论文部分内容阅读
摘 要:基于图像处理的雕刻系统以其特有优势逐渐被市场接受,并成为雕刻系统的发展方向之一。为满足人们对雕刻加工的还原真实性和艺术性需求,必须提高图像处理的质量。本文提出利用小波变换等图像处理技术得到较高质量的二维图像数据后,通过直接图像影像加工法得到三维矢量化模型再根据输入的工艺参数可生成数控加工代码,并通过加工仿真验证NC代码,探讨其对提高源图像三维还原逼真度的作用。
关键词:小波变换 图像处理 数控雕刻
中图分类号:TN919.8 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(b)-0039-01
1 引言
雕刻技术最初产生于艺术品的加工,蕴涵着丰富的文化内涵和精致工艺,被逐渐应用到工业行业。目前,常用的雕刻技术有手工雕刻、机械仿形雕刻、激光雕刻等,各种雕刻加工技术都各有自身的优缺点,分别应用于各种不同的材料和场合。
用Pro/E、UG、MasterCAM等软件可以雕刻简单的图案和尺寸较大的零件,通过曲面和实体造型功能、进行铣削车削自动加工编程、生成数控代码,传输至加工中心,实现雕刻零件的目的。如需雕刻不规则的浮雕曲面、文字、图案、纹理等零件时,由于雕刻对象复杂性,无法采用上述集成化软件和加工中心实现雕刻。
基于图像处理的数控雕刻加工技术高度融合了计算机图形学、数字图像处理技术与数控加工技术,是近十几年发展起来的一种新的雕刻技术,用于对各种材料表面进行文字、图案雕刻的现代化特种加工方法。图像处理技术的发展进一步拓宽了数控雕刻的工艺范围,节省了设计制造的时间周期,并在一定程度上提高了产品的加工精度与加工速度。
本文先利用小波变换等图像融合技术需要进行必要的前期处理,以便在减少噪声影响的同时,提高图像的对比度,突出图像的细节,改善图像的视觉效果,修复和重建质量下降的图像。再结合直接图像影像加工算法得到图像的三维矢量化模型,再根据输入的工艺参数即可生成数控加工代码,并通过加工仿真验证NC代码。
2 小波去噪特点和基本步骤
由于图像采集系统获取的图像由于噪声、光照、被拍摄物体的破损等多种因素的影响,信噪比通常不高,为了后续的加工,有必要对图像进行去噪。图像去噪有很多种方法,效果较好的方法为小波去噪。
小波变换存在以下优点:
(1)去相关性:可取出信号的相关性,且噪声在变换后有白化趋势,所以小波域比时域更利于去噪;
(2)低熵性:小波系数分布稀疏,使图像处理后的熵降低;
(3)基函数选择更灵活:小波变换选择基函数具有灵活性,因此可根据信号特点和去噪要求选择适合小波;
(4)多分辨率特性:可较好地刻画信号的非平稳特性,如突变、断点、边缘等;
图像在采集、传输和恢复等过程中,不可避免地会被噪声污染,噪声一般存在于图像的高频子图中,对小波分解后的高频子图的小波系数进行阈值量化,达到图像消噪的目的。阈值去噪方法简洁有效,具有比较理想的去噪效果。阈值去噪方法的思想就是对小波分解后的各层系数中模大于和小于某阈值的系数分别处理,然后对处理完的小波系数再进行反变换,重构出经过去噪后的信号。
小波去噪的基本步骤主要包括如下三步:
(1)用小波分解对信号处理;
(2)量化出小波分解高频系数的阈值;
(3)对信号进行小波重构。使用小波分解的低频系数以及阈值量化处理后的高频系数进行小波重构,小波去噪效果如(图1)。
3 基于图像的数控加工
3.1 获取三维几何加工信息
图像的基本类型有二值图像、灰度图像、索引图像和RGB彩色图像。无论哪种方式,最终得到的数字图像都是一个二维矩阵。采用直接图像影像加工算法可以将图像信息转化为三维几何信息。
