位图矢量化在激光雕刻技术中的应用

张金龙，宋文学

（西安航空技术高等专科学校，陕西 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，将材料快速加热至汽化温度，从而获得所需要的图案和切缝的加工方法，［1］它是融合了光、机、电、材料加工及检测等学科的复合型先进制造技术。激光雕刻是利用激光束在材料表面产生的三种作用：熔融、汽化以及光化学反应，使材料表面烧蚀，熔蚀区材料的表面质地、颜色和反射率均会发生变化，从而造成可以识别的符号标记。随着激光和计算机技术的迅猛发展，激光加工技术在加工领域得到了广泛的应用。［2，3］

激光雕刻通常用来各种金属及非金属加工，例如：竹木、有机玻璃、玻璃、镀漆金属，金属激光雕刻制品，模具制造加工等。加工目标一般是复杂图形或者图像。复杂图形大部分由曲线组成，而图像则由不同的色彩组成。一种情况是用户提供平面图形照片，要求按图形照片进行雕刻加工；其次是提供图形文件。第一种情况一般可通过扫描仪将其转化为第二种形式。

1 矢量化技术

数字化图像可分为两大类：矢量图像和位图图像。一般图像是以BMP、JPEG等位图形式存放的；位图是一个矩阵点阵，每一个点称为像素；像素是位图的基本元素。通常位图格式是不能无限制放大的，如果达到一定程度，就会出现锯末现象。而光栅矢量图没有这种情况，可以无限放大而不会失真。在使用过程中，激光雕刻机中位图雕刻效果不理想，并且在雕刻线要做一些工作处理。而矢量图雕刻效果很好。例如DXF矢量文件格式，它是目前常用二维绘图软件AutoCAD、CAXA电子图板的主要格式，能够很方便被激光雕刻机软件识别。然而对于复杂图像，曲线数量较多，手绘工作量巨大。而位图一般又包括大量曲线，景物生动，这就需要将位图转换成为矢量图。

位图向矢量图转换过程中，由于原始图像中存在杂点和混入噪声，需对图像进行平滑处理，以消除噪声污染；然后选用适当的阈值将图像二值化为单色图，保留并增强图像的轮廓信息；再对该二值图像进行去噪声（二值化过程中带来的噪声）、图像分割、细化、边缘检测等预处理操作，形成易于矢量化处理的二值图像；接下来对该图像进行矢量化处理，包括边缘提取、链码跟踪和图元识别；最后得到在CAD环境下可直接使用或需进一步优化处理的矢量文件格式（DXF格式）。［4］

目前，国内外对矢量化方法的研究已做了许多工作，并产生了一些理论，研究出了不少算法。但在实际应用中都存在不同程度的缺陷和困难，一次拟合大致可分为两种方法：一种是自顶向下的分解方法，该方法的缺陷是单个偏差较大的点造成结果偏差较大，必须用其他方法进行后处理加以弥补；另一种是自底向上的合并方法，该方法的困难在于初始线段长度的选取，如选择不当对结果影响较大，要获得好的结果必须附加其他处理。二次拟合常用最小二等乘法，但若二次曲线有较复杂的相交、相接关系时，该方法难于将不同二次曲线分开，识别准确率受到影响。［5］

图像矢量化软件处理效果的好坏，关键是矢量化算法的选取。作者的研究工作分两步走：首先探讨图像矢量化理论，有比较地选择一些效果好、易于计算机实现的矢量化算法。

2 矢量化软件及矢量化过程

通过程序设计语言正确地表达这些矢量化算法，然后，利用软件开发工具，将这些算法编程实现。图像矢量化研究结果产生了一批这方面的软件，例如：CorelDRAW中的CorelTRACE、R2V、WinTopo、WiseImage、Scan2CAD等等。

