基于圖像處理的弦絲畫機(jī)器人設(shè)計(jì)

杜 明，王中寶

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021)

0 引言

弦絲畫發(fā)源于19世紀(jì)末，被稱為“數(shù)字與藝術(shù)的舞蹈”，其制作方式是在一個(gè)釘滿釘子的木板上，按照?qǐng)D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(shù)美感，使得弦絲畫手工藝品越發(fā)流行。2018年，維也納某科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種計(jì)算機(jī)算法，利用該算法能夠讓機(jī)器人用繞線的形式重新創(chuàng)造出各種圖案。與國外相比，國內(nèi)雖然存在能夠生成繞線順序的軟件，但尚未見到自動(dòng)繞線的機(jī)器。現(xiàn)有的繪制流程地解算需要付費(fèi)使用，且代碼不開源，應(yīng)用受限。另外，采用人工方式進(jìn)行繪制，消耗時(shí)間長，容易出錯(cuò)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一套能夠自動(dòng)繞線的繪畫機(jī)器人，具有自動(dòng)識(shí)圖、解算及繪制功能[4]。

1 構(gòu)弦絲畫機(jī)器結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)控制

1.1 系統(tǒng)組成

弦絲畫控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)與下位機(jī)兩個(gè)部分組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)弦絲畫步驟的解算、繪制步驟的儲(chǔ)存。下位機(jī)則是繪制部分的機(jī)械平臺(tái)，由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，分別構(gòu)成X軸、Y軸以及Z軸3個(gè)方向。系統(tǒng)流程與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)流程

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)控制

傳動(dòng)系統(tǒng)主要由下位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，通過STM32F10 3C8T6單片機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的位置信息，控制各步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行繞線。各軸步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

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(diǎn)O(X0,Y0)為圓心，以R為半徑，坐標(biāo)如圖4所示。

由圖4可得圓周上某點(diǎn)的極坐標(biāo)方程為：

圖4 圓的極坐標(biāo)

(1)

可見，根據(jù)公式(1)可以求出圓上任意一點(diǎn)的位置，推導(dǎo)出公式(2)：

(2)

式中：n為弦絲畫上總的釘子數(shù)，ni為從角度位置到時(shí)釘子的排序。

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

圖5 坐標(biāo)生成效果

2.2 加載圖片

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

cv2.imread(Path,Flags)

(3)

式(3)中輸入?yún)?shù)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(zhuǎn)換為另一種顏色空間。該函數(shù)的形式如式(4)所示：

cv2.cvtColor(Stc,Code

[,Dst[,DstCn]])

(4)

式(4)中輸入?yún)?shù)Stc是需要轉(zhuǎn)化空間顏色的圖像；Code是色彩空間轉(zhuǎn)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(biāo)圖像中的頻道數(shù)。

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(zhuǎn)化為灰度圖。灰度圖轉(zhuǎn)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(shí)候，默認(rèn)使用的是BGR來讀取圖片，原始讀取的圖片是3通道的，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后變成了單通道。灰度圖對(duì)應(yīng)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(jì)算兩點(diǎn)所在直線上的像素坐標(biāo)集合

采用Brezenham算法，Bresenham的輸入為兩個(gè)點(diǎn)A(X1,Y1),B(X2,Y2)。根據(jù)這兩個(gè)點(diǎn)能夠計(jì)算出兩點(diǎn)之間的“距離”。

(6)

根據(jù)y=kx+b

則有

(7)

Δyx-Δxy-C=0

(8)

在上述公式中

(9)

設(shè)直線的斜率為k，當(dāng)|k| <=1時(shí)，x方向?yàn)橹鞑竭M(jìn)方向；當(dāng)|k| >1時(shí)，y方向?yàn)橹鞑竭M(jìn)方向。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

上位機(jī)部分使用python3.8版本的編譯環(huán)境，調(diào)用tkinterUi設(shè)計(jì)模塊，OpenCV-python 4.4.0版本的計(jì)算機(jī)視覺庫，numpy 1.18.1版本的科學(xué)計(jì)算庫以及pyserial 3.4版本的通信模塊等。上位機(jī)界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)界面

下位機(jī)采用STM32F103單片機(jī)作為主控模塊，3個(gè)Tb6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)應(yīng)X，Y，Z軸的驅(qū)動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)3個(gè)維控制。繪制結(jié)果如圖7所示。

圖7 繪制結(jié)果

4 結(jié)語

針對(duì)弦絲畫裝置的需求研發(fā)了弦絲畫機(jī)器人，系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)圖像處理、期望位置坐標(biāo)生成，下位機(jī)負(fù)責(zé)位置控制。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、定位精確、繪制圖案美觀，生產(chǎn)效率高，可滿足弦絲畫工藝的需求，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。