（机械电子工程专业论文）基于数字图像的数控切绘机自动编程系统研究.pdf

摘要 摘要 数控切绘机是一种综合了计算机技术、数字控制等多种技术的自动化切绘设 备。且前，国内能生产数控切绘机的厂家只有少数几家，从事数控切绘机 c a d c a m 研究的厂商和科研机构更是少之又少。 本课题将数字图像技术应用到了数控切绘机系统软件中，使系统可以处理数 据量巨大的数字图像，并将其自动转化成控制系统可以识别的数控加工代码，大 大提高了编程效率。软件系统采用v i s u a lc 十+ 6 0 进行开发，系统功能齐全、人机 界面友好、操作简单、性能稳定，可广泛应用于服装、制鞋、包装、玻璃雕刻以 及工程制图等行业。 研究了国内外自动编程系统的技术现状，提出了运用数字图像处理和计算机 技术研究开发“基于数字图像的数控切绘机自动编程系统”的总体方案，对完成 整个系统所要做的主要工作和涉及到的关键技术做了介绍。 设计了图像的预处理流程，它包括图像平滑、图像二值化、形态学去噪和图 像边缘提取。针对本课题的研究对象，在对图像进行去噪处理时，算法的选取综合 考虑了去除噪声和不损失图像轮廓信息这两方面的因素，所以在对灰度图像进行 去噪处理时采用是的中值滤波法，在二值化后，本文则采用数学形态学去除噪声； 在图像二值化操作时，为了更准确的确定阈值，本文采用了一种迭代的方法来求 取；提取图像的边缘时，为了提高程序的运行速度，本文直接采用了邻域的方法 来求取图像的边缘，此方法让程序计算时间大为缩短。 研究了轮廓的边缘跟踪和图像矢量化技术，设计了d x f 文件接口。在流程上， 系统首先利用f r e e m a n 链码对图像边缘进行跟踪，接着采用直线段法对跟踪所得 到的轮廓进行拟合，最后将拟合好的轮廓信息以矢量文件保存。文章还给出了读 取和生成d n f 文件的方法。 开发了“基于数字图像的数控切绘机自动编程系统”软件，设计了图形处理、 代码生成、轨迹仿真以及文件格式转换等功能模块。 关键词：敦控切绘机；数字圈像处理；自动编程系统 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) c u t t i n gp l o t t e ri sak i n do fa u t o m a t i cc u t t i n gd e v i c e ， w h i c hs y n t h e s i z e st h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs c i e n c ea n dd i g i t a lc o n t r 0 1 n o w , o n l y s e v e r a lf a c t o r i e sc a l lp r o d u c et h en cc u t t i n gp l o t t e ri no u rc o u n t r y h o w e v e r , t h e n u m b e ro ff a c t o r i e so rs c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sw h i c hr e s e a r c ho nn c c u t t i n g p l o t t e rc a d c a mi se v e ns m a l l e r i nt h i sp a p e r , d i g i t a li m a g et e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h es y s t e ms o t h e a r eo f n c c u t t i n gp l o t t e r , s ot h es y s t e mc a r ld e a lw i t hh u g ei m a g ea n dt r a n s l a t ei ti n t on cc o d e w h i c ht h ec u t t i n gp l o t t e rc a ni d e n t i f y a n dt h i sm e t h o di m p r o v e st h ep r o g r a m m i n g e f f i c i e n c y t h ev c + + 6 0i sa d o p t e dt od e v e l o p5 0 f t - n v a r ew h i c ho b t a i n sp o w e r f i a l f u n c t i o n ，f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o na n dg o o ds t a b i l i t y i tc a nb ew i d e l y u s e di nt h ea r e a so fc l o t h e sm a k i n g ，s h o em a k i n g ，p a c k a g i n ga n de n g i n e e r i n g d r a w i n g ， t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo fa u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a d i ss t u d i e d t h i sp a p e rp r o p o s e sas c h e m ed e v e l o p i n ga u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e m o fc u t t i n gp l o t t e r , a n di n t r o d u c e st h em a i nc o n t e n ta n dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e s y s t e m t h ef l o wo fi m a g ep r e t r e a t m e n t , w h i c hi n c l u d e s i m 鲳es m o o t h , i m a g e b i n a r i z a t i o n , m o r p h o l o g i c a lf i l t e ra n di m a g ee d g ed e t e c t i o n , i sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h es t u d y i n go b j e c t ，w h e np r o c e s s i n gg r a yi m a g e ，t h em e d i a nf i l t e ri sc h o s e n , a f t e r i m a g eb i n a r i z a t i o n ，t h em o r p h o l o g i c a lf i l t e ri sc h o s e n t h ei t e r a t i o nm e t h o di s a d o p t e di no r d e rt oo b t a i nt h ea c c u r a t et h r e s h o l d w l l e nd e t e c t i n gi m a g ee d g e t h e n e i g h b o r h o o dm e t h o di ss e l e c t e df o rt h eh i g h e rr u n n i n gs p e e d t h eb o u n d a r yt r a c k i n ga n di m a g ev e e t o r i z a t i o na l es t u d i e d ，t h ei n t e r f a c eo f d x ff i l ea l s oh a sb e e nd e s i g n e d f i r s t ，s y s t e md o e sb o u n d a r yt r a c k i n gw i t ht h e m e t h o do f f r e e m a nc h a i nc o d e ；s e c o n d ，i td o e sf i t t i n gw i t ht h em e t h o do f m u l t i l i n e ； f i n a l l y , s y s t e ms a v e st h er e s u l ta sd x ff i l e t h ep a p e ra l s og i v e st h em e t h o d so f r f r e a d i n ga n dc r e a t i n gd x f f i l e s t h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e mo fn cc u t t i n gp l o t t e rb a s e d0 1 3 d i g i t a l i m a g o h a sb e e nd e v e l o p e d , t h ei m a g ep r o c e s s i n g a n dm o r e o v e r , n cc o d e g e n e r a t i n g ，c u t t i n ge m u l a t i o na n d f i l et r a n s l a t i o nh a v eb e e nd e s i g n e d k e yw o r d s ：n u m e r i c a l c o n t r o l c u t t i n gp l o t t e r ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ； a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e m 1 1 1 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示 了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签名： 论文作者签名： 7 4 0 0 ) 年6 - 月弓f 日 彳 盆增到抚 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着制造业的快速发展，在制造全过程以及制造理念上融入信息科学、 材料科学、计算机科学等新的知识和技术是当前制造业的一大特点【1 1 1 2 。