论文激光雕刻技术的发展历史和研究现状

1、1绪论引言随着科技的进步，越来越多的新技术走进了我们的视野，它们替代了传统 的工艺，提高了我们的生产效率，在我们大呼过瘾的同时，顺理成章地走入了 我们的生活，渗透到我们所能接触到的方方面面，不知不觉中颠覆了我们传统 的观念以及生活方式。让我们把从前不曾想像的事情转变成为一种习惯，而慢 慢融入我们日常的生活中。我们通常会说，是需求引导技术的进步，因为有需 求的存在，人们就会有动力去提高技术以满足需求，然而，在另一方面，又恰 恰是技术的进步在引导需求，当人们发现飞翔成为可能以后，他们会希望可以 飞得更高、更快、更稳。激光就是这样的一种新技术，它的出现也不过几十年 时间，却已在人们的生产生活中起到了

2、巨大的作用，并在不知不觉中走入了千 千万万的家庭。激光是二十世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大 发明，被称为 最快的刀”、最准的尺”、最亮的光”和奇异的激光”。它的亮度 为太阳光的100亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发 现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实 践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展， 激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门 新兴产业的出现，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、 非线性光学、光化学等1 o激光可使人们有效地利用前所未

3、有的先进方法和手 段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光技术推动了诸多领域的迅猛发展，应用范围越来越广，在加工领域中的 应用成果尤为显著。由于激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性 能，加上激光的空间控制性和时间控制性很好,易获得超短脉冲、尺度极小的光 斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以融化世界上任何金属和非金属 物质，特别适用于材料自动化加工，而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。通过外光路系统可以使光束改变方向，因而可以和数控机 床、机器人连接起来，构成各种加工系统2 0水墨书法是一门传统的中国艺术，中国水墨书法仿真雕刻有着非常广泛的

4、 市场前景，但是，对传统艺术的仿真模拟是当今计算机艺术领域里最具有挑战 性的课题之一。本文通过计算机模拟了水墨在宣纸中的扩散与流动，利用编程 实现了虚拟毛笔实时书写的效果。止匕外，用计算机艺术模拟毛笔书法对吸取传 统文化的营养，弘扬民族文化，促进中国传统书画的普及具有积极意义。综上，本文将对激光雕刻和毛笔书法仿真两个方面进行深入探讨。激光雕刻技术的发展历史和研究现状激光雕刻技术的背景激光雕刻是利用高能量密度的激光束作用于目标，利用高能量，极短脉冲的激光，使物质瞬间被汽化，不伤及周围物质，并可精确的控制作用深度，使目标表面发生物理或化学的变化，它代替传统的凿子和刻刀，对工件多余的部分 去除雕刻，

5、从而获得可见图案的雕刻方式。激光雕刻与传统的雕刻工艺相比有明 显的优点：雕刻窄，节省材料；只需定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序；工件 无机械应力、变形小;非接触式加工、污染小、无磨损;能雕刻易碎的脆性材料，和 极软、极硬的材料；速度快，可向任何方向行进，可从任何一点开始，雕刻清晰永久， 防伪功能强、经济效益好；易于数控或计算机自动化控制，并可多工位操作。近年 来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器 件的改进促进了激光雕刻技术的发展，使得激光雕刻技术得到广泛应用 。20世纪70年代，激光就开始在胶印、凹印制版领域发挥作用，在90年代，国 外的公司开始激光直接雕

6、刻的研究。激光直接雕刻铜版，在技术上一直认为是不可行的，但它可以直接雕刻锌。瑞士 MDC公司通过制版工艺的改进，实现激光直接雕刻先在钢辗上电镀一 薄层锲，然后再在其表面镀铜，随后又镀了一层锌。这层锌可吸收激光能量并被 蒸发,随之蒸发的还有其下面的铜，便生成了载墨的网穴。雕刻后，像其他雕刻滚 筒一样，最终在滚筒上镀一层坚硬的铭。还开发了大约 500W功率的YAG激光 器，每秒能雕刻7万个网穴。直接激光雕刻系统主要由 3部分组成:高能量的激光； 激光传输系统；光学系统，通过调节焦距，来调节单位面积上的能量。激光脉冲的聚焦点直径和入射能量决定网点的几何形状。简单的直接激光 雕版系统只能调整能量的大小

7、，而激光聚焦点的直径根据所需的网点预先设置，在雕版过程中不能改变。网点直径由激光聚焦点的直径决定。先进的SHC (New Super Halfautotyp ical Cell)调整方法使每个激光脉冲的 2 个参数：能量和聚焦点的直径都可以调整。先进”意味着每个网点的几何形状网点的直径和网点的深度可以相互独立，在确保直接激光雕版的精度下任意调整。Hell解决了激光直接雕刻铜版的技术困难，在Drupa2004上展示了所研制的 可直接在铜版或铭版上进行雕刻的激光雕刻机样机，给业界带来了巨大反响3o随着激光技术的发展，激光雕刻不仅体现了电子机械雕刻的优点，而且具有 许多自身的优点，比如无接触雕刻等，

8、目前该方法制作版辗成本稍高，但其众多优 点使其成为雕刻发展的一个方向。1.2.2激光刻蚀技术的研究现状目前，随着激光雕刻设备在应用技术、 工艺上的开发推广，激光平面打标、 雕刻设备的制造销售已呈现良好的上升态势。国内从事激光设备开发、制造、 销售的公司，以及代理国外激光设备的公司迅速增加。竞争也日趋激烈。但是，国内市场的所有激光设备都停留在激光平面雕刻阶段，尚没有一家 公司或科研单位能拿出一台激光三维雕刻系统。一些精细的三维模具雕刻仍然 依靠电脑机雕，或者是手雕。但是机雕和手雕都有极大的弱点和局限，制约了 一些精细工艺的发展。国内已有几家激光科研机构在对激光三维精雕机进行研 究。在精雕领域，国

