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具有清晰輪廓的復(fù)雜二維圖像矢量化處理及數(shù)控加工
摘要：伴隨著全球數(shù)字化的不斷發(fā)展，目前網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)消消地潛入到了我們生活之中，涉及的領(lǐng)域之廣已經(jīng)超出了我們的想像，其中工程項(xiàng)目尤為突顯。我國(guó)工業(yè)方面一直被認(rèn)定為是全球的“領(lǐng)軍”大國(guó)，但是目前制造業(yè)水平還是遠(yuǎn)不及發(fā)展國(guó)家。好多的工廠還是使用傳統(tǒng)機(jī)床，雖然目前已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)化形式，從手工不斷向數(shù)控發(fā)展，但是針對(duì)現(xiàn)有的數(shù)控加工設(shè)備還是不能完美的處理工藝不同階段的各個(gè)流程，對(duì)于清晰輪廓的復(fù)雜二維圖像操作還需要進(jìn)一步的研究。
為了使得復(fù)雜輪廓圖像更加頻繁的進(jìn)入我們的工廠，本課題的研究通過(guò)多個(gè)軟件，從而進(jìn)行了探討。首先利用平日的攝影技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行采集。接下來(lái)進(jìn)行圖片預(yù)處理，包括對(duì)工件軌跡圖像進(jìn)行濾波、銳化、灰度處理、邊緣檢測(cè)等，將圖片矢量化，該環(huán)節(jié)主要采用Adobe Photoshop CS6和Adobe Streamline軟件。然后經(jīng)過(guò) Auto Cad 軟件進(jìn)行擬合，將形成的矢量圖進(jìn)行修改完善。最后利用 CAD/CAM軟件（UG8.0）將CAD格式的輪廓轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的文件，利用CAM加工模塊自動(dòng)生成數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)后輸入到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。
通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)與數(shù)控加工相結(jié)合的方法從根源上彌補(bǔ)了目前CAD/CAM 軟件不可以直接打開(kāi)位圖圖像進(jìn)行數(shù)控加工程序生成的不足，同時(shí)增加了數(shù)控機(jī)床對(duì)復(fù)雜軌跡進(jìn)行加工的效率，很好的解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：邊緣檢測(cè)；矢量化；格式轉(zhuǎn)換；數(shù)控編程
I
Have a clear outline of complex two-dimensional image vector quantization Richard and nc machining
Abstract：With the development of global computer networks, current computer can not do without us, and gradually infiltrated into every field in our computer-aided software engineering project has been fully widely used. Our industrial sector though has been the major powers of the world, but still less than the current level of development of the national manufacturing sector. Many factories still use traditional tools, although now gradually infiltrated into the NC operations, but for various processes existing CNC machining equipment is not a perfect treatment process for the clear outline of a complex two-dimensional image operation needs further study.
In order to make more frequent complex contour image into our factory, research of this subject by multiple software, which was discussed. Firstly weekdays photography image acquisition. Then perform image preprocessing, including the trajectory of the workpiece image filtering, sharpening, gradation processing, edge detection, the image vectorization, which links the main use Adobe Photoshop CS6 and Adobe Streamline software. Then through Auto Cad software fitting vector will be formed to revise and improve. Finally, the use of CAD / CAM software (UG8.0) will outline CAD formats into a file that can be recognized, the use of CAM processing module automatically generates the NC program, after the test input to the CNC machine tools for processing.
Reference image processing and CNC machining combination makes up the current CAD / CAM software can not directly extract bitmap images disadvantage NC program generation, while improving CNC machine tool for complex machining trajectory efficiency, a good solution to the actual production problems .