作为 在制鞋、箱包等领域广泛应用的数控切绘机也同样面临着应用最新技术进行 升级换代以更好适应企业需求的课题 3 1 。如图1 - 1 所示，在制鞋企业里，鞋样 的设计大多由经验丰富的样板师手工制作完成，为了制作鞋样还要经过以下 步骤 4 1 ： 1 ) 将做好的样板以数字化形式输入c a d 系统； 2 ) 在c a d 系统内根据所需鞋样的尺寸对做好的样板进行扩缩； 3 ) 将扩缩好的各种尺寸样片信息转换为数控加工代码； 4 ) 将代码发送到切绘机制成样片； 5 ) 根据做好的样片进行排样、算料； 6 ) 送交工厂加工。 经验丰富的制板师 手工设计、制作 样板师ji 样板数 制板r 字化 扫描样板，输入电 脑，再在c a d 软件 中打开该图像，由 有经验的绘图员在 另一图层中对照描 出图样 样片扩 缩 在第三方软件( 如 华士特) 中对描好 的图样进行扩缩 将扩缩好样片以 h p g l 文件格式保 存，送交切绘机加 工出样片 切苍样l _ 一排样 门 将切好的样片再扫 描，输入排样软件 ( 如新易排刀) 排 样，算料 按排样的结果加工 布料 图1 - 1 制鞋流程 f i g 1 - 1t h ef l o wo f s h o e m a k i n g 照样加 广东工业大学工学硕士学位论文 在以上的各个步骤中，企业为了提高效率开发了许多设计辅助软件，但是， 目前鞋样的设计、扩缩、排样以及切绘加工软件往往由不同厂家提供解决方案， 相互协调性差，往往要做很多重复性的工作，在时间和经济上造成了很大浪费。 目前，在切绘机行业还没有一款真正能做到“自动编程”的辅助软件。 基于以上原因，笔者展开了基于数字图像的数控切绘机自动编程系统开发， 系统将集成扫描样板、样板图像处理、数控代码生成和人机交互等功能，进一步 提高行业的自动化水平。 1 2 自动编程技术的发展 所谓“自动编程”是指由计算机进行工艺处理、数值计算、编写零件加工程 序、自动地输出零件加工程序单，并将程序自动地记录到控制介质上，或者由通 讯接口将程序直接送到数控系统，从而控制机床进行加工的编程方法。 美国最早展开自动编程技术的研究。5 0 年代初，m i t 在美国空军的资助下， 研制成功了世界上第一台数控铣床。之后，m i t 的电子系研究所在美国空军资助 下，开始研究专门用于数控加工编程的软件工具a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m i n gt o o l s ) ，并在当年年底研究成功了a p t 的第一个版本a p ti 。经过多 次改进，m i t 又相继公布了a p t i i 和a p t i v 。到了8 0 年代，a p t 己发展到具有定义和 编制复杂曲面加工程序功能的a p t i v s s 。虽然a p t 的功能不断增强，但往往需要 大型计算机，使a ”的推广使用受到了限制。所以，各厂家和研究单位根据加工 零件的特点和用户的不同需要借助于a p t 语言的思想体系先后开发出了许多具有 各自特点的数控编程系统，如美国的a d a p t ，a v t o s p o i ，u n i a p t ：德国的e x a p t ； 英国的2 c l ；日本的f a 盱：日本德国合作的g i n i a p t ：我国的s e c ，2 c x ，c 删一2 5 l 等自动编程系统【”。 a p t 系统及其派生系统都属于语言自动编程系统。这些系统的编程方法【6 】是： 在分析零件加工工艺的基础上，根据零件图纸和数控语言手册，用具有一定语法 格式的语言编写源程序，输入计算机，经编程系统翻译、处理成刀具位置数据， 最后经后置处理产生符合数控机床要求的加工程序。使用a p t 语言自动编程可将 数学处理及编写加工程序的过程交给计算机，从而提高了编程速度与精度，解决 了某些手工编程无法解决的复杂零件编程问题。然而，这种方法也有不足之处。 2 第一章绪论 由于a p t 语言是开发较早的计算机数控编程语言，而当时计算机图形处理能力不 强。因而必须在a p t 源程序中用语言的形式去描述本来十分直观的几何图形信息 及加工过程，再由计算机处理生成加工程序，致使这种编程方法直观性差，编程 过程复杂抽象，不易掌握且编程过程不便于进行阶段性检查。况且，语言编程是 由编程人员根据零件图纸，结合加工工艺手工编写源代码，再由编程系统生成数 控代码，因而从零件设计到数控加工程序的生成各部分工作相互隔离，不能在同 一集成环境内完成，影响编程效率。还有一个问题是a p t 语言经过近3 0 年的发展， 功能大而全，使其语言专用词多，语法规则复杂多样，要在短期内掌握它决非易 事，从专业角度来讲，它的用户界面不太友好。