（物理电子学专业论文）防伪激光标刻的软件研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， 、激光标刻是近年来激光加工中发展较快的分支之一，是激光加工中的个热点， 有着广泛的市场和良好的发展前景本文设计了基本的激光标刻软件，并围绕防伪激 光标刻技术进行了很多的研究。 本文从减少填充线段和提高加工效率出发，对复杂区域的填充算法进行了研究。 首先，采用延长某些岛屿边界将包含岛屿的区域变为单连通域，再用最长边延长法和 最长边平行截取法将单连通域分解为简单凸多边形，简单凸多边形填充方法是找到凸 多边形最小高所对应的边，平行该边进行填充。激光标刻时对填充线段的顺序进行优 化处理。 本文对条码激光标刻进行了研究和分析。很多的一维条码都有对应的t r u e t y p e 字体，本文采用提取t r u e t y p e 逻辑字体的轮廓然后再填充的方法实现维条码的激 光标刻。我们国家已经发布了两个二维条码标准：四一七条码和q r 码，本文对这两 种二维条码进行了分析和研究，提出了双向扫描二维条码的黑白二值位图的方法来进 行激光标刻。 本文针对= 维矢量激光标刻系统提“：了一种基于网络信息的防伪激光标刻技术， 即通过定的矢量标刻数据，产生特定的防伪信息，并随标刻数据一起标刻在产晶l ：， 同时利用数据库技术、计算机网络技术将标刻数据及防伪信息保存在数据库服务器 上并通过网络供客户鉴别，能起到非常好的防伪效果。 关键字：激光标刻防伪区域填充二维条码 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sah o t s p o ti nl a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , l a s e r m a r k i n g a n d e n g r a v i n gt e c h n o l o g yi s b e i n gr a p i d l yd e v e l o p e d ，h a v i n gaw i d em a r k e t i n gf o r e g r o u n d i nt h i sp a p e r , b a s i cl a s e r m a r k i n g s o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e d ，a n t i - c o u n t e r f e i t i n gl a s e rm a r k i n gs o f t w a r eh a sb e e n a l s o i n v e s t i g a t e d i no r d e rt or e d u c ef i l l i n gl i n e sa n di m p r o v ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , i n v e s t i g a t i o no n f i l l i n ga l g o r i t h mo fc o m p l e xa r e ah a sb e e nd o n ei n t h i sp a p e r , c o m p l e xa r e aw i t hs o m e i s l a n d sw i l lb e c o m es i m p l ec o n n e c t i v er e g i o n b yp r o l o n g i n gs p e c i f i c a l l i n eo fi s l a n d b o u n d a r y ，s i m p l ec o n n e c t i v er e g i o n sa r ed e c o m p o s e da n db e c o m ec o n v e xp o l y g o nb y p r o l o n g i n gt h el o n g e s tl i n eo fb o u n d a r ya n dp a r a l l e li n t e r c e p t i n go ft h el o n g e s tl i n eo f b o u n d a r y f i l l i n ga l g o r i t h mf o rc o n v e xp o l y g o ni sf i n d i n go u tt h el i n ew h o s eh e i g h ti st h e s m a l l e s t t h e nf i l l i n gc o n v e xp o l y g o n 、 ，i t l lp a r a l l e ll i n e so ft h a t t h eo r d e ro f f i l l i n gl i n e si s o p t i m i z e di nl a s e rm a r k i n g t h es t u d yo fb a rc o d el a s e rm a r k i n gh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r b e c a u s es o m e c o r r e s p o n