個性化立體相框的設計及其數(shù)控雕刻方法

諶鵬，袁偉

(南京信息職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

相框作為一種家居用品其主要由一張沖印好的照片和具有一定外形尺寸的框架組成，浮雕由早期的藝術創(chuàng)作逐漸被應用到現(xiàn)代的家居裝飾中。能否想象一下將一張平面的照片變?yōu)榱Ⅲw的浮雕，再配合一個個性化的相框?qū)烧吆隙鵀橐?，這將是多么有創(chuàng)意的設計，同時也具有一定的市場潛力。

本文介紹了基于圖像的浮雕雕刻原理，討論了個性化立體相框的主要設計思路、自動編程方法和數(shù)控加工的仿真測試方法，提供了其數(shù)控加工的操作流程。

1 基于圖像的浮雕雕刻原理

圖像的種類很多，彩色圖像由于色彩豐富可以反映出物體的真實狀況，灰度圖像則由于色彩呈階梯分布適合用于特殊的數(shù)字圖像處理。在使用RGB三基色表示灰度圖像時灰度等級最高可為256級且RGB三種顏色的數(shù)值相等，即RGB值的范圍從(0，0，0)至(255，255，255)，顏色由黑色至白色呈階梯分布[1]。雖然灰度圖像本身是平面的，但由于顏色深淺不同，因此顏色的深淺可以轉(zhuǎn)換為三維浮雕表面的高低。在本次研究的浮雕雕刻中定義灰度圖像中黑色所表示的浮雕表面高度最低，而白色所表示的浮雕表面高度最高，顏色由黑色至白色變化過程中其浮雕表面的高度呈線性變化。因此由灰度圖像完成三維浮雕的數(shù)控加工時，只需控制刀具根據(jù)當前圖像像素的灰度值切削至合適的深度即可。圖1表示由灰度圖像處理為刀具軌跡的對比情況，刀具軌跡為軸側視角，且為了更清晰地表示灰度圖像中顏色深淺與浮雕表面高度的關系此處的刀具軌跡只顯示了圖像中的部分區(qū)域。

圖1 由灰度圖像處理為刀具軌跡

2 個性化立體相框的主要設計思路

2.1 圖像的優(yōu)化處理

由基于圖像的浮雕雕刻原理可以看出，在對人物肖像進行浮雕轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)錯誤的“高度處理”。例如人物的膚色較白，在進行高度處理時會將其面部區(qū)域加工為凸起的效果，而人物的頭發(fā)如果是黑色的，在進行高度處理時會將其頭發(fā)區(qū)域加工為凹陷效果。顯然人物的頭發(fā)、眉毛還有眼睛等因為其顏色將會出現(xiàn)錯誤的“高度處理”效果，因此必須在對圖像處理為浮雕前進行優(yōu)化，該方法是利用PHOTO SHOP軟件將人物需優(yōu)化的區(qū)域選定并進行反色處理。對于平面照片，復雜的背景可以起到襯托人物的作用，但對于浮雕來講反而會使得整個圖案錯綜復雜，擾亂視線，因此對于人物肖像還可使用PHOTO SHOP軟件將人物背景更換為黑色以便在浮雕中突出人物特征[2]，圖像優(yōu)化處理前與處理后的效果如圖2所示。

圖2 圖像優(yōu)化處理前后效果對比

2.2 相框的選擇

普通的相框本身就是立體的，因此在個性化立體相框的設計中應選擇適合的能轉(zhuǎn)換成具有立體浮雕效果的相框素材，最終才能將圖像與相框合成并生成整體的浮雕效果。相框素材的選擇應注意的事項如下：首先內(nèi)框尺寸應與圖像的長寬尺寸匹配；其次圖框內(nèi)外框之間的距離不能太大，否則圖框?qū)既フ麄€圖案太多的面積，不利于人物的表達；最后圖框的圖案不能過于錯綜復雜，否則雕刻出的浮雕會有喧賓奪主的效果。

2.3 相框與圖像的合成處理

當相框設計好后，一般可以把相框內(nèi)框的背景色設置為黑色，然后使用PHOTO SHOP軟件的“鋼筆”功能即可把人物通過摳圖與相框合成，或者將已編輯好的人物圖像直接與相框合成，其設計好后的效果如圖3所示。