虽然各国开发了不少a p t 的派生 语言( 子集) ，以适应不同行业需要，但上述问题仍未解决。 近年来，随着计算机技术的迅速发展，计算机图形处理能力有了很大提高， 因此，一种可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控j j 0 7 - 程序的全新计算 机辅助编程技术图形自动编程技术便应运而生川。采用图形自动编程技术 时，首先由设计人员进行计算机辅助零件设计，生成设计图；同时，编程人员在 分析零件加工工艺的基础上，用图形交互方式直接在设计图上规划加工过程，并 从数据库中自动检索或人工输入工艺信息，形成加工工艺数据；接下来，系统根 据设计图形信息和加工工艺数据自动计算出刀具运动轨迹，生成刀具位置数据； 最后经后置处理产生数控加工程序。生成的数控加工程序可在计算机屏幕或绘图 仪上进行运动轨迹的模拟与动态仿真，以检查生成程序的正确性与合理性。这种 编程方法与a p t 等语言自动编程方法相比，具有速度决、精度高、直观性好、使 用简便、便于检查、便于与c a d 软件有机联系在一起实现c a d c a m 一体化等优点。 因此，“图形自动编程技术”已成为目前国内外最受关注的数控编程方法。 我国从6 0 年代中期开始数控自动编程方面的研究【8 j ，7 0 年代以a p t 为蓝本研 制出二维半坐标功能的数控加工自动编程系统s k c 系列、z c x 系列、c k y 系列等。 后来又研制出具有复杂曲面编程功能的c a m 2 5 1 数控加工绘图语言等系统，功能也 从二维半扩大到3 ，4 ，5 坐标。近年来又推出了h z a p t ，e x a p t 等微机数控语言自 动编程系统。图形自动编程系统近年来有所发展，出现了一些商品化软件，如北 京高华软件公司的高华c a m 软件、浙江大天电子信息工程有限公司开发的 g s c a d c a m9 8 、广州红地技术有限公司开发的金银花系统、华中科技大学机械 广东工业大学工学硕士学位论文 学院开发的开目c a m 系统以及西北工业大学金叶软件公司开发的n u i 卜- c a d c a m 系 统。但是，总的看来，我国在以图形自动编程技术为核心的c a d c 埘技术方面仍 然较为落后，无论从开发水平，商品化、市场化水平还是应用状况来看都与发达 国家存在较大差距。而且，目前国外一些优秀的c a d c a m 公司正大举进军我国市 场并占有越来越多的市场份额，我国自己的以图形自动编程为核心的c a d c a m 软 件前景不容乐观。 1 3 数控切绘机的数控技术现状 国内外出现了很多数控编程软件，国外开发出的数控编程软件功能强大，一 般的图形化编程系统( 如u g ，m a s t e rc a m 等) 仅能生成符合i s o 和e i a 标准的加工代 码，这样就不适合国产数控切绘机的使用，只能对系统进行二次开发方可使用； 国外大型数控软件系统价格昂贵，一般来说中小企业难以承担，它们的操作环境 各不相同，有时还需要进行二次开发才能满足要求，为摆脱依赖国外软件的困境， 开发国内具有自主版权的数控系统非常有必要。国内也出现很多有关数控编程系 统的软件，它们各有特色，一些系统以国外大型软件( 如u g ，m a s t e rc a m 等) 为基 础进行二次开发，适应范围窄；有些系统是在通用c a d ( 如a u t o c a d ) 平台下进行开 发的软件，功能小，难以推广；有些国产软件( 如c a x a ，y h 等) 功能也很强大，但 是很多地方并不完善，还有许多需要研究。大多数图形编程系统相关的底层技术 较少公开，有研究的必要。数控软件的系统存在很多不足，需要不断的改进，所 以有必要开发一套适用性强，界面友好的面向中小企业的数控切绘机自动编程系 统。 1 。4 本课题的目的和意义 数控切绘机是一种应用于服装、鞋帽、箱包、制革、玻璃雕花等轻工企业的 数控设备，它改变了以往轻工行业中设计、生产过程依靠手工操作的状况，缩短 了设计周期，提高了生产效率，所以得到了广泛的使用。但是，普通切绘机只是 使用一般的c a d 系统进行辅助设计和加工，其建模的方式是一个二维图形的绘制 过程，在实际操作中比较繁琐。比如：图像上的自由曲线要作为输入，其手工在 c a d 上绘制就非常费时，如果可以直接将图像信息转化成曲线，对工程师而言就 4 第一罩绪论 很方便；在某些特定情况，如：输入只是一个模型的轮廓形状但是无法获知其精 确尺寸时，像由有经验的设计师做的样板图( 这种情况在制鞋业中非常普遍) 。 此时若采用c a d 系统一笔一画造型则非常繁琐。 随着计算机技术和数字图像处理技术的发展，这一现象得到了改观。本文拟 研究开发的“基于数字图像的数控切绘机自动编程系统”，是将图形自动编程技 术与数控切绘加工技术结合应用的成果，它能自动完成“图像扫描输入图像 预处理图像矢量化数控代码生成”这一系列过程，针对处理结果，系统 还提供了人机交互模块供用户随时查看，必要时可以进行人工干预。 该系统开发可以进一步弥补数控切绘机在造型功能上的不足。同时，在数控 切绘机上增加基于图像数据的自动编程系统，大大提高了数控切绘机的适用性。 