d i n gt r u e t y p ef o n t sf o ro n e d i m e n s i o n a lb a rc o d eh a v eb e e nd e v e l o p e d ，s o l a s e r m a r k i n g o fo n e d i m e n s i o n a lb a rc o d ec a l lb ed o n eb yg e t t i n gt h eo u t l i n eo ft h et r u e t y p e c h a r a c t e ra n d t h e n f i l l i n g t h eo u t l i n e s t a n d a r d so f 4 1 7 b a r c o d ea n d q rc o d e h a v e b e e nr e l e a s e d i no u rc o u 咖i nt h i s p a p e r , t h e s et w ok i n g so ft w o - d i m e n s i o n a lb a rc o d e sh a v eb e e n a n a l y z e d ，t h em e t h o do fb i - d i r e c t i o n a ls c a n n i n gb l a c ka n dw h i t e t w o v a l u e b i t m a po f t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e sh a sb e e np r e s e n t e d i n f o r m a t i o na n t i c o u n t e r f e i t i n gl a s e rm a r k i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h es p e c i f i c a la n t i c o u n t e r f e i t i n gi n f o r m a t i o nb a s e do nv e c t o rm a r k i n gd a t aw i l lb e p r o d u c e db yt h es y s t e m ，w h i c hw i l lb em a r k e do nt h ep r o d u c t sw i t ht h eo r i g i n a lm a r k i n g d a t a a n da t h es a m et i m et h eo r i g i n a lm a r k i n gd a t aa n da n t i - c o u n t e r f e i t i n gi n f o r m a t i o n w i l lb es a v ei nr e m o t ed a t a b a s es e r v e ru s i n gd a t a b a s et e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g y c l i e n t sc a nd i s t i n g u i s ht h et r e ep r o d u c e sf r o mf a k et h r o u g hr e t w o r k s v e r y g o o da n t i c o u n t e r f e i t i n ge f f e c t sw i l lb eo b t a i n e dt h r o u g ht h i sm e t h o d k e y w o r d s ：l a s e r m a r k i n g a n t i - c o u n t e r f e i t i n g a r e a f i l l i n g t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 激光加工概述 1 i 1 激光加工技术【i _ 8 】 1 绪言 激光因具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点，特别适用于材料加 工。如今激光加工已成为激光应用中最有发展前途的领域之一，现在已经开发出几十 种激光加工技术。又由于激光的空间控制性和时间控制性很好，并且对加工对象的材 质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，所以特别适用于自动化加工。激光加工 系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行实时生产 的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。 目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔 技术、激光切割技术、激光标刻技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调 技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术等。 