Keyword：Edge Detection;Vectorization;Format Conversion; NC programming
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 Ⅲ
1 緒論 1
1.1 數(shù)字圖像處理的概括 1
1.1.1 數(shù)字圖像處理的發(fā)展以及現(xiàn)狀 2
1.1.2 數(shù)字圖像處理的特點(diǎn) 2
1.2 矢量圖的概括 3
1.3 數(shù)控加工處理技術(shù)的概括 4
1.4 本文研究的內(nèi)容 5
1.4.1 課題提出的意義 5
1.4.2 論文的內(nèi)容安排 5
2 圖像的采集與確定 7
3 圖像的預(yù)處理 9
3.1 圖像的增強(qiáng) 9
3.2 圖像的灰度處理 11
3.3 圖像的二值化處理 12
3.4 圖像邊緣檢測(cè) 13
3.5 矢量圖的呈現(xiàn) 14
4 數(shù)控加工程序的生成 15
4.1 CAM模塊的介紹 15
4.2 線切割加工生成刀具軌跡 15
4.3 二維輪廓等距算法 15
4.4 生成數(shù)控加工程序 16
4.5 驗(yàn)證與校核 18
5 總結(jié) 20
III
參考文獻(xiàn) 21
致謝 22
IV
1 緒論
1.1 數(shù)字圖像處理的概括
在我們的日常生活中，圖像應(yīng)該就是可以用肉眼看到的畫面，它包括：紙上面的、膠卷上的、電腦屏幕上的等等。它們根據(jù)記錄方式的不同可以分為模擬圖像和數(shù)字圖像這兩大類，其中前者是通過(guò)某些物理量，比如說(shuō)根據(jù)光、電的強(qiáng)弱的變化就可以來(lái)描述一張圖片；而后者則是使用計(jì)算機(jī)收藏的數(shù)據(jù)來(lái)記錄圖像上各像素點(diǎn)的信息。目前圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中常用的格式有：BMP、PNG、PSD、JPG、PSD等。想要將這些圖像應(yīng)用于各領(lǐng)域，比如機(jī)械、電子、航空航天、紡織、輕工以及建筑等各個(gè)領(lǐng)域，這就需要進(jìn)行圖像進(jìn)行基礎(chǔ)的處理。
析、加工和處理等。而數(shù)字圖像處理（digital image processing）就是利用電腦對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理的的一種技術(shù)[1]。通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理可以使圖像進(jìn)行基礎(chǔ)的修改，例如通過(guò)降噪，銳化等改善獲得的圖像質(zhì)量，或是從整個(gè)圖像中提取有效信息，并且還可以對(duì)圖像進(jìn)行體積壓縮，便于傳輸和保存。通過(guò)數(shù)字處理后的圖像目前主要可以分為
圖1.1常見(jiàn)位圖（左）和矢量圖（右）
畫制作軟件3Dmax等這些都是目前比較出色的圖像處理軟件；另外AutoCAD、Pro/E、UG、MDT、CAXA電子圖版等等，這些后面的也是使用率極高的軟件，它們主要應(yīng)用的領(lǐng)域是工程領(lǐng)域，均可以繪制矢量圖形，用數(shù)字的形式描述了圖像中各個(gè)像素所含的信息，可以單獨(dú)地完整地對(duì)矢量圖形及部元進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)等處理轉(zhuǎn)換，得到所需要的處理。
1.1.1 數(shù)字圖像處理的發(fā)展以及現(xiàn)狀
紀(jì)六十年代。1964年美國(guó)噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)運(yùn)用數(shù)字技術(shù)對(duì)旅行者7號(hào)從月球獲取的大量照片進(jìn)行質(zhì)量的修改之后，成功得獲得了第一次案例。之后在1972年英國(guó)EMI公司的工程師 Hounsfield 推出了可以診斷頭顱的X射線，并將其形成的斷層圖像呈現(xiàn)于計(jì)算機(jī)的裝置，也就是我們目前我們都很熟悉的 CT(Computer Tomograph L)，這項(xiàng)研究的發(fā)明使數(shù)字圖像處理在醫(yī)學(xué)上展開(kāi)了新的篇章。之后隨著不斷發(fā)展的腳步，于1975年該公司又成功研制出了可以鮮明清晰地查看全身圖像的掃描CT裝置。終于所有辛勤努力都是會(huì)有收獲的，在1979 年該技術(shù)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，代表它對(duì)人類做出了跨時(shí)代的貢獻(xiàn)。從那以后人們建立了圖像理解（計(jì)算機(jī)視覺(jué)) 技術(shù)，也就是通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)建數(shù)字化的人類視覺(jué)系統(tǒng)。其中具有代表性的，Marr在二十世紀(jì)七十年代末發(fā)表的視覺(jué)計(jì)算理論，它為后期計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像技術(shù)的理論發(fā)展提供了主導(dǎo)思想；在二十世紀(jì)八十年代末期，人們成功的將數(shù)字圖像處理技術(shù)引用到了地理領(lǐng)域。二十世紀(jì)九十年代初，數(shù)字圖像處理技術(shù)更加向著多領(lǐng)域發(fā)展，比如在1986年，S.Mallat和Y.Meyer在前人大量工作的基礎(chǔ)上提出了小波變換的多分辨率分析(Multiresolution Analysis，MRA)，詳細(xì)地講述了在空間里小波的多分辨率特性，隨著空間尺度由大到小變化，可以由粗略到細(xì)致的觀察圖像不同的特征。在大空間里只能看到圖像的外圍輪廓，在小空間里就可以清晰的查看到各個(gè)部位的細(xì)節(jié)[2]。之后在小波變換的多分辨率分析的基礎(chǔ)上于1989年提出了馬拉特(Mallat)算法，有效地將小波分析應(yīng)用于圖像分解和重構(gòu)。從此圖像處理技術(shù)與數(shù)控加工更加緊密的結(jié)合，在各方面都得到了廣泛的應(yīng)用。