直接图像影像加工算法原理:在二维图像坐标(x,y)中,灰度或者色彩的某个分量可间接地表示像素Z轴坐标。使用该原理,可将经过数字图像处理后得到的二维灰度图像经过矢量化,转变成三维几何加工信息,即图像每一点三维坐标为(x,y,z)。
3.2 生成数控加工代码
在加工代码生成过程中,Z轴坐标为Z轴加工深度,由图像的灰度决定。假设最大加工深度为Zmax,则各像素的加工深度＝最大加工深度Zmax×灰度值/255。
在实际加工中,采用行扫描法逐行得到加工代码。在x方向使得连续的点加工连接到一起,组成直线,然后在y方向进行循环。结果是加工代码都完全由直线组成,成倍的降低了代码量。根据实际需要选择刀具的直径为x方向的步长。若步长处于几个像素中间,采用就近原则,选用最近像素作为下一个加工点。
3.3 加工仿真验证
合理的工艺参数是保证数控加工质量的前提,输入数控加工所需的工艺参数,主要包括刀具参数、切削参数和毛坯参数。其中,刀具参数主要包括刀具的类型、直径、长度、角度半径等。将含噪图像经过小波变换等图像融合技术需要进行必要的前期处理和图像修复后, 如图1,结合直接图像影像加工算法得到图像的三维矢量化模型,再根据输入的工艺参数,自动生成数控加工代码,G代码仿真器模拟得到加工效果图,如(图2)所示。
4 结论
为适应工业企业对制造类专业技能型人才的需求,高等院校需要大量价格低廉、性能稳定的教学型实验设备。而现有数控雕刻机由于体积大、价格昂贵、专业性强、不便于功能扩展和应用软件的支撑等原因,不能实现高等院校的实验教学。并且此项研究的成果也可以用在制造类专业的实训教学中,帮助该类专业更好的实现人才培养目标,给学生创新创业提供新的平台。
参考文献
[1] 李存荣,郭顺生,杨明忠.图像快速雕刻自动编程软件的研究与开发[J].仪器仪表学报,2004,25(4):57-60.
[2] 阎开印,黄辉.基于数字图像的数控雕刻技术研究[J].计算机应用研究,2007,24(8):206-208.
关键词:小波变换 图像处理 数控雕刻
中图分类号:TN919.8 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(b)-0039-01
1 引言
雕刻技术最初产生于艺术品的加工,蕴涵着丰富的文化内涵和精致工艺,被逐渐应用到工业行业。目前,常用的雕刻技术有手工雕刻、机械仿形雕刻、激光雕刻等,各种雕刻加工技术都各有自身的优缺点,分别应用于各种不同的材料和场合。
用Pro/E、UG、MasterCAM等软件可以雕刻简单的图案和尺寸较大的零件,通过曲面和实体造型功能、进行铣削车削自动加工编程、生成数控代码,传输至加工中心,实现雕刻零件的目的。如需雕刻不规则的浮雕曲面、文字、图案、纹理等零件时,由于雕刻对象复杂性,无法采用上述集成化软件和加工中心实现雕刻。
基于图像处理的数控雕刻加工技术高度融合了计算机图形学、数字图像处理技术与数控加工技术,是近十几年发展起来的一种新的雕刻技术,用于对各种材料表面进行文字、图案雕刻的现代化特种加工方法。图像处理技术的发展进一步拓宽了数控雕刻的工艺范围,节省了设计制造的时间周期,并在一定程度上提高了产品的加工精度与加工速度。
本文先利用小波变换等图像融合技术需要进行必要的前期处理,以便在减少噪声影响的同时,提高图像的对比度,突出图像的细节,改善图像的视觉效果,修复和重建质量下降的图像。再结合直接图像影像加工算法得到图像的三维矢量化模型,再根据输入的工艺参数即可生成数控加工代码,并通过加工仿真验证NC代码。