9、内传统机械精雕设备做得最好的是北京精雕，其在解决精 细雕刻模具方面赢得了巨大的市场和成功。但由于机械刀雕的先天局限，仍有 很多高精端雕刻无法实现。一部分领域，不得不借助高超的手工工艺，进行手 雕或修模工作。在激光雕刻模具方面，则有桂林星辰激光，其主要是利用功率 较强的激光打标机销往模具制造行业，目前销售态势良好。但由于其雕刻技术只能雕刻平面文字与图案，离激光三维雕刻还有一段距离，所以目前其在该领 域还不能大展身手。激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）是激光设备家 族里的又一新成员，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造业的利器。 激光三维精雕模具是

10、指通过高能量激光束在模具材料上或者铜电极上雕刻出您 需要的二维或三维形状。同时它与目前水晶内雕机有本质的区别，水晶内雕机 的三维概念是一定密度的点云造成感觉上的立体图像，而且只能应用在水晶工 艺品上。而激光三维精雕机是通过精确的 CAD软件技术实现的三维立体实体空 间的雕刻，因而它不仅可以应用在一般产品精加工领域，还可以应用的模具制 造领域。国外，已经有设备商开发出相应的激光三维雕刻系统与应用，并已将销售 触角伸入国内。有几个商家代理该类设备，但尚无样机，其售价在100万元以上。如加拿大 VIRTEK公司研制的FOBA.G-SERIES,目前也主要应用在模具 雕刻行业。5相信三维雕刻会是激光雕

11、刻的一个很重要的发展方向。激光加工技术从最初的 Nd:YAG激光器、CO2激光器，发展到大功率二极 管模块、半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、飞秒激光器等各种新兴技术。 其中，尤其以光纤激光器最为关注。传统激光行业中的大部分主要厂商都在 2007 年宣布进军光纤激光器市场，有的甚至推出了具体产品，这堪称是2007年度行 业内发生的一个重大事件6o2.激光雕刻的原理激光雕刻的理论基础扫描原理与点阵式打印机相似，激光雕刻所输出的图文信息也是由点阵组成的。激光束的每一点都称为像素，利用点阵理论，就可以形成一幅幅的图文信息。像 素和电信号一一对应，当完成一行扫描时，开始扫描第二行、第三行。这和电 视

12、机的扫描方式是一样的，直到扫描完成最后一页。因为一幅图像是由一系统 的单个点形成的，因此，单位面积上点的数目越多，则组成一个字符的点阵越 多，即像素越小，图像的分辨率就越高，而且雕刻出来的图像、文字越清晰、 雕刻质量越好。图像分析和处理对于一般的几何图形，只要进行坐标转换，数据转换即可，通过插补即可 产生相应的图像。对于复杂的图像，如彩色等图形要进行中值滤波、二值化处 理、直方图均衡化等处理，并将处理后的图像通过转换成数据格式后进行雕刻。(1)256色位图转换成灰度图。运用点处理法中的度处理为实现数字图像的阈值变换提供前提条件。 将256 色位图转变为灰度图，首先必须计算每种颜色对应的灰度值。

13、 灰度与RGB颜色 的对应关系如下：Y=0.299R+0.587G+0.114B(1)这样，按照上式可以方便地将256色调色板转换成灰度调色板。(2)灰度图像二值化处理。现实世界中黑白二值图像很少用，大多数图像都是灰度图像或是彩色图像。要使这些图像适用于激光雕刻中，就需要对其进行二值化处理。利用点运算中的 阈值变换理论将灰度图像变为二值图像，为图像分析提供有利条件。它的操作是 先由用户指定一个阈值 T,如果图像中某像素的灰度值小于该阈值，则将该像素 的灰度值设置为0,否则灰度值设置为255。按下式对图像进行处理可得到二值 图像 g(x,y)：g(x,y)=255,f(x,y)-T0, f(x,

14、y) T(2)灰度图像的二值化处理有很多种方法，有全局阈值、局部阈值、动态阈值等 方法。这些方法基本可分为三大类：第一类是将实际图像的灰度(或特性)直方图 假定为由一组高斯分布构成，如最小误差法。第二类是基于一些准则，如类间方差 法。第三类通过对直方图中峰值和谷值的分析直接确定阈值，如Sezan峰值搜索 法,Tsai的聚类法，应用小波变换零交叉点的方法等。这些方法是基于度量空间的 空间域聚类的，实际上它利用了直方图作为图像中不同区域的统计特征。图像的 灰度范围为(0 ,255)，设灰度级I的象素数为n ,一幅图的总象素数为N，灰度级I出现的概率为R= nN,灰度直方图就是灰度的象素数与灰度的二

15、维关系。通 过做直方图就可得到图像灰度的变化曲线。5.全局阈值法效果比较好求全局阀值的方法是迭代法，迭代法是基于逼近的思想，其步骤 如下：a.求出图像的最大灰度值和最小灰度值，分别记为Zmax和Zmin，令初始阈值T0 = ( Zmax + Zmin )/2(3)b.根据阈值Tk将图像分割为前景和背景，分别求出两者的平均灰度值 Z。和Zb ;C.求出新阈值Ti= (Zo + Zb )/2(4)d.若Tk = Tk* ,则所得即为阈值；否则转2 ,迭代计算。迭代所得的阈值分 割的图像效果良好。基于迭代的阈值能区分出图像的前景和背景的主要区域所 在，但在图像的细微处还没有很好的区分度.e.应用小波

16、变换零交叉点的方法来选取阈值，该方法能有效地克服噪声的干 扰，自动确定阈值。小波变换Wsf(x)实际相应于信号f(x)在尺度s下平滑后的一 次或二次微分。信号的某些特征点在一次或二次微分后都能有特殊的反映。对 于一个典型的具有两个波峰一个波谷的直方图模型来说，可看出其波谷点相应于一阶微分的斜率为正的零交叉点，同时相应于二阶微分的局部极大值点。直方 图的波峰点相应于一阶微分的斜率为负的零交叉点，同时相应于二阶微分的局部极小值点。根据这个原理，假定一图像白直方图为h(x)，从20到2j (J为正整 数)尺度上对h(x)进行离散二进小波变换，得到小波系数 W2jh(x) ,1 j J 和平滑分量 S

