位圖矢量化在激光雕刻技術(shù)中的應(yīng)用

張金龍，宋文學(xué)

（西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校，陜西 西安 710077）

激光加工是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，從而獲得所需要的圖案和切縫的加工方法，［1］它是融合了光、機、電、材料加工及檢測等學(xué)科的復(fù)合型先進制造技術(shù)。激光雕刻是利用激光束在材料表面產(chǎn)生的三種作用：熔融、汽化以及光化學(xué)反應(yīng)，使材料表面燒蝕，熔蝕區(qū)材料的表面質(zhì)地、顏色和反射率均會發(fā)生變化，從而造成可以識別的符號標(biāo)記。隨著激光和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，激光加工技術(shù)在加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。［2，3］

激光雕刻通常用來各種金屬及非金屬加工，例如：竹木、有機玻璃、玻璃、鍍漆金屬，金屬激光雕刻制品，模具制造加工等。加工目標(biāo)一般是復(fù)雜圖形或者圖像。復(fù)雜圖形大部分由曲線組成，而圖像則由不同的色彩組成。一種情況是用戶提供平面圖形照片，要求按圖形照片進行雕刻加工；其次是提供圖形文件。第一種情況一般可通過掃描儀將其轉(zhuǎn)化為第二種形式。

1 矢量化技術(shù)

數(shù)字化圖像可分為兩大類：矢量圖像和位圖圖像。一般圖像是以BMP、JPEG等位圖形式存放的；位圖是一個矩陣點陣，每一個點稱為像素；像素是位圖的基本元素。通常位圖格式是不能無限制放大的，如果達到一定程度，就會出現(xiàn)鋸末現(xiàn)象。而光柵矢量圖沒有這種情況，可以無限放大而不會失真。在使用過程中，激光雕刻機中位圖雕刻效果不理想，并且在雕刻線要做一些工作處理。而矢量圖雕刻效果很好。例如DXF矢量文件格式，它是目前常用二維繪圖軟件AutoCAD、CAXA電子圖板的主要格式，能夠很方便被激光雕刻機軟件識別。然而對于復(fù)雜圖像，曲線數(shù)量較多，手繪工作量巨大。而位圖一般又包括大量曲線，景物生動，這就需要將位圖轉(zhuǎn)換成為矢量圖。

位圖向矢量圖轉(zhuǎn)換過程中，由于原始圖像中存在雜點和混入噪聲，需對圖像進行平滑處理，以消除噪聲污染；然后選用適當(dāng)?shù)拈撝祵D像二值化為單色圖，保留并增強圖像的輪廓信息；再對該二值圖像進行去噪聲（二值化過程中帶來的噪聲）、圖像分割、細化、邊緣檢測等預(yù)處理操作，形成易于矢量化處理的二值圖像；接下來對該圖像進行矢量化處理，包括邊緣提取、鏈碼跟蹤和圖元識別；最后得到在CAD環(huán)境下可直接使用或需進一步優(yōu)化處理的矢量文件格式（DXF格式）。［4］

目前，國內(nèi)外對矢量化方法的研究已做了許多工作，并產(chǎn)生了一些理論，研究出了不少算法。但在實際應(yīng)用中都存在不同程度的缺陷和困難，一次擬合大致可分為兩種方法：一種是自頂向下的分解方法，該方法的缺陷是單個偏差較大的點造成結(jié)果偏差較大，必須用其他方法進行后處理加以彌補；另一種是自底向上的合并方法，該方法的困難在于初始線段長度的選取，如選擇不當(dāng)對結(jié)果影響較大，要獲得好的結(jié)果必須附加其他處理。二次擬合常用最小二等乘法，但若二次曲線有較復(fù)雜的相交、相接關(guān)系時，該方法難于將不同二次曲線分開，識別準(zhǔn)確率受到影響。［5］

圖像矢量化軟件處理效果的好壞，關(guān)鍵是矢量化算法的選取。作者的研究工作分兩步走：首先探討圖像矢量化理論，有比較地選擇一些效果好、易于計算機實現(xiàn)的矢量化算法。

2 矢量化軟件及矢量化過程

通過程序設(shè)計語言正確地表達這些矢量化算法，然后，利用軟件開發(fā)工具，將這些算法編程實現(xiàn)。圖像矢量化研究結(jié)果產(chǎn)生了一批這方面的軟件，例如：CorelDRAW中的CorelTRACE、R2V、WinTopo、WiseImage、Scan2CAD等等。