2 小波去噪特点和基本步骤
由于图像采集系统获取的图像由于噪声、光照、被拍摄物体的破损等多种因素的影响,信噪比通常不高,为了后续的加工,有必要对图像进行去噪。图像去噪有很多种方法,效果较好的方法为小波去噪。
小波变换存在以下优点:
(1)去相关性:可取出信号的相关性,且噪声在变换后有白化趋势,所以小波域比时域更利于去噪;
(2)低熵性:小波系数分布稀疏,使图像处理后的熵降低;
(3)基函数选择更灵活:小波变换选择基函数具有灵活性,因此可根据信号特点和去噪要求选择适合小波;
(4)多分辨率特性:可较好地刻画信号的非平稳特性,如突变、断点、边缘等;
图像在采集、传输和恢复等过程中,不可避免地会被噪声污染,噪声一般存在于图像的高频子图中,对小波分解后的高频子图的小波系数进行阈值量化,达到图像消噪的目的。阈值去噪方法简洁有效,具有比较理想的去噪效果。阈值去噪方法的思想就是对小波分解后的各层系数中模大于和小于某阈值的系数分别处理,然后对处理完的小波系数再进行反变换,重构出经过去噪后的信号。
小波去噪的基本步骤主要包括如下三步:
(1)用小波分解对信号处理;
(2)量化出小波分解高频系数的阈值;
(3)对信号进行小波重构。使用小波分解的低频系数以及阈值量化处理后的高频系数进行小波重构,小波去噪效果如(图1)。
3 基于图像的数控加工
3.1 获取三维几何加工信息
图像的基本类型有二值图像、灰度图像、索引图像和RGB彩色图像。无论哪种方式,最终得到的数字图像都是一个二维矩阵。采用直接图像影像加工算法可以将图像信息转化为三维几何信息。
直接图像影像加工算法原理:在二维图像坐标(x,y)中,灰度或者色彩的某个分量可间接地表示像素Z轴坐标。使用该原理,可将经过数字图像处理后得到的二维灰度图像经过矢量化,转变成三维几何加工信息,即图像每一点三维坐标为(x,y,z)。
3.2 生成数控加工代码
在加工代码生成过程中,Z轴坐标为Z轴加工深度,由图像的灰度决定。假设最大加工深度为Zmax,则各像素的加工深度＝最大加工深度Zmax×灰度值/255。
在实际加工中,采用行扫描法逐行得到加工代码。在x方向使得连续的点加工连接到一起,组成直线,然后在y方向进行循环。结果是加工代码都完全由直线组成,成倍的降低了代码量。根据实际需要选择刀具的直径为x方向的步长。若步长处于几个像素中间,采用就近原则,选用最近像素作为下一个加工点。
3.3 加工仿真验证
合理的工艺参数是保证数控加工质量的前提,输入数控加工所需的工艺参数,主要包括刀具参数、切削参数和毛坯参数。其中,刀具参数主要包括刀具的类型、直径、长度、角度半径等。将含噪图像经过小波变换等图像融合技术需要进行必要的前期处理和图像修复后, 如图1,结合直接图像影像加工算法得到图像的三维矢量化模型,再根据输入的工艺参数,自动生成数控加工代码,G代码仿真器模拟得到加工效果图,如(图2)所示。
4 结论
为适应工业企业对制造类专业技能型人才的需求,高等院校需要大量价格低廉、性能稳定的教学型实验设备。而现有数控雕刻机由于体积大、价格昂贵、专业性强、不便于功能扩展和应用软件的支撑等原因,不能实现高等院校的实验教学。并且此项研究的成果也可以用在制造类专业的实训教学中,帮助该类专业更好的实现人才培养目标,给学生创新创业提供新的平台。
参考文献
[1] 李存荣,郭顺生,杨明忠.图像快速雕刻自动编程软件的研究与开发[J].仪器仪表学报,2004,25(4):57-60.
[2] 阎开印,黄辉.基于数字图像的数控雕刻技术研究[J].计算机应用研究,2007,24(8):206-208.