圖3 個性化立體相框的合成效果

3 個性化立體相框的自動編程方法

個性化立體相框的自動編程實際上就是基于灰度圖像生成立體浮雕的數(shù)控編程，此處使用作者設計的浮雕雕刻自動編程軟件進行編程處理。軟件的核心算法就是通過讀取灰度圖像各像素點的灰度值，并參考編程者給出的最大加工深度值，將各像素點處理為連續(xù)的、高度呈線性變化的刀具軌跡。軟件提供了數(shù)控加工所需的加工參數(shù)選項，同時可對圖像進行“平滑處理”，可避免因相鄰像素之間的灰度值相差過大(即圖像部分區(qū)域顏色變化劇烈時)而出現(xiàn)刀具軌跡的劇烈跳動，否則加工出的浮雕表面將會過于粗糙[3]。軟件的后置處理支持FANUC數(shù)控系統(tǒng)，所生成的數(shù)控加工程序在FANUC 0i—MATE—MC數(shù)控系統(tǒng)上經(jīng)過測試，運行正常，軟件的運行界面如圖4所示。

圖4 浮雕雕刻自動編程軟件運行界面

下面以圖3中的圖像為例說明其浮雕雕刻自動編程方法。

1) 選擇軟件的“打開文件”按鈕加載圖像文件，如原文件不是灰度圖像則將被自動轉(zhuǎn)換為灰度圖像；

2) 選擇“平滑處理”按鈕，軟件將完成圖像的平滑處理以使得刀具軌跡能夠平滑過渡；

3) 根據(jù)加工要求選擇合適的加工參數(shù)并確定xy向原點位置；

4) 如需生成粗加工程序則選擇“快速切削加工”復選選項(否則生成精加工程序)并選擇“生成程序”按鈕，軟件將完成數(shù)控加工程序的生成；

5) 如需將處理后的圖像生成為可供其他自動編程軟件讀取的“點云”數(shù)據(jù)文件則選擇“生成ASCII”按鈕，軟件將完成“點云”數(shù)據(jù)文件的生成。

4 浮雕數(shù)控加工的仿真測試

當灰度圖像被處理為數(shù)控加工程序后可利用仿真軟件對加工效果進行測試，此處選擇了Northwood Designs公司的專業(yè)數(shù)控加工仿真軟件“The MetaCut Utilities”進行測試。生成數(shù)控加工程序時該自動編程軟件采用的加工參數(shù)分別是：加工速度為1000mm/min，最大深度為-2mm，冷卻液為OFF，主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，比例系數(shù)為1.9，xy向原點位置為毛坯上表面中心，測試中仿真軟件選擇的毛坯尺寸為150×108×10，刀具選擇直徑1.5mm的球頭銑刀，其最終的加工效果如圖5所示，總的加工時間經(jīng)模擬計算約為34min。

圖5 浮雕仿真加工后的效果

5 浮雕數(shù)控加工的操作流程

經(jīng)仿真軟件測試數(shù)控加工程序無誤后，即可對其在數(shù)控機床上進行加工，此處使用南通機床廠制造的V600數(shù)控銑床進行加工，機床配備了FANUC 0i—MATE—MC數(shù)控系統(tǒng)。加工前應準備好制作個性化立體相框的毛坯，其材質(zhì)為質(zhì)地較硬的紅衫木或橡木，以確保加工出的表面光滑且切屑不纏繞刀具，同時還應準備好直徑1.5mm的高速鋼球頭銑刀。由于加工用程序其容量超過機床數(shù)控系統(tǒng)的程序存儲空間，因此加工時需先將程序下載至CF卡并通過數(shù)控系統(tǒng)的DNC加工模式進行加工，其數(shù)控加工的操作流程如下：

1) 機床開機，回參考點；

2) 安裝刀具，使用機用虎鉗將毛坯裝夾；

3) 根據(jù)編程時所設計的編程原點進行對刀，并對設置的原點進行校驗；

4) 將CF卡安裝至數(shù)控系統(tǒng)的對應插槽，選擇工作方式為“DNC”，通過數(shù)控面板操作選擇CF卡中需運行的程序，確認無誤后按下“程序啟動”按鈕，數(shù)控機床即開始加工。

6 結語

介紹了基于圖像的浮雕雕刻原理，討論了個性化立體相框的主要設計思路、自動編程方法和數(shù)控加工的仿真測試方法，提供了其數(shù)控加工的操作流程。由于個性化立體相框具有相框的外觀和浮雕的藝術特色，如將其投入市場應該具有一定的商業(yè)潛力。

[1] 楊珍.利用Photoshop制作數(shù)控浮雕的若干問題[J].上海工程技術大學學報，2009(3)：60～62.

[2] 張哲峰，張蔚.中文版Photoshop CS3圖像處理實用教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] 諶鵬.基于圖像的浮雕雕刻自動編程軟件的開發(fā)[J].信息化研究，2011(2)：75～78.