1 5 本课题的主要工作 基于数字图像的数控切绘机自动编程系统工作流程如图1 2 所示。 图1 2 系统的工作流程 f i g 1 - 2 t h ef l o w o f s y s t e m 首先，利用平面扫描仪将样板图输入计算机系统，然后对图像进行平滑、二 值化等预处理，再通过边缘检测得到图像的边缘轮廓，接着对得到的边缘轮廓进 行边缘跟踪，将边缘以链表的形式保存下来，并对链表形式的边缘进行拟合，将 拟合好的边缘以矢量文件形式存储下来，最后再将图像的矢量信息生成数控加工 广东工业大学工学硕士学位论文 代码，以驱动切绘机进行切绘加工。 1 5 1 各模块的功能设计 该系统由图像预处理、图像矢量化、人机交互和数控代码生成等模块组成。 1 ) 图像预处理模块：在该模块中主要实现两个功能。一是样板图的数字化 转换和图像存储：二是对输入的数字图像进行中值平滑、二值化、形态学去噪和 边缘提取等预处理。 2 ) 图像矢量化模块：该模块的内容主要包括两个方面，一是对经过预处理 操作的图像进行轮廓跟踪、曲线拟合等操作，将数字图像的轮廓以矢量化的形式 保存下来；另一个是设计矢量文件接口，方便“基于数字图像的数控切绘机自动 编程系统”与其它c a d 系统进行信息交换。 3 ) 人机交互模块：为用户提供一个人机交互环境，让用户实现如图像的缩 放、旋转、校正、修复、擦除以及鼠标点选等功能。 4 ) 数控代码生成模块：对处理好的矢量轮廓进行解释，生成切绘机运动控 制系统可以识别的加工代码。 1 5 2 关键技术 在整个系统的设计中，笔者将要重点解决以下几个问题： 1 ) 正确提取图像边缘 图像的边缘是我们最感兴趣的信息，同时它也是后续矢量化和最终切绘加工 的依据，所以正确提取图像边缘决定着整个处理的成败。要想准确无误的提取出 图像边缘需要考虑的不仅仅是边缘提取算法的选择问题，而且要包括图像扫描输 入和预处理的每一个细节。扫描时图像以灰度图保存，就是为了在处理速度和尽 量不丢失图像信息间找到一个平衡；图像平滑采用中值滤波，考虑到的就是它可 以有效的去除噪声，同时又保护了图像的边缘。 2 ) 选取合适的曲线拟合算法 数控切绘机的主要应用领域是制鞋业。制鞋的流程中包含着对样板图进行扩 缩以得到不同码数鞋样的工序，所以对于处理好的样板图，其轮廓曲线的光顺程 度必须达到一定要求；同时，切绘工作最终要通过数控切绘机完成，所以，轮廓 6 第一苹绪论 曲线的表达方式也要考虑到编程实现和数控插补的方便性。综合考虑以上两点， 本文最终选取了多直线拟合法对曲线进行拟合，它一方面可以通过设置合适的阌 值来控制误差以达到相应的光顺度；另一方面，该算法程序和最终的数控插补都 非常容易实现，并且效率高。 3 ) 文件接口的设计 文件接口是系统输入、输出和保存信息的通道。在输入模块中，只有定义好 了各种常用的图像格式和c a d 文件格式后，系统才能实现各种常用格式文件的读 取和显示。同时，为了更好的利用其它专业c a d 软件的资源，系统还应将处理结 果以c a d 软件通用的格式保存起来，实现与其它c a d 系统的“资源共享”。在本系 统中，笔者在静态库中集成了b m p 图像、d x f 文件和h p g l 文件等的格式信息，同时， 系统还会将最终的处理结果以d x f 文件保存。 4 ) 人机交互功能的实现 人机交互功能是为用户查看和编辑系统处理结果而设计的。系统的自动处理 毕竟还是不能完全替代人的脑力劳动，在处理复杂的输入图像时，用户往往需要 在加工之前查看处理结果，以确定跟自己的想法相符。如果出现异常，就需要利 用该功能进行补救性修改。人机交互实现的难点在于用什么样的数据结构和算法 实现这些功能。 1 6 本章小结 本章首先根据当前数控切绘机市场的现状和传统制鞋流程，提出了运用数字 图像处理和计算机技术研究开发数控切绘机自动编程系统的方案。接下来，笔者 介绍了自动编程系统和数控切绘机辅助c a 3 软件的国内外现状，指出了研究基于 数字图像的数控切绘机自动编程系统的目的和意义。最后，笔者对完成整个系统 所要做的主要工作和涉及到的关键技术做了介绍。 7 第二章图像预处理 数字图像处理f 9 】又称为计算机图像处理，它是指将模拟的图像信号转换成离 散的数字信号并利用计算机对其进行处理的过程，其输入是原始图像，输出则是 改善后的图像或者只是从图像中提取出的一些特征，以提高图像的实用性，从而 达到人们所要求的预测结果。本课题要研究的内容是对图像边缘进行提取并以此 为依据进行切绘加工。因此，如何在不损失图像边缘基本信息的前提下正确提取 出图像的轮廓是处理的关键。基于以上考虑，在图像的预处理环节( 进行矢量化 前) 里，系统对输入图像进行的处理依次为；中值平滑、二值化、形态学去噪和 边缘提取。其流程如图2 一l 所示： 扫 中 形 边 描值 二 态 缘 输 亚 值 学 检 化去 入滑测 噪 图2 - 1 图像预处理流程 f i g 2 - 1t h ef l o wo f p r e t r e a t m e n ti ni m a g e - p r o c e s s i n g 2 1 图像的数字化与存储 2 1 1 图像的数字化 在本文的研究中，待输入的加工信息为样板图或者是在c a d 软件里设计好的 图样。对于后者不需要进行数字图像处理操作，所以在本章不进行叙述。