17、2j h(x) ,1 j J，考察每一组离散小波系数 W2jh(x) ,1 j3)，例如4 * 4的抖动矩阵由1 ,2 16这16个数组成，为了尽可能使抖动矩阵大小均匀，要求均匀抖动矩阵任一行 的全部元素的和都等于均匀抖动矩阵的任一列全部元素之和。以a记均匀抖动矩阵第1行第j列的元素考虑图像中第k行第1列的一个元素p，令i = k mod m , j = 1 mod n，若p的灰度值大于* 255/ n2)，则将p点转化为白象素点，否 则转化为黑象素点。我们在进行激光雕刻时选取这种阈值处理方法，这样在开发的雕刻机中既能适用于图形的雕刻，又能适用于复杂图像的雕刻口另外还有很多方法，包括最小距离法

18、(Minimum of the dis2tance),该法引用于 法国学者Pinoli (1987年)。这里的距离是指灰度的函数f(x)与其阈值梯级函 数Et(x)之间的距离。最大嫡值法(Maximum of entropy),根据嫡值的定义及信息 论的定义，Kapur于1981年首先提出柱状图的阈值左右灰度平均值的嫡值之 和的最大值提取图像中信息的理论 网。此外随着神经网络、模糊理论的深入研 究，也有基于上述理论的阈值处理方法。(3)彩色图像的二值化处理对于RGB彩色图像的雕刻，由于其颜色多，不易雕刻，因而需要将彩色图像 转化才能进行雕刻。一种是将真彩色图像利用减色技术转化为256色的图像(

19、如中位切分法，八叉树法等)，然后再将256色图像转化为256灰度图像，针对灰度图 像利用上边讨论的任何一种方法进行灰度图像到二值图像的阈值处理，从而达到雕刻的要求。这种方法太复杂，并且在每次转化中颜色都有所损失，必然使最终 的雕刻图像不忠实于原来图像，影响雕刻质量。二是可以利用 RGB彩色图像转 化为HLS图像，其中H(hue)指色度又称为基色，S(saturation)指饱和度，饱和度是 基色的浓度，即颜色中基色和灰色各占的比例，L(luminance)指亮度，是颜色的明亮级别数。而灰度就是提供了一个度量亮度的标量。值化处理是更合理的。L =0. 299R0. 5G7 *c 彳八 *m i

20、nR G, B ,)S =1 一 3 J(R G B)负标尺饱和度S =1-3* min( R, G, B) 255，采用因此利用HLS直接进行二0.B1(5)(6)L和负标尺饱和度的表示，此(R G B)时二者均有方便的阈值法。对L的阈值可以根据直方图求取谷点，当谷点与顶点 相近时去掉此谷点，剩下的谷点就是阈值点。S的阈值方法是：首先找到最高非 饱和点Smax和最低饱和点Smin 。然后，计算Smin + 2 3 (T韭J Smax - 2 3 (T S的距离 d，最后使d最大的值为最佳阈值。从而基于 L和S的阈值处理是：首先，找到L 的阈值；其次，找到S的阈值；最后，判断L和S的值，如果二

21、者均大于其对应阈值, 则相应值对应的图像的点为白点，否则为黑点。这种方法只经过一次颜色系统的 转化，它损失的颜色少，能忠实于原图像，因此使用阈值法进行雕刻，使雕刻质量 好。(4)中值滤波。运用变换域法中的空域滤波法对图像进行降噪处理。中值滤 波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，将窗口中各点灰度值的中值来替代指定点的灰度值。首先确定一个奇数象元的窗口 W,窗口内各象元按灰度大小排 队后，用其中间位置的灰度值代替原f(x,y),灰度值成为增强图像9 og(x, y)g(x,y) = median f (x-k, y -1),( k,1) w W(7)其中W为选定窗口大小。2.1.3激光雕刻材料的

22、物理过程激光雕刻是把?光作为热源，对材料进行烧蚀、去除激光束照射到材料表面 时,一小部分光从材料表面反射，大部分光透入材料被材料吸收，透入材料内部的 光能量转化为热能，对材料起加热作用，在足够功率密度的激光束照射下，使被加 工材料表面达到熔化和汽化温度，从而使材料汽化蒸发或熔融溅出，雕刻出所需 要的图形。100.20,5 L0 2510波长/ “吸收率(%)图1不同材料的波长吸收率函数关系曲线不同材料对于不同波长光波的吸收与反射有着很大的差别，材料表面的光 波吸收率A也可用下式估算11:A =1(1 -n)2k2(1 n)2k2(8)式中:n和k是复折射率的实数和虚数部分(非金属材料：k= 0

23、)。对于大多 数金属，吸收率A = 0.05至0.3。为提高材料对激光的吸收率，可采用表面粗糙或 人为弄黑表面。激光雕刻方法使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打 印。您可以在利用多种图形处理软件，如 CorelDraw Photoshop等进行设计， 扫描的图形，矢量化的图文及多种 CAD文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。 唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、 亚克粒、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。激光雕刻方式激光雕刻按雕刻方式不同可分为点阵雕刻和矢量切割：(1)点阵雕刻 点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动，

24、 每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多 条线，最后构成整版的图象或文字。扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用 点阵雕刻。(2)矢量切割 与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进 行。我们通常使用此模式在木材、亚克粒、纸张等材料上进行穿透切割，也可 在多种材料表面进行打标操作。(3)激光内雕激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一临界值，或称阈值，而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有 关，同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大。这样，通过适当聚焦， 可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值，而 在希望加工的