1.1.2 數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)
目前需要處理的圖像大多為二維和三維的。每張圖片中所含的信息量都很大, 因此想要用計(jì)算機(jī)對(duì)它進(jìn)行處理，這就需要計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度相對(duì)快且存儲(chǔ)容量足夠；其次數(shù)字圖像處理占用的頻帶較寬, 所以在很多的處理環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上所需很高的技術(shù)的支持, 且需要支出較高的經(jīng)費(fèi)；最后數(shù)字圖像中各個(gè)像素雖說(shuō)是獨(dú)立的，但其相關(guān)性大，所以圖像處理中信息壓縮是有很大的潛力的，需要不斷的深入研究。
數(shù)字圖像處理的優(yōu)點(diǎn)如下：
較好的；
應(yīng)用的需求；
計(jì)算機(jī)來(lái)處理，所以它使用的范圍比較寬闊；
其中的代碼即可調(diào)整使得新的圖像呈現(xiàn)。
1.2 矢量圖的概括
為基本單位對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)，想要將它進(jìn)行計(jì)算機(jī)圖像處理時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和內(nèi)存都有很高的要求，并且即使計(jì)算機(jī)性能較好，但是對(duì)于各種變換處理，如縮放、旋轉(zhuǎn)、修改等還是很困難的，這對(duì)圖像的分析、處理、傳輸以及存儲(chǔ)等帶來(lái)了巨大的不便。矢量圖也叫向量圖，是記錄點(diǎn)、線、面的位置和顏色信息描述的圖形，它是由圓、圓弧、直線、折線等許多的圖形元素組成的，想要對(duì)這種圖像進(jìn)行處理時(shí)只要對(duì)描述圖形的參數(shù)進(jìn)行修改就可以了，比如存儲(chǔ)線段只要將該線段端點(diǎn)的坐標(biāo)記錄就可以了，而對(duì)于圓弧則記錄其圓心坐標(biāo)、半徑、起點(diǎn)與終點(diǎn)。所以，矢量圖比光柵點(diǎn)陣圖像更方便的進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。
矢量圖形具體的有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，邊緣顯著，可以很清楚看到圖像的輪廓；第二，因?yàn)槭怯珊?jiǎn)單的線條構(gòu)成的，所以占的內(nèi)存較小，轉(zhuǎn)換的速度很快；第三，在某些需要使用光柵點(diǎn)陣圖的情況下，矢量圖形也可以很方便利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本方法較為快速的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
對(duì)項(xiàng)目都投入了大量的精力，目前也取得了一些成效，如得到了許多的計(jì)算方法和處理系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)了很多的商業(yè)化軟件，但是圖像矢量化處理不是一步就可以操作完成的，仍然需要許多連續(xù)的圖像處理環(huán)節(jié)，所以在各種不定的因素的影響下，會(huì)導(dǎo)致圖像在矢量化處理的研究過(guò)程中任何環(huán)節(jié)都存在著不同的難點(diǎn)：
a) 在大量的圖像研究的基礎(chǔ)上我們逐步推導(dǎo)出對(duì)圖像信息的矢量化處理，例如光柵點(diǎn)陣圖是由多個(gè)獨(dú)立的像素組成的，所以很難從整體進(jìn)行分析，因此對(duì)其進(jìn)行矢量化處理時(shí)很容易將原圖像結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致圖片所表達(dá)的部分內(nèi)容丟失。另外在圖像矢量化處理的過(guò)程中，很多圖像的基本信息也很容易受到外界環(huán)境的干擾，如噪音等會(huì)導(dǎo)致影響輸出的結(jié)果；
b) 圖片通過(guò)矢量處理為了在相對(duì)計(jì)算機(jī)中所占的存儲(chǔ)空間較少，這就導(dǎo)致原來(lái)的位圖其特征信息有可能不能全部轉(zhuǎn)換，從而影響后面最終生成的圖像的準(zhǔn)確性；
c) 除此之外在繪制和提取圖片等各個(gè)環(huán)節(jié)中，還都可能存在著人為造成的圖像的不準(zhǔn)確，如圖樣比較復(fù)雜，在繪制中線條畫錯(cuò)了或者是直接掃描時(shí)不到位。
