像從一種顏色空間轉換為另一種顏色空間。該函數的形式如式(4)所示：

cv2.cvtColor(Stc,Code

[,Dst[,DstCn]])

(4)

式(4)中輸入參數Stc是需要轉化空間顏色的圖像；Code是色彩空間轉換代碼；Dst是與Src圖像大小和深度相同的輸出圖像；DstCn是目標圖像中的頻道數。

使用公式img = cv2.imread(‘XSH.png’,0)加載圖片，img_gray=cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)將所加載的圖片轉化為灰度圖。灰度圖轉化形式如式(5)所示：

gray(x,y)=0.299×r(x,y)+

0.587×g(x,y)+0.114×

b×(x,y)

(5)

使用OpenCV讀取圖片的時候，默認使用的是BGR來讀取圖片，原始讀取的圖片是3通道的，經過轉換之后變成了單通道。灰度圖對應8位灰度取值，有256種取值，0表示黑色，255表示白色[5-6]。

2.3 計算兩點所在直線上的像素坐標集合

采用Brezenham算法，Bresenham的輸入為兩個點A(X1,Y1),B(X2,Y2)。根據這兩個點能夠計算出兩點之間的“距離”。

(6)

根據y=kx+b

則有

(7)

Δyx-Δxy-C=0

(8)

在上述公式中

(9)

設直線的斜率為k，當|k| <=1時，x方向為主步進方向；當|k| >1時，y方向為主步進方向。

3 系統實驗

上位機部分使用python3.8版本的編譯環境，調用tkinterUi設計模塊，OpenCV-python 4.4.0版本的計算機視覺庫，numpy 1.18.1版本的科學計算庫以及pyserial 3.4版本的通信模塊等。上位機界面如圖6所示。

圖6 上位機界面

下位機采用STM32F103單片機作為主控模塊，3個Tb6600步進電機驅動器分別對應X，Y，Z軸的驅動部分，實現3個維控制。繪制結果如圖7所示。

圖7 繪制結果

4 結語

針對弦絲畫裝置的需求研發了弦絲畫機器人，系統采用上、下位機結構，上位機負責圖像處理、期望位置坐標生成，下位機負責位置控制。經過仿真實驗和實際運行，驗證了設備運行穩定、定位精確、繪制圖案美觀，生產效率高，可滿足弦絲畫工藝的需求，具有良好的工程應用價值。