25、区域则超过这一临界值，激光在极短的时间内产生脉冲，其能量 能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形 状，而玻璃或水晶的其余部分则保持原样完好无损。文献12介绍了一种在人造水晶中内雕人像的图像获取方式，一般的3D成10 像技术，是利用图形学方法获取 3D图像的，需要投射高亮激光来测量对象， 通过激光束的远近，进行物体的图像和模型处理，整个过程非常繁杂。要拍摄 多次，才能获得对象的3D图像，代价昂贵，并且速度很慢，特别是不适于捕 捉活动对象的图像。整个过程有时长达几十分钟，拍摄期间物体是不能动的。 这意味着这种摄影技术只能运用在风景和不动的物体上。后来人们发明了 3DF

26、lash摄影技术，该技术在拍摄人体方面有绝对的优势在0.01秒内就可以获取高分辨率，获得人脸精确的三维数据。3DFlash三维闪光灯可以和普通二维数字照相机连接，把特制光栅编码投影到物体表面， 并且由数字相机摄取此编码图像。 通过特殊的解码软件，对编码图像进行分析， 找出图像的X、Y、Z轴的3D信息，在这个步骤下，处理出的人像是网格组成的 3D网人像，下一步就是给人脸贴皮肤和上色。完成之后，一个 360度的3D完 整头像就这样在电脑里制作出来了。电脑再将信息输入内雕机，就可以制作出 完美的人像内雕工艺品了。激光雕刻的参数(1)雕刻速度：雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用 IPS (英寸/秒

27、) 表示，高速度带来高的生产效率。速度也用于控制切割的深度，对于特定的激 光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在 1%到100%的范围内，调整幅度是1%(2)雕刻强度：雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。对于特定的雕刻速 度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节强度，也 可利用计算机的打印驱动程序来调节。在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。 强度越大，相当于速度也越大。切割的深度也越深(3)光斑大小：激光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光 斑的透镜用于高分辨率的雕刻。大光斑的透镜用于较低分辨

28、率的雕刻，但对于 矢量切割，它是最佳的选择。(4)功率设置：功率越高，雕刻越深。功率太高会有些细节无法表现出来， 具体体现为图像暗部细节丢失，不影响运行时间。功率越低，雕刻越浅。功率 太低，有些细节无法雕刻出来，具体指两部的细节确实，不影响运行时间。11(5)PPI设置：设置越高，燃烧和融合效果越好，当速度不是太快的时 候，不影响运行时间和雕刻深度。设置越低，燃烧和融合效果越差，设置太低 会影响细节效果。但不影响运行时间和雕刻深度。特别低的设定用来在材料上 打孔。总结得出经验：功率和雕刻深度成正比，速度和雕刻深度成反比。在 同一激光功率下，随着雕刻速度的减小，雕刻效果变好，当速度达到一定值后，

29、刻痕 清晰度提高，但刻痕周围有发黑现象；在同样雕刻速度下，雕刻效果与功率成正 比。在雕刻过程中，并不是雕刻功率越大、雕刻速度越低，雕刻效果越好，雕刻功 率大、雕刻速度低，刻痕很清晰，但雕刻效率跟不上。一般情况下，在保证雕刻效 果的情况下，尽量提高雕刻速度、减小雕刻功率、采用一次雕刻成型。激光雕刻的材料适合于激光雕亥ij的材料很多，包括：各种印章材料、有机玻璃、橡塑、牛角、 石材、塑料、亚克力、木材、竹材、金属板、玻璃、水晶、可丽耐、纸张、双 色板、皮革、树脂等。部分材料的激光雕刻特性(1)金属材料对CO2激光的能量吸收率很低，且由于金属的趋肤效应(金属吸收激光能量的过程仅发生在被照时金属材料表

30、层厚度为0.01-0.1 m的范围内)，激光束在很薄的金属表层内被吸收，引起材料表面温度升高，激光雕刻刻痕 很浅，采用CO2激光器雕刻效果很差；(2)对非金属材料，其导热性很小，在激光光波较长时，材料对激光的吸收率 较大，光能可以直接被材料吸收而使热振荡加剧 ，所以采用CO2激光器雕刻效果 较好；(3)对于木材，激光雕刻有两种不同的过程：燃烧和瞬间汽化，两种过程需要 不同的功率密度。瞬间汽化需要较高的功率密度去完成，木材在聚焦激光束的照 射下，蒸发去除形成切缝的速度很快，切面无碳化，是一种比较理想的机制；但在具 体的激光照射过程中，受输出功率或光束模式的影响，木材光照表面总有部分区 域的光束功

31、率密度低于汽化所需的功率密度值,从而伴有局部燃烧过程发生，所 以，实践中,雕刻木材可能会有发黑现象，要力争按汽化机制进行雕刻13。12(4)有机玻璃，这种材料的密度和熔点适中，导热速度也不很快，采用激光 进行雕刻或切割，效果特别好。雕刻时可以不加任何辅助措施 ，当激光切割时， 如果外加一定量的压缩空气，可以将汽化的有机玻璃吹走，使激光束能更直接 地照射到有机玻璃表面，从而达到加快切割的目的。(5)塑料材料的熔点较低、导热速度很慢、易燃、且燃烧时有烟雾 ，对其 进行激光雕刻时，应加吹压缩空气，可带走一部分热量，加大对材料的冷却作用， 还可以保护镜片，防止污染导光系统。实际雕刻时不同材料的雕刻设置

32、我们选用的是功率为50W的CO2激光雕刻系统，对铝合金，黄铜，有机玻 璃，铝板，木材，玻璃，电木，纸板等材料做了雕刻研究，得到以下结论：(1)对于铝板的雕刻，功率25%,速度80%, PPI设定为500,可以得到 比较清晰的雕刻效果，不能对其进行深度雕刻，高功率和低速度设置可能使激 光束被材料反射而损坏系统或造成安全隐患。(2)对玻璃一类材料的雕刻，功率 100%,速度30%, PPI设定为300, 在333DPI下雕刻，得到理想的效果。雕刻玻璃不同于其它类型的雕刻，CO2激 光不能雕刻深入玻璃，更不用说切割。取而代之的，激光与玻璃相互作用，使 其表面呈现磨砂状。有些时候，在玻璃上方覆盖一层报