1.3 數(shù)控加工處理技術(shù)的概括
數(shù)控機(jī)床是指通過(guò)編制數(shù)字程序使其機(jī)床自動(dòng)控制零件和刀具位移，形成我們所要求步驟的裝置，一般編程步驟如圖1.3。從而數(shù)控加工指的就是在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法。從總體上來(lái)說(shuō)數(shù)機(jī)床加工與傳統(tǒng)機(jī)床加工的工藝流程是一樣的，但是數(shù)控加工明顯整體的綜合評(píng)價(jià)要好的多。數(shù)控加工是可以自動(dòng)加工復(fù)雜的零件，不用人們守在旁邊，節(jié)約了很多的時(shí)間，且可以保證準(zhǔn)確性和速率的前提下滿足大批量生產(chǎn)，這是一種現(xiàn)代化的加工手段。目前數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為判定一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的標(biāo)志。
制 定 工 藝
運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 計(jì) 算
編 寫 程 序 單
制 備 控 制 介 質(zhì)
程 序 校 核 試 切
圖1.3數(shù)控編程的一般過(guò)程
國(guó)外對(duì)于數(shù)控加工技術(shù)的研究比較先進(jìn)，最早于20世紀(jì)50年代末，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)隨著第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生，在MIT旋風(fēng)I型電子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了有關(guān)于APT(Automatically Programming Tool)的自動(dòng)編程。在取得一定成功后，美國(guó)對(duì)其研究進(jìn)行了深入的探索，組織一些工廠幫助進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了APT語(yǔ)言。
隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造一體化的發(fā)展，目前APT系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被研究出來(lái)的CAD/CAM系統(tǒng)所取代。美國(guó)洛克希德（Lockheed Corporation）加里福尼亞飛機(jī)公司于1972年成功的第一次研制出首個(gè)關(guān)于CAD/CAM的軟件系統(tǒng)。1975年，法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司引進(jìn)了該系統(tǒng)，并在其基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)了將三維設(shè)計(jì)與數(shù)控編程合并為一體的圖形數(shù)控編程系統(tǒng)CATIA。1983年，美國(guó)麥克唐納-道格拉（McDonnell-Douglas?Corporation）公司研制出強(qiáng)大的UG系統(tǒng)，它是一套CAD/CAM集成化的系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最廣泛的軟件之一。之后相繼出現(xiàn)了各種不同的集成數(shù)控編程軟件，如:Master CAM, Pro/Engineer, Cimatron等。
應(yīng)對(duì)數(shù)控化的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)研究也做出了大量的工作。最早是華東工學(xué)院的EAPT等系統(tǒng)，之后航空公司于70年代自行研制了SKC-1系統(tǒng)，可以自動(dòng)的完成一系列數(shù)控編程。八十年代，我國(guó)與德國(guó)MBB公司在APTIV/SS的基礎(chǔ)上又在合作開(kāi)發(fā)了APTX系統(tǒng)，通過(guò)不斷地推廣該項(xiàng)目于各個(gè)工廠取得了非常不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。看到前景之后，我國(guó)許多高校和企業(yè)聯(lián)手在90年代研制了一系列具有實(shí)用性的CAD/CAM系統(tǒng)，其中具有代表性的有華中科技大學(xué)與開(kāi)目集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)目CAD系統(tǒng)。但是因?yàn)槲覈?guó)起步較晚且資金不足、技術(shù)有限等主客觀因素的影響，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是有一定的差距的，需要我們更加的努力研究，從而更好地提高我國(guó)整體的工業(yè)化的實(shí)力。
1.4 本文研究的內(nèi)容
1.4.1 課題提出的意義