1 1 2 激光加工的发展 我国第一台红宝石激光器于1 9 6 1 年在中科院长春光机所诞生，从此在激光器和 激光应用技术方面取得了许多成果。国家相继建立了激光加工工程中心、固体激光工 程技术研究中心、激光加工成套设备产业化基地、产学研激光加工中心基地等来发展 激光加工技术。与此同时，激光作为“先进制造技术”之一列为国家重点发展项目， 国家有关部委和北京、上海、湖北、辽宁、广东等省市也都对激光加工技术进行多渠 道扶持，并把某些项目进行重点发展“”。 激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢铁冶金、石油、轻工、医疗器械、 包装、礼品工业、钟表、服装、化妆品、烟草、航空航天等行业，雨且应用范围越来 越广。1 9 9 6 年至2 0 0 0 年，全球激光加工系统的销售额以年均1 3 的增长率增长，而 半导体激光器、全固化固体激光器、准分子激光器加工系统增长更快，达2 3 ，这反 映出微电子工业、通讯工业及微光机电一体化系统的发展需要新的加工手段来满足制 造上的需求。从激光加工系统应用来看，以1 9 9 9 年的应用为例：销售额的3 0 用于 华中科技大学硕士学位论文 激光切割，2 9 用于激光标记，1 5 用于激光微加工，1 3 用于激光焊接，其它应用 占1 3 ”。 由于受经济不景气的影响，2 0 0 2 年全球激光器的销售收入由2 0 0 1 年的5 6 亿美元 下降到4 3 亿美元，下降了2 4 ，而激光材料加工方面的激光器的销售数目由2 0 0 1 年的2 6 万台升了到2 9 4 万台，其相应的销售收入由2 0 0 1 年的1 2 2 5 亿美元升了到 1 2 5 9 亿美元。在2 0 0 1 年和2 0 0 2 年，每年大约有1 0 0 0 台低功率c 0 2 激光器和固体激 光器在中国安装，应用于标刻、焊接和其它材料加工。全球的c 0 。激光器销售的增长 主要是打标雕刻和其它的台式制造应用( 如非金属切割) 对低功率激光器需求驱动 的。在更多的传统激光加工领域市场。预计在2 0 0 3 年底有一个全面的恢复。i n d u s t r i a l l a s e rs o l u t i o n 的编辑d a v i db e l f o r t e 说这个市场显示销售数量的增长，一个主 要的原因是工业激光设备在中国的初期安装“”。 1 1 3 激光加工优点f 1 , 2 , 6 j 与传统的加工技术相比较，激光加工技术有许多特点： ( 1 ) 激光加工对象范围广，它可以对多种金属、非金属进行加工，特别是可以加 工高硬度、高脆性及高熔点的材料( 如电子工业中常用的陶瓷材料、硅片等) ： ( 2 ) 激光加工所用的工具是激光“刀”，加工时无“刀具”磨损：在加工过程中 无切削力对工件的影响，使工件变形很小：它加工时能量注入速度高，对工件热影响 区很小，因此工件热变形很小； ( 3 ) 激光束易于导向、聚焦和发散。根据激光加工要求，可以得到不同的光斑尺 寸和功率密度。通过外光路和光纤传输系统可以实现激光的柔性传输，便于进行复杂 的加工。另外激光加工可以通过透明介质对密封容器内的零件进行加工，如透过石英 窗口对传感器进行加工； ( 4 ) 激光加工速度快，加工不需要其它介质，无噪音、无污染； ( 5 ) 把激光束与计算机及数控系统结合，加工自动化程度高，可以对很多形状复 杂的零件、图样进行加工，可以不需要制作模具，这样就大大缩短加工周期、节约成 本，特别适合产品快速换型，适应市场不断变化的需求： ( 6 ) 激光加工产品精细、美观，具有较高的审美价值。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 防伪技术 防伪技术在很早的时候就开始存在，古代就有在瓷器、字画上添加印记或警告语 来确定制作者身份、防止假冒的做法。而防伪作为一个行业的迅速发展则是在进入2 0 世纪之后，特别是近几十年来，随着假钞票、假证明、假商品的泛滥和技术进步，防 伪逐步成为一个重要的独立发展的行业，出现了专门的防伪技术开发和从事安全防伪 产品生产和服务的公司，把大量高新技术和成果应用于防伪实践，国内国外莫不如此。 应用防伪技术并不是简单地使用一种防伪标识或在商标印刷时使用一些防伪技 术。它不同于应用其它技术的特点就在于应用防伪技术是为了使被保护的标的物不被 伪造，这是一个系统工程。其实质是建立一个由防伪技术、检测设备及使用管理方法 所组成的系统集成。作为防伪技术提供者，应当给用户提供一个完善的防伪服务，协 助用户建立与防伪技术硬件配套的管理，最终使用户达到保护标的物不被伪造的目 的。 防伪技术在不断的发展，新的防伪技术不断出现，计算机信息网络防伪技术、条 码防伪技术、生物防伪技术、材料化学防伪技术、激光全息防伪技术、物理防伪技术、 印刷和造纸防伪技术等是目前防伪技术的研究热点和发展方向“”。 计算机信息网络防伪技术【m ”1 是在信息技术、网络技术、数据库技术、密码技术 等的基础上，进行防伪功能设计及系统安全设计的一种综合技术，给每一件产品分配 一个唯一的内含防伪码的防伪标识，随着产品一起流动，同时该防伪码在防伪数据中 心留有存档，消费者可以通过防伪查询网络系统的各种多媒体终端设备进行实时查 询，以判定产品的真伪，实现消费者与制造商之间的产品信息反馈零距离。采用激光 标刻技术与计算机信息网络防伪技术，可以实现信息防伪激光标刻，能起到很好的防 伪作用【1 5 】。 