33、纸并以水弄湿，将可改 变刻面的效果。(3)对于塑料一类的材质，我们选择功率较低的20%,速度80%, PPI 500 的设置来雕刻，大量的除去材料可能会引起塑料的变形，因此你可能需要粘住 它或者放在一个平的台上防止雕刻时引起扭曲。因为多数塑料材料具有低熔点 的特性，故使用低PPI的设定，以减少切割时发生熔化的可能。覆膜并用水弄 湿可减少熔化，并保持塑料材料清洁，避免受到残余的烟的影响。(4)雕刻木材，选用功率100%速度70% PPI 500的设置，一定要选择 可以被激光雕刻系统加工木材来雕刻，有些木头成品不能处理激光所散发的热， 而会起气泡而且可能会变成白色。对于雕刻较软的木材，减少功率的设

34、定可以获 得最好的深度。在软的木头上雕刻太深会降低品质，每一种木头会雕刻出不同 的效果。在一些材料上激光雕刻的效果13图2激光雕刻在铝板上的雕刻效果图3激光雕刻在铝合金阳极氧化上的雕刻效果图4激光雕刻在镀层金属上的雕刻效果图5激光雕刻在木材上的雕刻效果14图6激光雕刻在有机玻璃上的雕刻效果一岳;发冲超，兔阚处.满】曝.仰天超嗡，灶图7激光雕刻在纸板上的雕刻效果图8激光雕刻在玻璃上的雕刻效果图9激光雕刻在电木上的雕刻效果15图10激光雕刻在铜板上的雕刻效果3.激光雕刻系统激光雕刻系统在激光技术中激光雕刻技术是较常见的。激光雕刻有三种方式：CO2激光雕刻，Nd: YAG激光雕刻，准分子激光雕刻。这

35、三种激光雕刻技术都在某些方面 体现了它们各自的特性和优点，所以有不同的应用领域。C02激光雕刻机的发展情况20世纪70年代后期，Buekley和Jenkins开始研制激光雕刻网纹辗。在此之 前，大部分采用气体二氧化碳作为激光介质，用CO2激光器雕刻陶瓷网纹辗。二氧化碳激光雕刻的网纹辗在很大程度上满足了柔性版印刷业的发展需要：特别是包装印刷业发展的要求。可以说激光雕刻的陶瓷网纹辗在柔性版印刷机 中的成功应用，是这些年来柔性印刷发展如此迅速并能与胶印和凹印方式形成 竞争局面的重要因素之一。二氧化碳激光雕刻机经过3个发展阶段：第一代二氧化碳激光雕刻机实际上是用激光作为光笔的放大尺，用一脚踩开关控制光

36、笔工作，可以用来复制书法、曲线图像和人像。激光在工件上刻制出与原稿相似图像。这是一种简单的原始的二氧化碳激光雕刻机，成本低廉。第二代二氧化碳激光雕刻机是用来雕刻木刻形图形的，用单片机控制光斑 在xy平台上逐线扫描。在原稿亮处激光器关闭，原稿暗处激光器打开，从而加 工出黑白的图形。激光器的焦点直径为014mm,图形的黑区实质上是由宽014mm、深为212mm的一系列线条组成。一幅画面可分成550条线，阅读头也 可进行同步扫描。阅读头具有014mm光孔，由一个半导体发光管与接收管组成， 接收发射管照明的图像反射光线，经单片机取阈值后控制二氧化碳激光器的开 关。第三代二氧化碳激光雕刻机，控制系统用个

37、人计算机代替了单片机，因而 也称之为微机控制的二氧化碳激光雕刻机。采用CCD照相机一次读入 512X512的像点及其灰度等级。经抖动法处理将具有 256等级的灰度转变为该区 的黑点子密度，从而大大压缩信息的容量，克服图像的明暗灰度层次，解决图 像的放大与缩小问题，完成对立体图像与大幅图像的阅读以及对多幅图像的信 息存储和处理。Nd: YAG激光雕刻网纹辗经历的逐步完善和发展阶段人们不断地想方设法提高激光雕刻陶瓷网纹辗的质量 ，使柔版印刷产品的 质量能赶上甚至超过胶印和凹印。于是从提高制版精度，严格要求陶瓷网纹辗 的精细度（线数）和存墨量入手，经过几年的探索和努力，终于在1996年左右推出 了

38、Nd: YAG激光雕刻的陶瓷网纹辗18 o Nd: YAG激光器是在轨铝石榴石基体中 掺入氧化铉（Nd2O3 ）而制成的。激活离子也是位离子，输出波长为1106mo 由于Nd: YAG具有荧光谱线窄，量子效率高，导热性好等优点，使之成为三种 固体激光器中唯一能够实现连续运转的固体激光器，也是激光热加工中常用的一种固体激光器190Nd: YAG激光雕刻辗经历了逐步完善和发展阶段。以下列出它的主要发展 过程221:第一阶段：推出Nd: YAG激光雕刻陶瓷网纹辗，具有定位精度高、储 墨容积高、网线数高和低重熔物等特点。陶瓷网纹辗雕刻网线范围8001600LPI。第二阶段：其技术特点是每只网孔都是利用

39、 YAG激光多次击打形成，从而实现雕刻大孔深孔的目的。这种雕刻原理在CO2激光雕刻加工中己成功地采用 过。这一方法用到Nd: YAG!光雕刻，其雕刻网线数范围可降至450LPI。生产 效率低是这一方法的明显弱点。第三阶段：其技术特点是改变输出激光脉冲的 宽度对网纹辗进行激光雕刻。第一、二阶段的YAG激光脉冲采用的是短脉冲。激光刻出的网孔特点体现了短脉冲激光雕刻加工的特点。第三发展阶段中就补 充了可提供长脉冲激光雕刻的手段。厂家可根据实际需要选用长脉冲或者短脉 冲的YAG敷光器。由于采用了长脉冲雕刻,其雕刻网孔的特点类似于CO2雕刻 网孔，出现了较多的重熔物。第三阶段的 YAG敢光雕刻技术采用了