通過(guò)對(duì)“清晰輪廓的復(fù)雜二維圖像矢量化”課題的研究將使我們更加了解到數(shù)字圖像處理的發(fā)展歷史且可以學(xué)會(huì)一些有關(guān)數(shù)字圖像處理的方法，對(duì)我們將來(lái)工作、生活都有一定的意義。另外“數(shù)控加工”的研究伴隨著全球工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)我國(guó)尤其是廣大的中小企業(yè)有著重大的意義。兩者相結(jié)合的開(kāi)發(fā)打開(kāi)了制造業(yè)新的篇章。
本課題要求對(duì)有明顯輪廓的數(shù)字圖片能夠利用現(xiàn)有軟件（或自己編制的軟件）提取出特征輪廓，并轉(zhuǎn)換成CAM軟件可以識(shí)別的向量模型，并利用CAM軟件編制出用于數(shù)控線切割機(jī)床使用的數(shù)控程序。我的設(shè)計(jì)方案運(yùn)用了多個(gè)軟件將圖像處理與數(shù)控加工相結(jié)合，彌補(bǔ)了當(dāng)前CAD/CAM 軟件不能直接獲取位圖圖像進(jìn)行數(shù)控加工程序生成的不足，同時(shí)提高數(shù)控機(jī)床對(duì)復(fù)雜軌跡進(jìn)行加工的效率，很好的解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題。
1.4.2 論文的內(nèi)容安排
第1章 為緒論，簡(jiǎn)單的介紹了矢量圖、數(shù)字圖像處理和數(shù)控加工的歷史研究發(fā)展進(jìn)度以及其各項(xiàng)的特征，使初步的了解了目前發(fā)展的現(xiàn)狀，明確本課題研究的意義。
第2章 介紹了圖像如何采集，從而選定本課題研究的對(duì)象，方便接下來(lái)的深入研究。
第3章 主要描述了圖像的預(yù)處理，里面主要包括了圖像銳化、圖像的灰度處理、圖像的二值化處理以及圖像的邊緣檢測(cè)，最后完整的呈現(xiàn)了矢量圖，使其用于接下來(lái)的數(shù)控加工。
第4章 將圖像導(dǎo)入U(xiǎn)G系統(tǒng)，使其自動(dòng)生成加工程序進(jìn)行試驗(yàn)校核。
第5章 總結(jié)與感謝，對(duì)此次課題進(jìn)行匯總并特別感謝參與這次指導(dǎo)的老師。
本文研究的主要內(nèi)容如下圖1.4
灰度處理
圖像增強(qiáng)
矢量圖
生成數(shù)控程序
位圖
圖像的數(shù)字預(yù)處理
圖像的提取與標(biāo)定
二值化處理
邊
緣檢測(cè)
圖1.4課題研究的主要內(nèi)容
2 圖像的采集與確定
圖像采集指的是將所要獲取的實(shí)物通過(guò)計(jì)算機(jī)掃描或拍照等方式，將目標(biāo)信息由三維立體轉(zhuǎn)換成二維平面數(shù)字圖像，并將其存儲(chǔ)起來(lái)用于后續(xù)圖像處理。要想將把我們?nèi)庋劭吹降臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，完整的呈現(xiàn)一副數(shù)字圖像，目前包含兩種處理方式，一種是取樣，將圖像空間的各個(gè)坐標(biāo)（x,y)數(shù)字化；另外一種是量化，將圖像的函數(shù)值f（x,y)數(shù)字化。在我們圖像取樣的過(guò)程中，每一個(gè)采樣點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)像素，因此需要確定每幅圖垂直和水平方向上的像素的個(gè)數(shù)M和N,如圖2.0為采樣的間隔。圖像量化是指將每一個(gè)像素的圖像數(shù)值f(x,y)用一個(gè)離散的數(shù)字（灰度值）來(lái)表示，大部分的數(shù)字圖像處理設(shè)備都采用K個(gè)等間隔的量化方式，對(duì)于灰度而言，每個(gè)像素由0到255之間的數(shù)值來(lái)組成，0代表著黑，255代表著白，中間的數(shù)值代表著灰度。我們?nèi)粘＝?jīng)常見(jiàn)到的圖片一般都是彩色的，它們是由則是由紅（R)、綠(G)、藍(lán)（B)三元組二維矩陣來(lái)表示，且也是由0到255來(lái)組成，但是可以組成256*256*256種顏色。
圖2.0 采樣的間隔
在圖像采集過(guò)程因?yàn)槟繕?biāo)的有效度處理程度、圖像采集的方式、采集設(shè)備分辨率的限制以及采集時(shí)外部的光線環(huán)境等都會(huì)影響最終獲得圖片的精度。因?yàn)樯婕芭臄z的器材有限，為了使得研究簡(jiǎn)便，本文直接選定了一個(gè)圖像，如圖2.1所示，進(jìn)行了接下來(lái)的研究。
圖2.1 研究的圖像
3 圖像的預(yù)處理
因?yàn)橹苯硬杉膱D像不能用來(lái)提取輪廓曲線，并且圖像的處理的好壞直接會(huì)影響到后面數(shù)控加工的精度，所以我們必須得經(jīng)過(guò)一系列的處理才能最終實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)曲線軌跡提取。其主要對(duì)采集圖像進(jìn)程預(yù)處理，主要包含圖紙的平滑銳度處理、灰度處理、二值化處理、邊緣檢測(cè)、最后導(dǎo)入形成矢量圖等，其流程如圖3.0，該過(guò)程將采用Adobe Photoshop CS6和Adobe Streamline軟件。
圖像灰度處理
圖像平滑處理
圖像獲取
圖像二值化處理
圖像銳化處理
圖像邊緣檢測(cè)
圖3.0 圖像預(yù)處理的研究過(guò)程
3.1 圖像的增強(qiáng)