条码防伪技术【1 6 - 1 9 l 又分为隐形条码防伪、金属条码防伪和二维条码防伪等。 隐形条码防伪隐形条码制造时，使用特殊的技术将其隐藏起来，既不破坏包装 装潢整体效果又不影响条码特性，一般制假者难以仿制，其防伪效果很好，并且在印 刷时不存在套色问题，条码隐形需要特殊的条码阅读器才能够识别。隐形条码主要包 括覆盖式隐形条码、光化学处理的隐形条码、隐形油墨印制的隐形条码等。h h a f e r k a m p 2 0 研究了不可见激光标刻技术，是用激光标刻一个不可见的图案放在外观 华中科技大学硕士学位论文 图案中或图案底下，采用红外反射技术来检测和译码，在隐形防伪上将具有重要的意 义。 金属条码防伪金属条码的条是由金属箔经电镀后产生的，一般在条码的表面 再覆盖一层聚酯薄膜，这种条码是用专用的金属条码阅读器识读。其优点是表面不怕 污渍。一般条码是靠光的反射来识读，这种条码则是靠电磁波进行识读的，只有识读 器和条码的距离才会影响条码的识读。其抗老化能力较强，表面的聚酯薄膜在户外使 用时适应能力强。金属条码还可以制作成隐形码，在其表面采用不透光的保护膜，使 人眼不能分辨出条码的存在，从而制成覆盖型的金属隐形条码。 二维条码防伪二维条码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，具有信息 容量大，编码范围广，保密、防伪性能好，译码可靠性高，修正错误能力强等优点。 二维条码的信息容量大，数据密度高，还能进行数据加密等特点，能有效的防止复制、 仿制，实现产品的防伪。 条码激光标刻技术是将激光标刻技术与条码防伪技术结合起来，能在各种金属非 金属材料上标刻维和二维条码，在防伪应用上有着重要的意义和很大的发展潜力。 1 3 激光标刻技术 1 3 1 激光标刻概述 激光标刻是利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表 面迅速产生蒸发或发生光化学反应，在工件表面刻出任意所需要的文字和图形 i , 8 1 。 激光标刻是激光打标和激光雕刻的简称，属于激光加工的范畴。激光打标主要是 在工件表面上蚀刻线条，在工件表面刻下线条印记；而激光雕刻主要是蚀刻工件表面 的一定区域，甚至雕刻出深浅不一的效果，在工件表面刻下区域印记。在印章制作上 使用激光雕刻，一般的产品标记都采用激光打标，激光打标和激光雕刻在激光系统的 硬件结构是一样的，不同之处在于控制输出的方法上“。 激光标刻工作主要可分为绘图仪式激光标刻、振境式激光标刻标和掩模式标刻三 种3 。 绘图仪式激光标刻是通过光束在x 、y 方向运动实现的。振镜式激光标刻标主要 由激光器、x y 偏转镜、聚焦透镜和计算机等构成，其工作原理是用计算机控制反射镜 4 华中科技大学硕士学位论文 的反射角度，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在标刻材料 上按所需的要求运动，从而在材料表面留下永久的标记。掩膜式标刻系统又称投影式 标刻系统，其基本方法是利用一激光束照射到一投射式掩膜上，通过光学系统将掩膜 图案投影成像在标刻材料上，经过激光与材料的相互作用，从而在标刻材料表面留下 永久的掩膜图案，即标刻标记。 1 3 2 激光标刻优点【2 卜3 0 1 激光标刻因其特殊的工作原理，使其与传统标记方式( 移印、喷码、电腐蚀等) 相比，具有无可比拟的优越性： ( 1 ) 非接触加工：可在任何规则或不规则表面上标刻出精美的标记，且标刻后工 件不会产生内应力： ( 2 ) 材料适用面广：可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等各种不同种类 或不同硬度的材料上标刻图文； ( 3 ) 运行成本低：标刻速度快且标记一次成型，耗材少，运行成本低： ( 4 ) 可与生产线上的其它设备相集成，提高生产线的自动化程度； ( 5 ) 标记清晰、永久、美观，并可有效防伪： ( 6 ) 使用寿命长、无污染。 1 3 3 激光标刻的发展 激光标刻技术发展迅速，目前已广泛应用于电子元器件、汽( 摩托) 车配件、医 疗器械、通讯器材、计算机外围设备、烟酒食品防伪、五金机电、钟表、钢铁、冶金、 机械等行业。激光标刻已经成为近年来激光加工中的热点之一“”。 随着激光标刻的不断发展，市场需求的不断提高，要求系统标刻功能强大，操作 简单。这需要人们在软硬件设计上都要加以改进，以满足日益增长的激光标刻需求。 下面是激光标刻技术中的几个热点： 高速激光标刻。” 实现高速激光标刻，一方面要进一步提高激光标刻机的硬件性能，特别是振镜的 速度及性能，另外在软件方面，进一步优化标刻路径，提高标刻效率。 华中科技大学硕士学位论文 条码激光标刻 由于条码技术具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，因此在各 行业得到了广泛应用。二维条码1 3 2 】能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，还具有 信息容量大，编码范围广，保密、防伪性能好，译码可靠性高，修正错误能力强等优 点。 根据有关工业专家预测，制造厂商将会很快广泛应用二维条码技术，而激光打标 方法将是这项技术开发利用的主要受益者，用于制作二维条码的永久性标记的其它实 用方法还包括用记录针点喷射法和喷墨打印法，但激光系统能产生更小的码，码中每 个单元的尺寸等于激光光斑的尺寸。