40、输出功率较 大的激光器。第四阶段：技术特点就是把YAG敖光长、短脉冲的功能结合起来 进行激光雕刻加工。经这几年的初步使用，确实证明YAG敢光雕刻网纹辗具有 它的优点。C02激光器与Nd: YAG激光器的比较Nd: YAG激光器的输出波长为1106仙m,比CO2激光器波长1016111短一个 数量级。金属材料对CO2激光的反射率大部分在90%以上，而非金属材料，如塑 料、木材、布匹、橡胶等，对CO2激光波长吸收率较高。故 YAG敷光器在金属 材料加工中具有优势，而对于非金属材料的加工，co2激光器具有优势22。从 两种类型激光器的输出光束质量来看，CO2激光器，尤其是纵流CO2激光器输 出的模式

41、主要为基模或低阶模，发散角为0151mrad;而YAG激光器主要输出 高阶模，发散角为510mrad。CO2激光器输出功率大，快轴流CO2激光器输出 功率达20kW以上23。故在激光切割中主要采用纵流 CO2激光器。但鉴于YAG敷 光器输出波长短，输出功率近几年在逐年增加（5kW的YAG激光器已实现商品 化），加之YAG光加工效率高和适于光纤传输，这使得在激光热加工中，尤 其在厚大件的激光热加工（包括激光焊接、切割、表面热处理、激光表面合金化 及激光熔覆等）应用中，YAG激光器的使用将逐年增加。准分子激光雕刻准分子激光器是一种高功率、高效率的紫外激光器。它之所以在陶瓷、高 分子材料等微细加工领

42、域具有重要的作用，其激光雕刻的机理为：直接对材料进 行的光化学加工。准分子激光与被加工物质相互作用的机理称为消融，包括光致断键和生成物爆炸两个过程。当准分子激光光子能量大于聚合物的化学键能 时，化学键被打断，材料表面微小局部的比容然增大，当断键破坏率超过一定 阈值时，表层碎片剥落,完成刻蚀24。准分子激光器的出现和发展，为广泛的工业应用和科学研究提供了强有力 的工具。由于其波长为紫外和深紫外光谱波段，脉冲能量和光子能量强，重复频 度高，脉冲宽度窄等性能，大多数金属和非金属材料对紫外光都具有强烈的吸 收作用，能够完成其它激光热加工所不能完成的一些工作，拓宽了激光加工的 应用范围，所以近年来随着准

43、分子激光器性能的稳定性、可靠性的提高 ，在生 物医学、材料科学、微细加工和光化学中得到广泛应用250三种主流激光器的比较YAG激光器在金属材料加工中具有优势,而对于非金属材料的加工,CO2 激光器具有优势,而准分子激光在微细加工、高精密方面具有优势。Nd: YAG激光雕刻技术用于柔印机网纹辗的生产，有力地推动雕刻产品性能的提高，也 带动了激光雕刻技术的进步260随着这方面技术的不断完善，预期今后将取得更 多的成果。从目前世界激光雕刻技术的发展现状看 ，CO2激光雕刻、YAG激光 雕刻和准分子激光雕刻都在某些方面体现了它们各自的优点，也存在着某些不足。三种加工方式协调工作，扩大产品品种，提高雕刻

44、产品的性能，不失为当前 激光雕刻加工陶瓷网纹辗的最佳选择27 o因此激光雕刻设备供应商供应成套设 备时既包括了 CO?激光器，也包括了 YAG激光器，而高精度的雕刻应使用准分 激光器。准分子激光雕刻加工是高精密加工的主要研究方向280CO2激光雕刻系统的工作原理CO2激光雕刻系统由5个基本部分组成，包含：控制面板、中央处理单元、 直流电源、激光器及运动系统。（如图11）19i 1 Ji i： I r xn交流电电源插头图11系统构成直流电源是将将输入交流电转换成为 48伏的直流电，直流电是被使用供给 激光器和中央处理单无的电源。中央处理单元（CPU）充当整个激光系统的 失 脑”，它控制所有每件

45、事。位于在中央处理单元上的是标准的电脑SIMMS记忆体模组。这也是当电源正在开着时，从电脑传来的文件储存的地方，中央处理 单元从电脑及控制面板得到输入信号，它藉由输出正确时间的控制讯号来激发 激光，并同时移动运动系统。控制面板是操作者控制激光系统的地方，它是由 触压式的按钮和液晶显示板组成，透过这个面板，操作者可以控制运动系统的 定位，并可在液晶显示板上随处切换菜单系统，也可以执行激光加工操作。.激光器由射频电路和充有CO2和其它气体的特别混合物的等离子管二者组成。这个装置的功能是转换电子能量成为集中的光能。激光（Laser）是利用受激辐射来使光子倍增产生的光。激光加工系统的结构如下图示：激光

46、器图12激光加工系统20激光器从48伏的直流电源供应器获得电源，以及来自中央处理单元的激发 讯号。当激光系统的电源打开，并由中央处理单元收到激发讯号时，这射频电 路将产生高频率的交流讯号越过位于电浆管内的电极，这将同时导致光子从混 合气体中散发出来，产生不可见的、在 10.6微米频率的红外线光束。出了激光 器的激光，穿过它的输出镜，经过 1号反射镜，穿过光束视窗，再经 2号反射 镜和3号反射镜，最后穿过聚焦镜。2号反射镜、3号反射镜和聚焦镜都是装设 在运动系统上，激光光束由激光器射出来的宽度，我们称为光束直径”，大约是4mm宽，聚焦镜使光线聚焦成为非常小的焦点，那就是 焦点尺寸(spot si