當(dāng)我們選取圖像后，為了使其用于各類場(chǎng)合就需要對(duì)它進(jìn)行處理，比如說(shuō)復(fù)制、轉(zhuǎn)換等，但過(guò)程中都會(huì)因?yàn)椴煌囊蛩囟鴮?dǎo)致圖像質(zhì)量或多或少的下降。如復(fù)制掃描圖紙時(shí)，由于許多污點(diǎn)、孔洞、毛刺和斷線等噪聲污染會(huì)造成圖像質(zhì)量的下降；在壓縮圖片、轉(zhuǎn)換格式時(shí)同樣也會(huì)遇到減損圖像顏色的情況。所以為了保證圖像的再現(xiàn)度高，這就需要我們不但要求從根源上防止這些外部的環(huán)境因素的影響，更要抓住重點(diǎn)，使我們將獲得的圖像進(jìn)行篩選，將它著重增強(qiáng)處理，保留有用的部分進(jìn)行利用。目前空間域和頻率域處理為圖像增強(qiáng)處理的兩大方法。前者是通過(guò)操作修改像素的灰度級(jí)進(jìn)行運(yùn)算，后者是通過(guò)修改圖像傅立葉變換基礎(chǔ)之上處理。本研究中我們的圖像增強(qiáng)主要采用圖像平滑（去噪）、銳化等手段進(jìn)行處理。
聲和假輪廓等，即將高頻分量和低頻分量調(diào)和到適中的狀態(tài)，使其適應(yīng)于計(jì)算機(jī)處理，提取圖片中有用的信息。常用的消除噪聲的方法有三種：領(lǐng)域平均、中值濾波和高斯平滑。該研究過(guò)程中我們將采用中值濾波的方式，也就是將圖像中的每一點(diǎn)像素用其的中值來(lái)代替[3]。如一組數(shù)字包含為一直到。假如，則中值Y的計(jì)算方法如下式3-1
（3-1）
例如一組數(shù)字為（7，8，9，10，11）則中值為9。中值濾波的窗口（把一個(gè)點(diǎn)的特定長(zhǎng)度或形狀的鄰域）的設(shè)定對(duì)濾波的影響也很大，所以選定一個(gè)適當(dāng)?shù)拇翱诤苤匾?。在研究中采用?*3的方形窗口。
在排除圖像中的噪聲之后，我們將對(duì)其圖像進(jìn)行銳化處理，即加強(qiáng)圖片的對(duì)比度性，使其邊緣輪廓明細(xì)，形成完整的物體形象，便于后期圖像分割、區(qū)域形狀提取等。這邊我們將采用拉普拉斯微分的銳化方法。通過(guò)二階微分求導(dǎo)，推導(dǎo)出一般模板算子和擴(kuò)展模板算子如圖3.1.0，再利用二階微分的正峰值和負(fù)峰值之間的過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定。
圖3.1.0 銳化操作的模板算子（左）和擴(kuò)展模板算子（右）
通過(guò)圖像增強(qiáng)即平滑，銳化后和原圖的對(duì)比圖如圖3.1.1。
圖3.1.1 所選原圖（左）和銳化后的圖像（右）
3.2 圖像的灰度處理
了方便后期的輪廓提取，在圖像輪廓銳化后將圖像灰度處理?；叶忍幚砗?jiǎn)單的就是說(shuō)將一個(gè)彩色圖像轉(zhuǎn)換為只包含黑白兩色的圖像。所得的灰度圖像只含有亮度信息，不含有色彩信息的圖像，雖然看起來(lái)只有黑白兩色，但是各個(gè)像素之間黑色的程度是不一樣的，這就是灰度。一副圖中每個(gè)像素由0到255之間的數(shù)值來(lái)組成，數(shù)字0代表著黑，數(shù)字255代表著白，中間的數(shù)值就是代表著灰度。一般咱們處理過(guò)的圖像為256級(jí)灰度圖，也就是說(shuō)該種圖像是由256種不同灰度級(jí)的顏色組成的。對(duì)于一副圖像灰度處理一般有3種方法：加權(quán)平均法、平均值法、最大值法。最簡(jiǎn)單的如平均值法即將彩色圖片中紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三個(gè)分量的亮度求其平均值，將得到的均值作為灰度值輸出而得到灰度圖像[4]。其常用的公式如下式：
（3-2）
目前但凡可以打開(kāi)圖片的軟件均可以完成這項(xiàng)處理，但是為了方便后期我們使用Adobe Streamline軟件，對(duì)圖片格式有要求，因此我們將采用Adobe Photoshop CS6對(duì)圖像進(jìn)行了灰度處理，效果圖如圖3.2。
圖3.2 增強(qiáng)處理后的圖像（左）和灰度處理后的圖像（右）
3.3 圖像的二值化處理
在我們采集圖像的過(guò)程中，無(wú)可避免的就是將周圍的信息一并提取，但是我們實(shí)際研究過(guò)程中著重只是需要物體本身，這就要求我們要把目標(biāo)和背景分割出來(lái)，提取目標(biāo)的邊界輪廓線。圖像分割最簡(jiǎn)單的方法就是將灰度圖像進(jìn)行二值化處理。它的中心思想就是區(qū)別圖像所要研究的目標(biāo)和后面背景在灰度上的差異，設(shè)立一個(gè)合適的閾值（Threshod），通過(guò)比較圖像中各點(diǎn)的灰度值與閾值的大小，來(lái)判定該點(diǎn)到底是目標(biāo)還是背景，從而達(dá)到圖像分割的效果，而得到二值圖像，它是對(duì)圖像進(jìn)行視覺(jué)分析和模式識(shí)別的基本前提。常見(jiàn)的圖像二值化處理有很多種，在本研究中我們主要選擇其中的固定閾值法。
設(shè)f(x,y)為灰度處理后圖像在點(diǎn)(x,y)處的的灰度值，當(dāng)像素大于等于T時(shí)設(shè)置為目標(biāo)，定為0，小于T時(shí)定為255即背景，其函數(shù)表達(dá)式如公式3-3：
(3-3)