若输入 为样板图，由于计算机仅能处理离散数据，因此必须通过扫插仪读入原始图像， 经光电转换形成便于计算机存储的离散数据集，即所谓的图像数字化处理。这一 过程通常包括三个基本单元( 如图2 - 2 所示) ：成像系统、采样系统、量化器【l 训。在 普通台式平面扫描仪中，这三个基本单元分别对应着光学成像系统，c c d 电荷耦 合器件和a d 模数转换器。扫描仪的分辨率【l l 】可由几个像素英寸到上千像素点 8 第二章图像预处理 英寸，若分辨率选得太高，会导致生成的图像文件太大，从而大大增加计算量； 若分辨率选太小，刚图像的清晰度得不至保证，并且图像所包含的信息量也会严 重不足。因此，扫描时要选取合适的分辨率，这样既有利于有效数据的存储又可 以提高处理速度。笔者在综合考虑了图像的实际应用和图像文件的大小后，一般 取3 0 0 5 0 0 像素点英寸。 堕蔓划甓譬系箩i 墨! 兰剁采雯系警| _ 一量化器| _ 墨! ! ! 坐 g d ( x , y ) j丛! ! 丝 ! ! 竖! 丝i 二二二l 实物采样图像 数字图像 图像 2 1 2 图像的存储 图2 2 图像数字化系统 f i g 2 - 2t h ed i g i t a ls y s t e mo fi m a g e 数字化转换完成后，图像必须以一定的格式保存。不同的操作系统，不同的 图像处理软件往往有不同的图像格式。目前，比较常用的图像格式有b i v i f 、g i f 、 t i f f 、j p e g 等。其中，b m p 为设备无关位图l l ”，它描述了图形的实际外形，自 带颜色信息，其调色板的管理也非常容易，同时，由于是w i n d o w s 自带的位图 格式，其应用也非常广泛，所以，笔者最终选用了b m p 格式来保存图像。b m p 文件结构如表2 1 所示。 表2 1b e a 文件结构 t a b l e2 - 1t h ec o n f i g u r a t i o no f b m p 位图文件头b 1 1 m a p f i l e 玎j a d e r 位图信息头b i t m a p i n f o h e a d e r 调色板r g b q u a d 位图图像数据i m a g e d a t a 9 2 2 图像平滑 样板图在数字化和存储时，由于受电压、机械抖动以及扫描仪本身电子元器 件等的影响，图像里包含了大量的噪声【1 3 l 。图像噪声的存在为后续的边缘提取工 作带来了较大困难，图像平滑的目的就是消除图像的固有嗓声、扫描输入过程中 带来的噪声和图像传输中带来的噪声，去除图像中的干扰信息。 图像平滑的方法可以分为空间域和频率域两种。空间域的图像平滑如局部平 均法，频率域的图像平滑如低通滤波法、多图像平均法等。这两类图像平滑方法 都能达到消除噪声的目的。但是，它们同时也会带来负面影响，那就是使图像边 缘模糊，从而加大边缘提取的难度。基于这种考虑，本文最终采用了中值滤波法 进行图像平滑，它的优点1 1 4 】是：既可以有效的去除噪声，同时又保护了图像的边 缘。 2 2 1 中值滤波 中值滤波”1 是一种非线性的信号处理方法，该法于1 9 7 1 年由j w j u k e y 首先 一组数而，x 2 ，x 。，把玎个数按值的大小顺序排列如下：x n x ，2 ， y = a 白矗扛。，x ：，j 。；= 丢。x 。三菱，。；+ 。，篓： e z 一， y 称为序列x 1 ，工：，x n 的中值。例如有一序列为( 7 6 ，9 2 ，2 0 5 ，1 0 8 ，1 3 7 ) ，则这 替。设输入序列为k ，i 1 ，为自然数集合或其子集，窗口长度为”。则滤波 1 0 器输出为： j ，= m e d x 。 = m e d x 。，五工。 ( 2 - 2 ) 其中f ，“：掣。 常数丘与序列厂( f ) 进行算术运算的中值有如下关系存在： m e d k f ( i ) = k m e d f ( i ) m e d k + ，( ，) = k + m e d f ( i ) ) 对几种基本信号进行中值滤波的例子如图2 3 所示【1 6 】。 原信号均值滤波 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 中值滤波 ( a ) 阶跃 彻斜波 ( c ) 单脉冲 ( d ) 双脉冲 ( c ) 三角波 图2 - 3 几种基本信号的滤波结果 f i g 2 - 3t h e r e s u l t so f m e d i a nf i l t e r i n go ns o l d eb a s i cs i g n a l s 正止止 图2 3 ( a ) 中是阶跃信号，经中值滤波后仍然保持了阶跃部分；图2 3 ( b ) 中， 原始信号是斜坡信号，滤波后也保持了其形状；图2 3 ( c ) 中的原始信号为单脉冲 信号，经滤波后消去了这个脉冲；图2 3 ( d ) 中的原始信号是双脉冲信号，经中值 滤波后也被消去了；图2 3 ( e ) 的原始信号是三角波信号，滤波后虽然有少许变形， 但也还基本保持了原来的形状。 中值滤波的概念很容易推广n - - 维，此时可以利用某种形式的二维窗口。