下面以AlgoLab PtVector软件为例，实现激光加工中的图像矢量化处理。AlgoLab PtVector提供了强大的位图文件矢量化功能，通过将普通位图文件的颜色减少以及以光栅引导彩色的图像的格式转换提供高质量的光栅矢量图，只需要简单几个步骤便可达到与繁复的矢量图描制工作相同效果。它是套自动化的点阵/矢量图转换工具，使用者无需做任何特别的设定即可将点阵格式图像转换为矢量格式。当然，如果有特殊的需求，如需要得到较为精确的矢量格式，也提供了进阶设定的功能，如修正颜色及线条矢量化的宽容度等，目前可供输入转换的格式包括BMP、JPG以及PNG，在输出格式的选择上则为WMF、EMF、DXF以及AI等几种，使用者可视需求自行选择。

不要认为要完成这么艰巨的任务要多么庞大的体积，这个AlgoLab PtVector安装后的空间只占据4.17MB大小，安装后的图标见图1。

图1 软件图标

图2 软件界面

打开软件，软件界面如图2所示。载入你想矢量化的位图，下面以“卧虎图”为例，具体地说明该软件的使用。AlgoLab PtVector 真正有用的命令在“保存”图标的右边，分别是操作次序、修整、颜色缩减、清洁、矢量化等。

按打开按钮，按照待雕刻卧虎图路径找到它，并且打开。如图4是寻找图形过程。图5是打开的卧虎图。

图3 待雕刻卧虎图［6］

图4 AlgoLab PtVector打开位图界面

图5 打开卧虎图

图6 矢量化卧虎图

图7 另存文件

如果我们希望通过简单的操作来转换图形格式，那么可以直接点取操作次序，程序就会自动完成所有的修整、颜色缩减、清洁、矢量化的工作，一步到位，得到下面的光栅矢量图，见图6。矢量化后点击文件、另存为，选择保存格式：WMF、EMF、PSP、DXF以及AI，如图7所示。然后选择保存路径就可以保存了。激光雕刻能识别DXF，选择该格式进行保存。

我们的转换工作已经完成，那么怎么知道我们制作出来的图像是光栅矢量图呢？我们可以使用各种常用的图形设计软件来进行检验。用AutoCAD打开刚才保存的矢量化处理的卧虎图，见图8。此时，位图已经转换位为可变编辑的矢量图。经过一定处理、编辑就可以进行雕刻了。用雕刻软件打开编辑好的 DXF格式的虎形图，进行雕刻。雕刻后的卧虎激光雕刻图见图9。

图8 AutoCAD打开的dxf格式的卧虎图

图9 卧虎激光雕刻图

当然，通过操作次序得到的光栅矢量图可能我们认为太过于直接简单。那么还有另外一种方法实现光栅矢量图的转换。我们可以选择修整：准备将一图像转换好颜色形状定义边界和更相似种类的颜色，这样就得到一个初步处理的图像；然后我们可以执行颜色缩减，这样就可以为一图像建立一块适当减少颜色的调色板，并且用调色板的颜色代替原来颜色，可以得到第二步的处理图像；为了更好地完成任务，我们还必须执行清洁的操作，可以去除小污点和合并微末细节成为有关图像颜色的大轮廓，经过这样的处理，基本可以进行光栅矢量图的转换了；最后，我们就可以执行矢量化，得到一张真正的光栅矢量图。

1 陈绮丽、黄诗君、张宏超.激光技术在材料加工中的应用现状与展望［J］.2006（8）：221～223

2 张永康、周建忠、叶云霞.激光加工技术［M］.化学工业出版社，2004：5～8

3 王春生.透过数控机床展看激光切割机的快速发展［J］.世界制造技术及装备市场，2008（5）：17～20

4 张劲峰.数控线切割机床图像矢量化研究及其CAI应用［D］.上海：上海大学，2004

5 李庆华、王多强、陈志勇.图像的矢量化方法与算法研究［J］.计算机应用研究，1995（6）：9～12

6 http://www.nipic.com/