上式中T就是圖像二值化時(shí)我們所選擇的閾值(即灰度值)。二值化的閾值選取主要可以分為三大類：全局閾值、局部閾值、動(dòng)態(tài)閾值[5]。其中動(dòng)態(tài)閾值利用自身與周邊鄰域灰度變化不同，使目標(biāo)的邊界在圖像整體背景中更好的突顯，是這些閾值中分割效果最好的，大多的圖像處理軟件的編程都選擇采用動(dòng)態(tài)閾值。閾值的選擇在我們的二值化處理中占有十分重要的地位，選擇的過(guò)低或者是過(guò)高都會(huì)造成圖像混亂，前者會(huì)缺失了很多的目標(biāo)信息，而后者將遺留了許多背景的信息，將無(wú)法完成我們分割的初衷。因此必須根據(jù)圖像灰度像素點(diǎn)的的實(shí)際分布情況，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)進(jìn)行選擇合適的閾值。我們通過(guò)Adobe Streamline軟件自動(dòng)將PS生成的灰度圖像導(dǎo)入，自動(dòng)生成了效果圖如下圖3.3。
圖3.3 灰度處理后的圖像（左）和二值化后的圖像（右）
3.4 圖像邊緣檢測(cè)
邊緣檢測(cè)根據(jù)字面意思就可以知道是將目標(biāo)物體的邊緣輪廓軌跡進(jìn)行提取。根據(jù)前面我們已經(jīng)得到了原圖的二值圖像，掏空其中內(nèi)部的點(diǎn)，得到的一個(gè)外圍的輪廓即我們需要的邊緣。具體的方法：在一副圖像中像素的各個(gè)點(diǎn)以正方形的格式排布，選擇一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)，將其旋轉(zhuǎn)45度，且與它相鄰的8個(gè)點(diǎn)都是像素點(diǎn)，判定是否為邊界點(diǎn)，否將其中內(nèi)部的信息全部刪除，最后在圖框中的像素連接的整體即我們所需要保留的邊緣。通過(guò)Adobe Streamline軟件將可以自動(dòng)提取圖像的邊緣輪廓，效果圖如圖3.4。
圖3.4 邊緣處理后的圖像輪廓
3.5 矢量圖的呈現(xiàn)
通過(guò)上面的幾步目前我們已經(jīng)將圖像的邊緣輪廓提取，課題中因?yàn)槭菙?shù)控加工，處理的圖像若為位圖的話是無(wú)法進(jìn)行接下來(lái)的處理的，而經(jīng)過(guò)我們以上的軟件（Adobe Streamline）提取的圖像可以保存為DXF格式，將直接導(dǎo)入Auto CAD，從而對(duì)導(dǎo)入的圖像輪廓進(jìn)一步的細(xì)化完善，使其成為一條完整的曲線如圖3.5，方便后期數(shù)控加工的處理。
圖3.5 CAD軟件中的圖像輪廓呈現(xiàn)
4 數(shù)控加工程序的生成
語(yǔ)言的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的交互式CAD/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造）系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的建構(gòu)。
4.1 CAM模塊的介紹
CAM 模塊主要是UG的計(jì)算機(jī)制造模塊，該模塊主要提供了對(duì)數(shù)控加工的建立與編輯。包含了銑加工、車削加工、線切割以及鈑金等多種加工方式，且還有后置處理和機(jī)床數(shù)控文件的支持，同時(shí)又提供了切削仿真等加工[6]，如圖4.1。
圖4.1 UG加工模塊部分功能截圖
4.2 線切割加工生成刀具軌跡
根據(jù)我們所選圖像處理可以清晰的看出所處理的圖像為非標(biāo)準(zhǔn)的曲線輪廓，其加工的軌跡在CAM模塊中既可以選擇平面輪廓銑的方式也可以運(yùn)用線切割生成。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們可以看出在現(xiàn)實(shí)生活中我們的銑削時(shí)由于選擇圖像中有部分特別尖的地方是拿鉆頭加工不出來(lái)的，必須用鉗工的銼磨加工。所以為了避免這個(gè)問(wèn)題本次研究我們將采用線切割的方式來(lái)完成輪廓軌跡的生成。將我們之前處理好的圖像導(dǎo)入U(xiǎn)G系統(tǒng)，選擇加工模塊。
通過(guò)我們的CAD軟件的擬合目前該圖像形成的就是一條連續(xù)的的曲線，然而線切割加工軌跡技術(shù)正好加工的也是輪廓，因此在選擇時(shí)設(shè)定該圖像的起點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)，按照一定的順序?qū)⑵溥B接，也就是按照?qǐng)D像的輪廓依次往下走繞回去，之后將其排好的順序?qū)胲壽E鏈表，在線切割編程模塊備用。
4.3 二維輪廓等距算法
前面生成的輪廓進(jìn)行基本的排序處理后，生成的是沒(méi)有偏移量的原始軌跡。要想將軌跡應(yīng)用于正式的線切割加工過(guò)程中，這就需要在原始軌跡的基礎(chǔ)上進(jìn)行偏移量的計(jì)算。
a) 刀具半徑補(bǔ)償
b) 方向矢量
方向矢量是指與加工中線切割運(yùn)動(dòng)方向相同的單位矢量，用v表示，目前分為兩種，即直線與圓弧。
對(duì)于直線，設(shè)直線的起始點(diǎn)為（X1，Y1），終點(diǎn)為（X2，Y2），則方向矢量如式為4-1，4-2。
（4-2）
（4-1）
對(duì)于圓弧來(lái)說(shuō)又將分為順弧和逆弧，順弧的計(jì)算方法為式4-3，逆弧的計(jì)算方法為式4-4。
（4-3）
（4-4）
c) 轉(zhuǎn)接矢量
最后算出編好的軌跡交點(diǎn)同刀具中心軌跡交點(diǎn)之前的位移距離
根據(jù)以上計(jì)算后就可以得出整個(gè)圖形輪廓的刀補(bǔ)后軌跡。具體的線切割編程程序如圖4.1所示。
4.4 生成數(shù)控加工程序
G92 X0 Y0
G91