设 纯，( f ，_ ，) 1 2 表示数字图像各点的灰度值，滤波窗口为a 的二维中值滤波可定 义为 y g = m e d a x p = m e d x 0 + ，) ( ，+ ；) ，s ) a ，( f ，歹) 1 2 ( 2 5 ) 二维中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波器效果影响很大。不同图像内容和不 同应用要求往往选用不同窗口尺寸。常用的二维中值滤波器窗口形状有方形、圆 形、十字形等。 2 2 2 算法实现 中值滤波的思想 1 7 1 是用邻域中灰度的中值代替图像当前像素点的灰度值。邻 域中灰度的中值不受个别噪声毛刺的影响，因此中值平滑相当好地消除了冲激噪 声。由于普通的中值平滑算子在每个像素位置上都要对矩形内部的所有像素进行 排序，这样运算开销非常大。研究图像的平滑过程，很容易发现当窗口沿着行移 动一列时，窗口内容的变化只是丢掉了最左边的列而取代为一个新的右侧列，对 于m 行n 列的中值窗口，朋栉一2 m 个像素没有变化，并不需要重新排序。基于 这种思想，本文采用了一种改进的中值滤波算法： 1 ) 设置腑：孚。 z 2 ) 将窗口移至一个新行的开始，对其内容排序。建立窗口像素的直方图h ， 确定其中值r e e d ，记下灰度值小于或等于r e e d 的像素数目i tr e e d 。 3 ) 对于最左列灰度值为p 。的每个像素p ，做： h i p g 】= 日 p g 卜1 ( 2 6 ) 1 2 第二章图像预处理 如果p g r e e dr 置跆一r e e d = i t r e e d l 4 ) 将窗口右移一列，对最右列灰度为p g 的每个像素p ，做 矧。】= h p 。】+ 1 如果p g t h 则转6 。 重复 r e e d = m e d4 - 1 i t r e e d = i t r e e d4 - h m e d 直到i t m e d 2 t h ，则转7 。 6 ) 重复 r e e d = r e e d 一1 i t r e e d = 厅一r e e d h m e d 】 直到i tr e e d t h 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) f 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 7 ) 如果窗口的右侧不是图像的右边界，转3 。 8 ) 如果窗口的底行不是图像的下边界，转2 。 本文使用了5 5 的模板对原始图像进行中值滤波处理，处理的结果如图2 - 4 所示： ( a ) 原始图像( b ) 中值平滑后的图像 图2 - 4 中值平滑效果图 f i g 2 - 4t h ee f f e c to f m e d i a nf i l t e r i n gp r o c e s s i n g 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 图像二值化 在图像矢量化处理系统中，需要对2 5 6 级灰度图像进行二值化处理。经过二 值化处理后的图像，数据信息量可大大减少，对内存的要求也会大大降低。而且 二值图像能够用几何学的概念进行图像分析和特征描趟1 8 1 。图像矢量化处理系统 正是需要利用二值图像的这些性质。将灰度图像二值化，实际上就是对其进行阈 值化处理。所以，只要选取合适的阈值就能达到二值化的目的【。 2 3 1 阈值化原理 如果给定图像，具有灰度级范围 z ，乙】，f 是z ，和乙之间的任一个数，则 设置阈值为r 的结果是z i 一- - 值图像z ，它由下式定义【2 0 】 f a x , y ) = ： 如厂( 工，y ) ， 女玎厂( 工，y ) ， ( 2 - 1 2 ) 还可以把设置阂值运算考虑为；把一些规定的灰厦级范围变换为l ，而把这 些范围以外的灰度级变换为0 。例如：由下式 训) = 惦虢兰 ( 2 1 3 ) 他( t y ) ：1“三 2 鬯：” ( 2 1 4 ) 无，v 】”2 0 其余各点处 。2 一 确定的二值图像厂4 和，；。】也可看作的“已设置阈值”形式。通常，如果z 是任意灰度级的集合，z 【z 1 ，z ：】，即可定义广义的“设置阈值”运算，它将 在z 中的灰度级变换为1 ，而将不在z 中的灰度级变换为0 ，即定义二值图像为： ，y ) ：j ! 。f ( x , y 。) e z ( 2 - 1 5 ) l ( x ，y ) 2 1 0其余各点处 对图像数据作阙值运算是最广泛采用的预处理方法。这一方法把灰度图像转 换为二值阵列。在工业应用中可通过这种方法把对象从背景中分割出来。所得的 二值图像可进一步加以处理以决定对象边界形状、面积以及其它需要保留的特征 信息。二值化处理的主要难点是如何选择适当的闽值，从而得到理想的分割。 2 3 2 常用的阈值确定法 传统的阂值确定方法有很多【2 1 1 1 2 2 1 ，常见的有以下几种： 1 ) 中值设置 最简单的办法是把闺值取为图像灰度值极值之间的中点。计算中点比较容 易，而且具有不受照度影响的性质。假如在视野范围内照明均匀，此法可以很好 地在轮廓应用中工作。 2 ) 求平均值 如果图像存在假的极值( 如有闪光或高亮光) ，那么上面的方法不能生效。