我们在奔腾处理器外壳上见到的一个光刻的小 方块就是d a t am a t r i x 二维条码，在美国及欧洲，二维条码d a t am a t r i x 开始广泛用 于汽车制造、飞机制造、武器制造及其它机械产品上。“。 条码的激光标刻口5 , 3 5 1 在工业自动化生产线管理、产品证件防伪上有着重要的应 用。随着条码识读设备成本的进一步降低，条码的激光标刻的应用会越来越广。 飞动激光标刻 飞动激光标刻系统是激光高速振镜标刻技术在工业生产线的最新应用，它结合了 光电检测技术、高速标刻技术及计算机动态跟踪技术，在不影响生产线正常运作的情 况下实现流水生产线上工件的激光在线标刻，从而大大提高标刻效率。 飞动激光标刻对在传送带上移动的工件进行标刻。l u m o n i c s ( o x n a r d ，c a ) x y m a r k 是一个这样的动态标刻系统，在这个系统中，8 0 w 的连续c o 。激光在计算机的控制下 通过转镜垂直扫描，水平运动通过传送带进行，为了保持标刻的统一，必须控制激光 与传送带保持同步。 彩色激光标刻。” 彩色激光标刻利用基质材料对激光的选择性吸收引发的热化学反应，会在基质表 面上留下一块退色的区域而产生彩色标记。彩色标刻还需要在基质中加入颜料，将树 脂、颜料和其它添加剂进行适当组合，利用激光几乎能标刻出各种颜色的标记。彩色 激光标刻的实际挑战还是很严峻的，彩色标刻需要的颜料应对激光诱导化学反应有足 够的灵敏度，并且要相当稳定。随着人们对激光、树脂和添加剂组合的关注，激光彩 色标刻技术将会结出丰硕的经济成果，取得巨大的经济效益。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 本课题的研究围绕防伪激光标刻的软件系统进行了研究，主要研究内容及工作包 括： ( 1 ) 设计一个基本的激光标刻软件系统，能够进行图形图像文字的激光标刻。 ( 2 ) 在基本的激光标刻软件系统基础上对区域填充激光加工算法进行研究。 ( 3 ) 分析和研究条码的结构和编码原理，提出激光标刻条码的优化算法。 ( 4 ) 提出了信息防伪激光标刻技术，并对信息防伪激光标刻进行系统研究。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 1引言 2 激光标刻系统的组成 激光标刻是利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表 面迅速产生蒸发或发生光化学反应，在工件表面刻出任意所需要的文字和图形。计算 机技术的引入使激光标刻发生了巨大的革命，极大的增加了激光标刻的灵活性和效 率，丰富了激光标刻的资源，扩大了激光标刻的应用范围【i i i 。 激光标刻系统包括激光标刻机的硬件和软件两部分，硬件部分和软件部分共同完 成系统的标刻功能，缺一不可。硬件是完成激光标刻的物质基础，软件是指示硬件如 何完成激光标刻任务的指挥中心i i “。 要想获得较好的标刻质量，必须选择合理的激光标刻工艺，对于不同的材料类型， 需要选择不同激光标刻机，合理的选择激光标刻功率和标刻速度等工艺参数【2 3 0 ”。 2 2 激光标刻系统硬件 激光标刻机的硬件部分有激光器、电源、冷却系统、导光系统、计算机控制系统 等组成。 ( 1 ) 激光器 激光标刻机的激光器目前主要使用二氧化碳激光器【3 8 】、灯泵n d ：y a g 激光器和二 极管泵浦固体激光器1 1 0 】。根据激光与物质相互作用的机理特性，二氧化碳激光器一般 应用于非金属材料上的标刻，固体激光器一般金属材料上的标刻。随着标刻应用的不 断扩大，倍频y a g 激光器、准分子激光等波长较短得激光器在标刻中的应用也会越 来越大，一方面是因波长越短，激光聚焦后的光斑越小，激光标刻的分辨率也就越高， 另一方面彩色激光标刻的发展需要紫外激光器。 ( 2 ) 激光电源 不同的激光器，需要不同的激光驱动电源。不同的激光标刻方式，激光驱动电源 也会不一样，如掩膜激光标刻机一般使用脉冲激光器，相应的电源为脉冲激光电源， 而振镜式固体y a g 激光标刻机，一般使用连续激光器，相应的电源为连续激光电源。 连续激光器电源的主要负载是氪灯，它的功能是为氪灯提供充足而又稳定的电功 率输入，保证灯以至激光器输出不随外界条件变化。对固体激光器的要求是输出电流 华中科技大学硕士学位论文 稳定，纹波小，电压适应范围宽，能在一定的电网波动上实现j f 常工作，电源效率高， 保护功能强，能长期时间稳定工作1 。 激光器电源的好坏直接决定了整个系统的稳定性。过去一直采用的赢流高压电 源，这种电源结构简单，工艺成熟，用二r ：频下的高压变压器、大功率的限流电阻以及 高电压的电阻，体积大，效率低，而且不便r 汁算机控制功率。玎关电源效率高、体 积小，便于计算机控制在激光电源上得到了广泛的应用。开光电源可以通过控制其触 发方波来控制输出功率，效率可高达”i 。 ( 3 ) 冷却系统1 3 9 】 冷却系统的正常运行是激光器正常工作的首要条件，由于激光器电光转换的效率 通常很低，激光电源大部分的能量( 主要是热能) 要由冷却系统带出。为了保证激光器 持续稳定的工作，系统采用了二级冷却方式，包括外循环冷却和内循环，外循环采用 风冷或水冷的办法使水箱里的水保持较为恒定的温度，内循环是用水箱里的水去冷却 激光器。 ( 4 ) x y 激光工作台 根据不同的激光标刻输出要求可以采用两种不同的激光t 作台：绘罔仪式t 作台 和振镜式工作台。 