G46
G42 D100
G01 X10000
G01 X10268 Y-5134
G03 X1353 Y-626 I939 J254
G01 X13573 Y-14247
G03 X13134 Y-4644 I11142 J10615
G01 X16950 Y-5984
G01 X9540 Y-8695
G01 X1663 Y-433
G01 X-10665 Y9720
G01 X-15926 Y5679
G03 X2461 Y808 I3554 J14973
G00 X13868 Y-4896
G01 X1663 Y-433
G01 X-10665 Y9720
G01 X-13397 Y4777
G03 X2615 Y 1697 I-7025 J13692
G01 X8150 Y485
G01 X-3540 Y745
G01 X4005 Y372
G01 X-1860 Y358
G01 X2875 Y747
G01 X-2968 Y-163
G01 X4841 Y1664
G01 X-5075 Y-940
G01 X2150 Y1028
G01 X3772 Y4428
G01 X-3806 Y-2668
G02 X-8490 Y1736 I-2704 J8753
G01 X3267 Y1206
G01 X-2595 Y676
……%
直線加工
G01 X-23004 Y-11198
G03 X-550 Y-1054 I438 J-899
G02 X-6084 Y-6459 I-5547 J-870
G01 X1848 Y5617
...... %
直線加工
G01 X0 Y-13657
G03 X258 Y-670 I1000 J0
G02 X1976 Y-14344 I-9551 J-8624
G02 X-1513 Y-342 I-896 J444
G01 X-10651 Y8005
G03 X-1657 Y853 I-957 J176
G01 X-10436 Y4372
G01 X-71 Y169
G01 -10000
M02
4.5 驗(yàn)證與校核
通過(guò)圖像處理以及UG系統(tǒng)的模擬仿真我們成功的生成了數(shù)控加工代碼，但是畢竟該程序需要應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，這就需要我們對(duì)此代碼進(jìn)行驗(yàn)證。將該程序輸入到現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)控機(jī)床上，把工件的位置確定看是否可以生成我們之前預(yù)定的圖像輪廓軌跡，若可以加工生成，代表著我們?cè)擁?xiàng)研究圓滿成功的完成。
數(shù)據(jù)庫(kù)
提取零件
程序編號(hào)
選擇加工方式
加工過(guò)程定義
拾取數(shù)控幾何
定義、選擇刀具
設(shè)置加工參數(shù)
選擇走刀路線
加工模擬
后處理
機(jī)床代碼
圖4.1 線切割編程程序流程圖
5 總結(jié)
本文主要研究了圖像數(shù)字處理技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)相結(jié)合。彌補(bǔ)了目前CAD/CAM 軟件不能直接提取位圖圖像進(jìn)行數(shù)控加工程序生成的缺點(diǎn)，同時(shí)提高數(shù)控機(jī)床對(duì)復(fù)雜軌跡進(jìn)行加工的效率，很好的解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我對(duì)圖像的處理以及數(shù)控加工有了更加深此次的理解。以下為本文主要的工作內(nèi)容和方法：
a) 圖像的采集與確定，因?yàn)椴杉难b置不足以及外界環(huán)境的影響，我主要選用了一個(gè)現(xiàn)成的圖像進(jìn)行處理；
b) 通過(guò)使用Adobe Photoshop CS6和Adobe Streamline軟件對(duì)圖像進(jìn)行了預(yù)處理，包含圖像平滑銳化、灰度處理、二值化處理以及邊界輪廓的提取，從而形成矢量化圖像導(dǎo)入Auto CAD軟件細(xì)化擬合；
c) 將處理好的圖像轉(zhuǎn)入U(xiǎn)G軟件進(jìn)行仿真處理，生成數(shù)控加工程序。
本次實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸皇茄芯侩A段，因?yàn)樵O(shè)備有限，采集的圖像和后期應(yīng)用無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只是利用了現(xiàn)成的圖像和電腦仿真，在后續(xù)的研究過(guò)程中將會(huì)不斷的完善。且利用了好幾個(gè)軟件合成，還是需要來(lái)回的轉(zhuǎn)換，無(wú)法設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一軟件操作生成，這個(gè)還需繼續(xù)努力。目前全球已經(jīng)是數(shù)字化的趨勢(shì)，我相信在我們年輕人的的不斷加油下視覺(jué)信息處理系統(tǒng)將廣泛的應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域，我國(guó)的工業(yè)數(shù)字化一定會(huì)名列各國(guó)前茅。
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致 謝
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