47、ze),焦点尺寸是根据聚焦镜片的 聚焦长度”来决定，聚焦长度”是指由聚焦 镜片中心点到光束聚合成最小点的距离。例如：使用标准的 2英寸聚焦长度镜 片，它的焦点尺寸”大约为0.005英寸。所谓镜片的聚焦范围”是指光束被确认 在焦点上，(In Focus)的距离范围，它相当于聚焦点上下 +/-5%的范围，较短 的镜片会产生较小的 焦点尺寸”，并且会有非常窄小的聚焦范围，这意思是指 它可能只能使用在雕刻很平的工件上，较长的镜片有非常宽大的距离范围并且 产生较大焦点尺寸”，这可能会妨碍较精细的雕刻。这有点像想尝试用宽笔头 的奇异笔来写较小的字，不同的镜片对于不同的应用各有其优劣点。请参照附 录说明可供

48、选择的镜片种类和它们的操作特性。瓦特数”是表示激光经过一段时间产生出热能的统计，激光能量是以激光功率计( LASER POWER METER) 加以测量，请不要将激光的瓦特数与电灯泡或吹风机的相混淆。它们是两种截 然不同型态的测量。运动系统是指激光系统移动的机械部分，运动系统是由轨道、马达、 滚轮、 皮带、反射镜片、聚焦透镜和其他零件所组成。运动系统有两个方向，左侧到 右侧的称“X方向，前面到后面的称“Y方向。运动系统结构如下图示：21图13运动系统结构示意图激光系统的控制面板对于使用者所需的切割及雕刻工作，提供容易而直接 的操作，控制面板是由液体显示板、指示灯和菜单按钮组成。系统的工作原理是

49、，通过控制面板的输入传送指令到系统的中央处理单元; 中央处理单元再控制马达的运动，将反射镜及聚焦镜移动越过材料和整个雕刻 区，同时，激光脉冲随聚焦镜的位置同步发生。4书法雕刻的虚拟毛笔输入软件对于激光雕刻，我们都知道要选择分辨率高的图片来进行雕刻可以得到相 对好的效果，但是，仅仅是图像质量高是不够，另外很重要的一点就是要符合激 光雕刻的特点。否则,就算最后也能够生成激光雕刻图像，但实现这个过程的方法 会很复杂，产生的效果也不见得好。一幅符合激光雕刻特点的灰度图像应具备：灰度图像的灰度级别要减少，而 更为重要的是，图像的灰度密度分布要均匀。只有这样，在进行灰度转换、生成 最终的激光雕刻图像时，才

50、会变得可行，或者说是要容易一些。并且最后生成的 激光雕刻图像效果也会非常不错 网。对于复杂的图像，如彩色等图形要进行中值 滤波、图像二值化、和直方图均衡化等处理，并将处理后的图像通过转换成bitmap数据格式进行雕刻；对于黑白分明的毛笔字图案，这些中间处理步骤显 然可以省去，但是，为了雕刻出带有手写效果的毛笔字，本章中提出了一种基 于经验的参数化虚拟毛笔模型。软件设计思路综述本章中提出了一种基于经验的参数化虚拟毛笔模型。采用该模型进行书法 或国画创作的流程和传统的流程完全一致，表达力强，并可以满足实时创作的需 要。本文的软件设计摒弃了笔刷的真实物理模型 ，给出了基于经验的物理模型 只考虑笔刷和

51、纸面接触部分的变化情况，没有试图从真实模型的基础上讨论笔22刷的变化，因此可以省略3D造型方面和精确计算每一根笔毛变化的复杂情况。在本模型中，在条件参数变化的时候模型的变化根据经验得到，这种简化模型节省了大量计算，使得流畅运笔成为可能，达到了实时交互的目的。Jin2 tae Lee 30在他们的工作 中对水墨在宣纸上的扩散模型做了很好的研究，本文在此沿用 了他们的工作并做了简化，从而能够比较好地解决一些中国画特有的效果，比如 枯笔、扩散，均能取得比较真实的效果。舶人 设善f/i ft隼向联字作品图4-1软件使用流程图程序开发环境介绍硬件环境(1)CPU :系统开发时所使用的 CPU1 Inte

52、r ( R )Core(TM2 T7250,2.00GHz, 因为数学运算及绘制的实时性要求比较高，所以 CPU勺运算能力不能太低。显卡：NVIDIA GeForce 8400M GS,独立显卡可以保证画面的清晰流畅， 图像分辨率可以得到保障。内存：2.00G, DDR800内存不能太小，否则多任务运行时会出现滞后现 象。开发工具及使用理由本软件使用了多款新型的开发工具， 使得其具相对的先进性。下面将对这些 开发工具进行一个详细的介绍。(1)XNA3.0XNA说的通俗一些，就是用 C#S言开发游戏的一个平台，可以简单的理解 为XNA=.net+DirectX ,用XNA开发游戏即可以使用到.n

53、et平台的所有特性， 也不失DirectX的执行高效性，至少程序员不再需要为游戏开发中的内存管理 感到头痛了，同时还可以跨平台，现在 XNA的游戏可以在个人电脑和 XBOX36023 上运行.目前国内仍然以DirectX程序员为主，用XNA勺职业程序员还几乎没有， 多是一些专业编程人员作为业余时间的兴趣爱好对它进行研究。但是，微软几 年磨一剑打造的XNA 代表着未来的发展趋势，以后还会有众多的游戏硬件厂商 加入其中，所以，使用这种语言编写“东华墨宝”程序，不仅大大提高了编写 效率和程序质量，还顺应了历史发展的趋势。(2)C#2008C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Frame