绘图仪式激光工作台0 1 是将x y 绘图仪经过合理改造，使之能带动激光光束 ( 因为工作时象一只光笔在工件表面移动，所以也成为光笔) 在x y 平面内按要求的 速度进行移动，同时还可以控制光束的开关。这种工作台与计算机的连接可以通过原 来的绘图仪与计算机的连接端口( 一般为并行口) 进行连接，控制指令也和对绘图仪 的指令相同，十分易于控制光笔的位置，缺点是速度不够快，适用于速度要求不是很 高的情况，其原理如图2 - l 所示。 激光束 圈2 - 1 绘图仪式x y 激光i ：作台 振镜式激光工作台1 2 3 2 钉比绘罔仪式工作台要复杂一些，它不是象绘图仪。：作台将 华中科技大学硕士学位论文 光柬平移到x y 平面的某一位置，而是通过转动轴相互垂直的两个反射镜将激光反射 到x y 平面的某一位置，精度高，速度快，最高速度可达3 m s ，适用于高速标刻的需 要。它是通过两路模拟信号控制两反射镜的偏转角从而控制光束到达x y 平面的位置： 通过一路开关信号控制光束的开关。其结构如图2 - 1 所示。 y 轴 图2 - 2 振镜式激光标刻原理圈 ( 5 ) 计算机控制系统f 1 1 , 4 1 1 计算机采用通用的普通微机，带有鼠标、键盘、扫描仪等通用输入设备，还要有 能控制振镜或激光加工工作台以及激光开断等功能的控制接口电路，当然也包括符种 图形软件制作的不同格式的图形图像等共享资源文件，有些标刻系统还安装了数据库 系统和具有i n t e m e t 网接入功能。便于对标刻数据的管理和实现远程标刻。 控制接口电路应能根据软件控制信号及时、准确的对激光工作台发出相应的硬件 控制信号。对于绘图仪式激光工作台，由于其直接利用微机的打印机接口与计算机连 接。因此这一部分已经包含在计算机和绘图仪接口电路中。对于振镜式激光工作台由 于要求计算机提供两路模拟信号和路开关信号，同时还应考虑到控制激光器电源所 需要的方波信号，故要求接口电路至少能提供两路模拟信号，一路数字丌关信号和 路数字方波信号。控制接口电路简要原理如图2 3 所示。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 振镜式接口电路结构简图 2 3 激光标刻系统软件及设计 1 1 , 4 2 - 4 4 】 为了使系统的硬件按照人们预期的要求去自动工作，必须设计相应的系统控制软 件，系统软件控制系统硬件，硬件在其协调指挥下完成所要求的标刻任务。系统控制 软件的好坏直接关系到系统的工作效率和效果，甚至影响到系统的推广使用。因此做 好系统软件的设计，使之在完成预期的各项功能前提下做到操作简单，使用方便，是 本课题研究的一个重要组成部分。 根据激光标刻的特点和要求，系统软件部分的基本功能包括： ( 1 ) 输入部分 应向用户提供良好的设计环境，提供有关图元的输入功能，包括各种基本图形( 如 直线、矩形、圆、椭圆、圆弧、椭圆弧、自由曲线、样条曲线等) 、各种字体文字( t m e t y p e 字体，和a u t o c a d 中的s h x 矢量字体) 、条码、各种图像文件的输入。 ( 2 ) 处理部分 提供对各种图形图像文字的编辑、排版、转换处理，使之符合输出图案的要求， 输出路径、速度、精度、激光功率等标刻参数的选择。 ( 3 ) 控制输出部分 包括显示输出、文件保存输出、功率控制输出、x y 平面位置控制输出( 这部分 根据输出设备的不同而有所不同) 。 标刻软件的主要功能是提供方便的图形图像文字设计环境，进行图形图像文字的 处理，控制输出到控制台。因此软件设计与计算机图形图像文字处理密切相关。 在本文的研究中，除了设计基本的激光标刻软件后，还对激光区域加工的填充算 法，条码激光标刻、防伪标刻、防伪鉴别进行了重点研究。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 复杂区域填充的激光标刻算法研究 激光雕刻过程中，光笔的空行进并没有带来实际的雕刻效果，而且光笔的频繁开 启和关闭，不仅会缩短激光管的寿命，还影响了雕刻质量45 1 。另外为了提高激光标 刻质量，光笔的开启和关闭过程中必须进行指令延时，这种光笔的频繁开启和关闭也 严重影响了激光标刻的效率。在激光雕刻和实心文字及复杂图案的激光标刻过程中， 都需要对区域进行填充，合理的填充有利于优化标刻路径，提高加工效率。在激光雕 刻的试验研究中指出，采用凸子区域分解的激光雕刻方法比传统的直线扫描要节省 3 0 - - - 4 0 的时间旧4 5 1 。 关于区域加工的路径确定问题，有很多的学者进行了研究m 6 - 4 9 1 。本文从减少填充 笔划出发，提出一种新的复杂区域分解方法和凸多边形的填充方法，来优化加工路径， 提高激光标刻效率。 下面具体介绍将一个复杂区域变为无岛屿的单连通域，再把单连通域分解成简单 的凸多边形，最后对凸多边形进行填充计算的算法流程。 3 2 复杂区域的凸多边形分解 为了便于连续自t 1 7 - ，我们需要对任意的复杂区域进行分解。将复杂形状区域分解 为一些简单形状区域是计算机图像处理中形状分析的重要手段【4 9 - 5 3 1 。 本文的思考方法是首先将包含岛屿的复杂区域变为无岛屿的单连通域，再通过 定的分解方法，将单连通域分解成凸多边形。 3 2 1无岛屿单连通域的转化 当在复杂区域中有岛屿存在时，实际加工区域应为区域边界p o 与岛屿边界p i p m 所围成的布尔差( m 为区域岛屿个数) 。本文通过延长某些岛屿边界将区域边界和各 岛屿边界融为一体，使任意多岛屿情况变为无岛屿的单连通域，从而使后续处理简单 归一。