下面以AlgoLab PtVector軟件為例，實現(xiàn)激光加工中的圖像矢量化處理。AlgoLab PtVector提供了強大的位圖文件矢量化功能，通過將普通位圖文件的顏色減少以及以光柵引導(dǎo)彩色的圖像的格式轉(zhuǎn)換提供高質(zhì)量的光柵矢量圖，只需要簡單幾個步驟便可達到與繁復(fù)的矢量圖描制工作相同效果。它是套自動化的點陣/矢量圖轉(zhuǎn)換工具，使用者無需做任何特別的設(shè)定即可將點陣格式圖像轉(zhuǎn)換為矢量格式。當(dāng)然，如果有特殊的需求，如需要得到較為精確的矢量格式，也提供了進階設(shè)定的功能，如修正顏色及線條矢量化的寬容度等，目前可供輸入轉(zhuǎn)換的格式包括BMP、JPG以及PNG，在輸出格式的選擇上則為WMF、EMF、DXF以及AI等幾種，使用者可視需求自行選擇。

不要認為要完成這么艱巨的任務(wù)要多么龐大的體積，這個AlgoLab PtVector安裝后的空間只占據(jù)4.17MB大小，安裝后的圖標(biāo)見圖1。

圖1 軟件圖標(biāo)

圖2 軟件界面

打開軟件，軟件界面如圖2所示。載入你想矢量化的位圖，下面以“臥虎圖”為例，具體地說明該軟件的使用。AlgoLab PtVector 真正有用的命令在“保存”圖標(biāo)的右邊，分別是操作次序、修整、顏色縮減、清潔、矢量化等。

按打開按鈕，按照待雕刻臥虎圖路徑找到它，并且打開。如圖4是尋找圖形過程。圖5是打開的臥虎圖。

圖3 待雕刻臥虎圖［6］

圖4 AlgoLab PtVector打開位圖界面

圖5 打開臥虎圖

圖6 矢量化臥虎圖

圖7 另存文件

如果我們希望通過簡單的操作來轉(zhuǎn)換圖形格式，那么可以直接點取操作次序，程序就會自動完成所有的修整、顏色縮減、清潔、矢量化的工作，一步到位，得到下面的光柵矢量圖，見圖6。矢量化后點擊文件、另存為，選擇保存格式：WMF、EMF、PSP、DXF以及AI，如圖7所示。然后選擇保存路徑就可以保存了。激光雕刻能識別DXF，選擇該格式進行保存。

我們的轉(zhuǎn)換工作已經(jīng)完成，那么怎么知道我們制作出來的圖像是光柵矢量圖呢？我們可以使用各種常用的圖形設(shè)計軟件來進行檢驗。用AutoCAD打開剛才保存的矢量化處理的臥虎圖，見圖8。此時，位圖已經(jīng)轉(zhuǎn)換位為可變編輯的矢量圖。經(jīng)過一定處理、編輯就可以進行雕刻了。用雕刻軟件打開編輯好的 DXF格式的虎形圖，進行雕刻。雕刻后的臥虎激光雕刻圖見圖9。

圖8 AutoCAD打開的dxf格式的臥虎圖

圖9 臥虎激光雕刻圖

當(dāng)然，通過操作次序得到的光柵矢量圖可能我們認為太過于直接簡單。那么還有另外一種方法實現(xiàn)光柵矢量圖的轉(zhuǎn)換。我們可以選擇修整：準(zhǔn)備將一圖像轉(zhuǎn)換好顏色形狀定義邊界和更相似種類的顏色，這樣就得到一個初步處理的圖像；然后我們可以執(zhí)行顏色縮減，這樣就可以為一圖像建立一塊適當(dāng)減少顏色的調(diào)色板，并且用調(diào)色板的顏色代替原來顏色，可以得到第二步的處理圖像；為了更好地完成任務(wù)，我們還必須執(zhí)行清潔的操作，可以去除小污點和合并微末細節(jié)成為有關(guān)圖像顏色的大輪廓，經(jīng)過這樣的處理，基本可以進行光柵矢量圖的轉(zhuǎn)換了；最后，我們就可以執(zhí)行矢量化，得到一張真正的光柵矢量圖。

1 陳綺麗、黃詩君、張宏超.激光技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.2006（8）：221～223

2 張永康、周建忠、葉云霞.激光加工技術(shù)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2004：5～8

3 王春生.透過數(shù)控機床展看激光切割機的快速發(fā)展［J］.世界制造技術(shù)及裝備市場，2008（5）：17～20

4 張勁峰.數(shù)控線切割機床圖像矢量化研究及其CAI應(yīng)用［D］.上海：上海大學(xué)，2004

5 李慶華、王多強、陳志勇.圖像的矢量化方法與算法研究［J］.計算機應(yīng)用研究，1995（6）：9～12

6 http://www.nipic.com/