克 服这种困难的另外一种常用方法是求平均值的方法。即把图像数据在一个适合需 要的分割区间内求平均值，然后以这个变动的平均值为参考来决定阈值的选取。 这种方法对照明的梯度没有反应，然而可能导致分割不成功，当平均值随所感兴 趣的对象的强度变化时就将出现这种情况。 3 ) 灰度直方图分析 分析灰度直方图的方法是前面两种方法的推广，从像素灰度值的分布来求一 个理想的阈值。如果一个阈值是有意义的，在图像中必然出现强度不同的两个类。 如果把阈值取为直方图上两个峰值之间的极小值，两个类将很好地分开。 4 ) 分类 有时候用来选择阈值的另一个方法是分类概率，在图像中出现一类或更多类 时常用此法。阈值是变化的，直到成功地达到对图像进行分类为止。这自然要假 定所讨论的类是充分可分开的，用不着多重分类。这种方法在文字识别和简单的 检测工作中能够生效。 2 3 3 算法实现 本文采用了分类法，用迭代运算最终确定阚值，具体算法如下： ( 1 ) 、求出图像中最小灰度值和最大灰度值，令初始阈值为： r 。：互堕 ( 2 1 6 ) z f 表示图像中最小的灰度值，么表示图像中最大的灰度值。 ( 2 ) 、根据阈值丁。将图像分成目标和背景两部分，求出两部分的平均灰度值 z d ，么丑 z ( i ，) ( f ，) z 。= 坐皂而厂 q 1 7 z ( i ，) n ( i ，) z a2 丝毫f 矿 q 1 8 z ( f ，p r 式中z ( i ，) 是图像上( f ，_ ，) 的灰度值，n ( i ，j ) 是( f ，力点的权重系数，一般 n ( i ，) = 1 0 。 ( 3 ) 、求新阈值： p ，：掣每( 2 - 1 9 ) ( 4 ) 、如果丁= t “，程序结束。否则k = k + 1 ，重新运行步骤2 。 迭代运算的流程图如图2 4 所示： 图2 4 迭代运算流程图 f i g 2 - 4t h ef l o wo fi t e r a t i v eo p e r a t i o n 1 6 第二章图像预处理 2 4 形态学去噪 图像二值化【2 3 】是一个取阈值的过程，它会带来噪声【2 4 】，最为常见的是会使 图像边缘出现毛刺、孤立点、孔洞之类的缺陷，这些噪声的存在对后续边缘提取 操作同样有不容忽视的影响，有时甚至会因为噪声的存在，在边缘提取后原图的 拓扑结构被完全改变，从而最终影响矢量化效果。所以，必须对这些缺陷进行修 补才能提取出正确的样板边缘。数学形态学提供的算法瞄】彳艮适合对图像作去噪处 理，它可以提取重要的形状特征，处理图像产生的孤立点、断点、空穴、毛刺等 噪声，消除细小斑块，光滑图像边界。 2 4 1 数学形态学的基本运算 数学形态学 2 6 1 是一门建立在严格的数学理论基础上的科学，是一门综合了多 学科知识的交叉科学。其基本思想是用具有一定形态结构的结构元素去探测一个 图像中的形态，解决图像的理解分析问题。数学形态学在图像的噪声消除、细化 处理、图像分割、纹理识别等处理中有广泛的应用【2 7 】【2 翻。 数学形态学中有4 个重要的运算： 1 ) 膨胀( d i l a t i o n ) 运算符号计为o 2 ) 腐蚀( e r o s i o n ) 运算符号计为 3 ) 开( o p e n i n g ) 运算符号计为o 4 ) 闭( c l o s i n g ) 运算符号计为 设x 为目标图像数据集，b 为结构元素，丑，为b 的核，则： 1 ) 膨胀运算：x o b = 缸：风n z q = 红：b xf l x ) ( 2 - 2 0 ) 该运算表明的膨胀过程是b 首先作关于原点的映射，然后平移x 。x 被b 膨胀是 b 的映射被所有平移x 后与x 至少有一个非零公共元素。膨胀运算在数学形态学中 的作用是把图像周围的背景点合并到物体中。如果物体间距较小，则膨胀运算可 使两物体连通。膨胀对填充图像中的孔洞有用。 2 ) 腐蚀运算：x ， b = 扛：疋c 椰 ( 2 - 2 1 ) x 被b 腐蚀的结果是所有使b 被x 平移后包含于a 的点x 的集合。腐蚀在数学形态 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 学中的作用是消除物体边界点。如果两物体问有细小的连通，那么当结构元素足 够大时，通过腐蚀运算可使两物体分开。 3 ) 开运算：z 。b = ( 婀b ) 0 b( 2 - 2 2 ) x 被b 开运算就是x 被b 腐蚀后的结果再通过被b 膨胀来恢复。这一恢复结果不 是信息无损的，一般得不到原始图像x 。 4 ) 闭运算：z b = ( j 0 b ) o b ( 2 - 2 3 ) x 被b 闭运算就是x 被b 膨胀后的结果再通过被b 腐蚀来恢复。这一恢复结果也 不是信息无损的。 笔者在这里只给出数学形态学的相关结论，更详细的论述可参阅有关的技术 文献【2 9 l 【3 0 1 【3 l l ，图2 5 为几种基本的数学形态学运算效果： 消除噪声主要用开和闭两种运算来实现，从图中可知，开运算可以把比结构 元素小的孤立部分滤去，闭运算可以把比结构元素小的“洞”补齐，两种运算结 合使用完成噪声消除。 露 幸 ( a ) x ( b ) b( c ) z o b ( d ) x o b( e ) x