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一般规定，区域边界的方向是顺时针方向，岛屿边界的方向是逆时针方向，即沿 边界方向的右边即为区域内部，即沿边界方向的左边即为外部。 具体算法如下： ( i ) 搜索各岛屿边界最小x 坐标最小值m i n x k 及其相应角点w k ，其中k 为岛屿边 界编号( k l ，m ) ； ( 2 ) 比较个岛屿边界的m i n x k ，求得其最小值所对应的岛屿边界p j ( 1 s jsm ) ； ( 3 ) 找到与w j 相邻的前一角点，记为v j ，延长v j w j ，并与区域边界p o 与各直线 段求交，得到交点串 u i ( x i ，y o ，i = 1 ，2 ，3 1 1 ，其中n 为交点个数。搜索交点u 。( x 。，y s ) 满足关系：u 。w 的距离最小。如图3 - l ( a ) 所示； ( 4 ) 将区域边界p 0 在u s 处插入两个角点h 和r b ，且r a = r b = u s ；将岛屿边界p j 在 w j 处插入一个角点w j ，且w j _ w j 。分别在r a 与w j 以及r b 与w j 之间引入两条虚 边界线段，如图3 - 1 ( b ) 所示，即可实现将岛屿边界p j 连入区域边界p o 而构成一个新的 统一区域边界p o ，且p 0 在整体上为顺时针走向。这一过程可通过修改边界数据链表 中相关点的n e x t 指针实现。设交点u s 所在的直线段的两个端点为r c 和r d ，且原来方 向为r c 指向r d ，p j 上与w j 桐邻的前一角点为v j ，后一个角点为t c ，修改与设置以下 点的n e x t 指针，使r c 指向r _ ，r | 指向w j ，w i 指向r e ，v l 指向向r b 。r b 指向r d ： ( 5 ) 删除岛屿边界p j ； ( 6 ) 重复步骤2 5 直到各岛屿边界连入p o 。 ( a )( ” 图3 1任意多岛屿区域转化无岛屿单连通域原理圈 ( a ) 连通交点的搜索( b ) 连通边界的指向 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 单连通域的凸多边形分解 本节通过对复杂单连通域的边界最长边进行延长和平行截取将单连通域分解为 简单的凸多边形。在对单连通域的分解中，需要对顶点的内角进行计算，判断是凹角 还是凸角。 ( 1 ) 两条有向线段组成的角的计算 计算两条有向线段组成的角，先将角顶点平移到原点，如图3 2 所示，边界方向 为a b 到b c ，沿a b c 方向的右边即为区域内部，所以a 即为所求的角，计算每条边 与x 轴正方向所形成的角w l 、w 2 ( o s w l 、w 2 万时，区域边界两条有向线段所成的角为凹角：当a o 时，w l - - 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 当x l = o ，y t o ，y l 0 时，w l = a r c t g ( i r , j ) 4 ) 当x l 0 ，y l 0 时，w l = a r c t g ( 崛j ) 5 ) 当x l o ，y 1 2 0 时，w l = 7 - a r c t g 眺j 6 ) 当x 1 o ，y l o ，表示l 。上有lk i 根扫描填充线，扫描填充线交点顺序号n 分别为第 1 n t ( a ( l 。) d ) + l i n t ( b ( l 。) d ) 个左端点： 当k o ，表示l 上有lk l 根扫描填充线，扫描填充线交点顺序号n 分别为第 1 n t ( b ( l 、) d ) + l n t ( a ( l 。) d ) 个右端点。 d x 和d y 的计算 图3 7d x 和d y 的计算示意图 如图3 7 所示，a 、b 为凸多边形中l i 的两个端点，a 的坐标为( x 1 ，y 1 ) ，b 的坐 标为( x 2 ，y 2 ) ，a 为求交的某边l i 与扫描基准边l j ( 或延长线) 的夹角。i 。，i n + l 为两条 相邻扫描填充线与l i 的交点，d 为两条相邻扫描填充线之间的间距。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 两条相邻扫描填充线截取l i 的长度为：l ，。= d s i n a d x = lx l x 2 i - l o ( x 1 一x 2 ) 2 + ( y 1 一y 2 ) 2 d y = iy l y 2i l i o ( x l x2 ) 2 + ( y l y 2 ) 2 求得扫描填充线的交点后，连接相同顺序号的左右交点，连线即为扫描填充线。 在实际的加工中，为了提高加工效率，要尽量减少空程距离，所以各扫描填充线按如 下的方式进行，如扫描填充线的左端点为结束点，则将下一条扫描填充线右端点作为 起点，如扫描填充线的右端点为结束点，则将下一条扫描填充线左端点作为起点。 3 4 应用实例 在激光标刻中，如要标刻实心文字，必须对t r u e t y p e 字体中提取出的轮廓进行填 充，由于文字的笔画相当复杂，方向各异，如果对t r u e t y p e 字体进行简单的x 方向 或y 方向进行填充，填充的线段是非常多的。采用本章的分解，可以有效的减少填充 的线段数目。 