54、work之上的高级 程序设计语言。C呢微软公司研究员Anders Hejlsberg的最新成果。C#f起来 与Java有着惊人的相似；它包括了诸如单一继承、接口、与 Java几乎同样的 语法和编译成中间代码再运行的过程。但是C#W Java有着明显的不同，它借鉴了 Delphi的一个特点，与CO网件对象模型)是直接集成的，而且它是微软 公司.NET windows网络框架的主角。如果抛开一切非技术方面的因素，C#无疑是有史以来最好的编程语言， 它 几乎集中了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果。面向对象、类型安 全、组件技术、自动内存管理、跨平台异常处理、版本控制、代码安全管理 你不可能在

55、另外的一种语言中找到所有这些特性。|对象 数据结构面向对象编程模式：界面|对象和|对象-操作由于XNA3.M要2008版以上的C#言支持，所以本系统的开发了 C#2008乍为 开发语言0虚拟毛笔软件的基本物理模型关于笔的物理模型4. 3.1.1中国的水墨艺术的绘制工具一一毛笔在用计算机仿真中国水墨画的艺术效果之前，我们先简单介绍一下中国水 墨画的绘画工具和材料，以便于后续进行分析和仿真。作为中国水墨画的“文 房四宝”，笔、墨、纸、砚这四种基本的绘画工具和材料对于水墨画艺术效果的 形成起着主导作用。其中，毛笔和宣纸是中国水墨画的两大主要材料，它们产24生出的扩散、渗化、笔痕等特殊效果，是中国画与

56、西画形式上的主要区别。下 面对毛笔做一个简单的介绍，便于对其进行物理模型的构造。中国的书画家将毛笔视为第二生命，他们通过连续的、有节奏的运笔，能31绘制出多变的、富有表现力的笔划，进而能将对象的生机和活力展现纸上。中国毛笔的产生已经有2000多年的历史了，它与西方画笔的主要区别在于 笔锋，中国毛笔呈“楔”形，有很尖锐的笔尖，而西画笔呈“刷”形。按照不 同的原料和性能，可把毛笔分为硬毫、软毫、兼毫三种。硬毫笔包括老兔颈毛 制成的紫毫与黄鼠狼尾毛制成的狼毫两种， 笔毫均为棕色，笔性硬健，弹力强， 蓄水少，画出的线条苍劲爽利。山水画中树木的立干、出枝、勾叶、点叶，山 石的勾勒、皴擦、点擢，屋宇、人物

57、、舟、桥、水波、瀑布等细线，都需靠弹 性强的硬毫才能得以表现。软毫笔，用羊毫制成，笔性软，蓄水性强。山水画 的渲染多用它。米点山水与泼墨山水也常用羊毫，能收到笔酣墨饱、水墨淋漓 的效果。兼毫笔由硬毫与软毫配制而成，有紫狼毫、紫羊毫、鸡狼毫等品种， 硬度在狼毫与羊毫之间，可根据个人的习惯与需要选用。根据笔锋的长短，毛 笔又有长锋、中锋、短锋之别，性能各异。长锋容易画出婀娜多姿的线条，短 锋容易使线条凝重厚实，中锋则兼而有之，画山水以用中锋为宜。根据笔锋的 大小不同，毛笔又分为小、中、大等型号。画山水各种型号都要准备一点，一 般“小山水”（小狼毫）、“大山水”（大狼毫）各备一枝，“小白云”、“大白

58、云” 羊毫笔各备一枝，再有一支更大的羊毫“斗笔”就可以了。新笔锋多尖锐，只 适宜画细线，皴、擦、点擢用旧笔效果更好。有的画家喜用秃笔，点线别有苍 劲朴拙之趣。好的毛笔，都具有圆、齐、尖、健四个特点，尖：指笔毫聚拢时， 末端要尖锐。笔尖则写字锋棱易出,较易传神；齐：指笔尖润开压平后,毫尖 平齐。毫若齐则压平时长短相等，中无空隙，运笔时“万毫齐力”；圆：指笔 毫圆满如枣核之形，就是毫毛充足的意思。如毫毛充足则书写时笔力完足，反 之则身瘦，缺乏笔力。笔锋圆满，运笔自能圆转如意；健：即笔腰弹力；将笔 毫重压后提起，随即恢复原状。笔有弹力，则能运用自如。25图3-4毛笔的分类画笔用后要及时冲洗干净，避免

59、墨汁干结损坏。不同的用笔方式又产生了多种 多样的笔法，如中锋、侧锋、藏锋、拖锋、逆锋、顺锋等等。仅仅山水画中的 皴法就十几种，披麻皴、斧劈皴、雨点皴等。在艺术家眼中，这些笔法不仅差 别很大，而且是彼此独立的。但是，为了使问题简化，以便于对毛笔的行为进 行仿真，我们将所有笔法都归结为两种基本的笔法，其它笔法都可由这两种变 化得来。这两种笔法就是“中锋”和“侧锋”。中锋：行笔时锋尖处于墨线中心，画出的线条挺劲爽利，多用于勾勒物体 的轮廓。结合用笔的力度、速度、走势可将中锋用笔演化成拖锋和逆锋等。侧锋：行笔时锋尖在笔迹一侧，画出的线条粗壮而毛辣，多用于山石的皴 擦。结合用笔的速度、粒子数量多少、生命

60、值长短，可将侧锋用笔演化为多种皴法毛笔物理模型的创建毛笔由笔头跟笔杆两个部份组成，其中的重点在笔头部份。通过观察，可以看到毛笔的笔头是由许多根笔毛组成的 ,这些笔毛由于是 由动物的毛发组成的，受力后能够弯曲，因此每一根笔毛近似于一根弹簧，因 此可以用弹簧的特性来模拟毛笔的特性。 根据笔毛的物理特性，会发现它比较像 弯曲弹簧而非伸缩弹簧。因为毛笔的笔头是用动物的毛发制成的，毛虽然具有弹 性，但其本身仍然是比较坚硬的，并不会随着受力的变化而发生长度的变化，而是在受到挤压而发生形状变化时，会有恢复原状的趋势，因此使用弯曲弹簧 比较适合来模拟毛笔的笔毛。观察毛笔的笔头，会发现没有沾墨水的情况下，笔头的