图3 - 8 标刻实心文字示例 华中科技大学硕士学位论文 例如，a r i a l 字体中的“f ”，如图3 8 所示通过单连通域的分解，将原来的区域 分为p 0 ，p l ，p 2 三个简单的凸多边形，再对凸多边形进行区域填充，将各凸多边形的 填充线段首尾连接起来，为了提高加工效率，减少所走的空程，我们根据空程最近原 则对凸多边形的填充线段的首尾连接顺序进行一定的优化处理，如图3 _ 8 ，第一填充 区域的终点连接第三填充区域的起点，第三填充区域的终点连接第二填充区域的起 点。 3 5 本章小结 在激光雕刻和实心文字及区域图案的激光标刻都要涉及到复杂区域的填充，本章 从减少填充笔划和提高加工效率出发，对复杂区域的填充算法进行了研究。首先，采 用延长某些岛屿边界将包含岛屿的区域变为单连通域，再用最长边延长法和最长边平 行截取法将单连通域分解为简单凸多边形，简单凸多边形填充方法是找到凸多边形最 小高所对应的边，平行该边进行填充。激光标刻时对填充线段的顺序进行优化处理， 提高标刻速度。该方法能推，“到。般的) j t l y 麻i 】领域，捉i f i 甲丽区域的加i ：效牢。 华中科技大学硕士学位论文 4 1 条码概述【3 2 5 5 6 0 1 4 条码激光标刻 条码是由一组按一定编码规则排列的条、空符号组成，“条”是指对光线反射率较 低的部分，“空”是指对光线反射率较高的部分，用以表示一定的字符、数字及符号 组成的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息。 条码技术是在计算机应用和实践中产生并发展起来的一种广泛应用于商业、邮政、图 书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的自动识别技术，具有输入速度快、 准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当今的自动识别技术中占有重要的地位。 一维条码只是在一个方向( 一般是水平方向) 表达信息，而在垂直方向则不表达 任何信息，但随着应用领域的不断扩展，传统的一维条码逐渐表现出了它的局限：首 先，使用一维条码，必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达的信息 含意，因此在没有数据库或者不便联网的地方，一维条码的使用就受到了限制；其次， 一维条码表达的只能为字母和数字，而不能表达汉字和图像，在一些需要应用汉字的 场合，一维条码便不能很好的满足要求：另外，在某些场合下，大信息容量的一维条 码通常受到标签尺寸的限制，也给产品的包装和印刷带来了不便。 二维条码的诞生解决了一维条码不能解决的问题，它能够在横向和纵向两个方位 同时表达信息，不仅能在很小的面积内表达大量的信息，而且能够表达汉字和存储图 像。二维条码的出现拓展了条码的应用领域，因此被许多不同的行业所采用。 二维条码可以分为堆叠式二维条码和矩阵式二维条码。堆叠式二维条码形态上是 由多行短截的一维条码堆叠而成，矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元 素位置上用点的出现表示二进制“l ”，空的出现表示二进制“0 ”，由点的排列组合确 定了代码表示的含义。有代表性的堆叠式二维条码包括p d f 4 1 7 、c o d e4 9 、c o d e1 6 k 等。有代表性的矩阵式二维条码包括c o d eo n e 、a z t e c 、d a t am a t r i x 、q r 码等。二维 条码可以使用激光或c c d 阅读器识读。 二维条码能够将任何语言( 包括汉字) 和二进制信息( 如签字、照片) 编码，并 可以由用户选择的不同程度的纠错级别以及在符号残损的情况下恢复所有信息的能 力。 表4 1 为几种典型的二维条码情况介绍。 华中科技大学硕士学位论文 表4 - l 几种典型的二维条码 条码名称p d f 4 1 7q r c o d e a z t e cd a t am a t r i xc o d e o n e 外形长方形正方形正方形正方形正方形 数字最大容量 2 7 0 07 0 0 03 8 0 03 1 1 63 5 5 0 字母最大容量1 8 0 0 4 2 0 03 0 0 02 3 3 52 2 1 8 字节最大容量 1 1 0 02 9 0 01 9 0 0 1 5 5 61 4 7 8 汉字最大容量 5 5 01 8 0 09 5 07 7 87 3 9 最大纠错能力 5 0 3 0 9 9 2 5 3 5 最大识读精度 6 m i l6 m i l6 m i l6 m i l6 m i l 识读方式激光式c c d c c dc c dc c dc c d 标准删国标a i m 国标a i ma i ma i m 创立时间1 9 8 9 年1 9 9 4 笠9 0 年中9 0 年代9 0 年代初 应用情况世界广泛较少较少较少较少 由于二维条码具有成本低、信息可随载体移动、不依赖于数据库和计算机网络、 保密防伪性能强等优点，在我国极有推广价值，可以应用在以下一些方面： ( 1 ) 证件管理 由于二维条码可以把照片或指纹编在二维条码中，有效地解决了证件的可机读及 防伪等问题，因此可广泛地应用在护照、身份证、驾驶证、暂住证、行车证、军人证、 健康证、保险卡等任何需要唯一识别个人身份的证件上。 ( 2 ) 执照年检 行车证、驾驶证的年审，各种工商营业执照、税务登记证、卫生检疫证、企事业 代码证、统计登记证等各种政府部门登记