磚雕的圖像處理及數(shù)控雕刻技術(shù)的研究碩士學(xué)位論文(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 本步驟如下[10]：1) 計(jì)算，2) 如果且，那么轉(zhuǎn)至3）；否則，增大窗口尺寸，如則重復(fù)1），2）；否則輸出。而較完整地保留了高頻部分，在第一項(xiàng)上疊加此差值的C倍，將增強(qiáng)圖像的高頻分量，而低頻部分幾乎不受影響。為能準(zhǔn)確的對(duì)圖像進(jìn)行建模和雕刻，必須提取高質(zhì)量的圖像特征，其中，邊緣是圖像的最顯著特征，圖像處理中對(duì)邊緣的提取也是圖像處理的最基本的特征。（1）Robert一階梯度算子Robert 一階梯度算子是一種利用局部差分算子尋找邊緣的算子,采用的是交叉差分計(jì)算,. Robert算子的像素關(guān)系示意圖對(duì)數(shù)字圖像，Robert一階梯度算子定義如下[11]： ()其中，二維函數(shù)形式表示具有整像素坐標(biāo)的輸入圖像，用平方根運(yùn)算處理，能取得更合適的效果，Robert一階算子實(shí)際是對(duì)旋轉(zhuǎn)45度兩個(gè)方向上微分值的和。（3）Laplacian二次微分算子Laplacian二次微分算子也稱各向同性微分算子或者二階微分算子，對(duì)灰度值的突變比較敏感，對(duì)于連續(xù)圖像在（x,y）處的Laplacian算子定義為： ()檢測(cè)后圖像為,式中與擴(kuò)散效應(yīng)有關(guān)，處理圖像是需要注意合理的取值。因此，針對(duì)磚雕雕刻圖像綜合多種算法提取圖像邊緣輪廓曲線有點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)坎尼（Canny）邊緣算子提取圖像邊緣特征[14][15]。對(duì)于封閉的輪廓?jiǎng)t對(duì)應(yīng)于圖像區(qū)域的邊界；斷開(kāi)的輪廓?jiǎng)t認(rèn)為可能是區(qū)域邊界一部分，也可能是圖像的線條特征。 圖像灰度化處理在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，照片和圖像大多以彩色位圖的形式存在，每個(gè)像素的顏色由紅、綠、藍(lán)三分量共同決定。在實(shí)際使用中由位圖到灰度圖的轉(zhuǎn)換存在如下的經(jīng)驗(yàn)公式 [10] : ()經(jīng)驗(yàn)公式灰度化轉(zhuǎn)換的計(jì)算程序如下：// 彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像 // 1. pColorData 彩色圖像數(shù)據(jù) // 2. nWidth 圖像寬度 // 3. nHeight 圖像高度 // 4. nWidthStep 圖像行大小 // 5. pGrayData 灰度圖像數(shù)據(jù) // 6. nGrayWidthStep 灰度圖像行大小 BOOL ColorToGray(unsigned char *pColorData, int nWidth, int nHeight, int nWidthStep, unsigned char *pGrayData, int nGrayWidthStep) { int i = 0。 j nHeight。 a）彩色位圖 b）灰度化圖像 圖像灰度轉(zhuǎn)化示意圖圖像灰度轉(zhuǎn)化后，還需對(duì)灰度圖像做圖像處理，如圖像平滑和圖像銳化等，灰度圖像銳化與位圖不同，它是在邊緣點(diǎn)附近對(duì)平滑后的圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦词沟脠D像的邊緣梯度變得更大，常用的手段是對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，包括線性灰度變換和非線性灰度變換，線性灰度變換假定原圖像的灰度范圍為，希望變換后的圖像的灰度擴(kuò)展為，則線性變換表達(dá)式為[10]： （）常用圖像反轉(zhuǎn)是曝光不充分的圖像中黑部分變得更黑，白的部分變得更白，從而提高圖像的灰度對(duì)比度，若c=0,d=255,則上式可簡(jiǎn)化為[10]：若圖像灰度在0～M范圍內(nèi)，其中大部分像素的灰度級(jí)分布在區(qū)間內(nèi)，很小一部分像素的灰度級(jí)超出此區(qū)間，為改善增強(qiáng)效果，可令： （）式中：a,b,c,d這些分割點(diǎn)可根據(jù)用戶的不同需要來(lái)確定。為此，采用ZMAP柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示浮雕模型。a) 線性函數(shù) b) 圓形函數(shù) 截面函數(shù)示意圖，其中實(shí)心圓點(diǎn)表示模型曲面的最高極限點(diǎn)。 a）起點(diǎn)尺寸參數(shù)對(duì)線形模型曲面的影響 b）傾斜角度參數(shù)對(duì)線性模型曲面的影響 線形截面函數(shù)生成的模型 a）起點(diǎn)尺寸參數(shù)對(duì)圓形模型曲面的影響 b）傾斜角度參數(shù)對(duì)圓形模型曲面的影響 圓形截面函數(shù)生成的模型：對(duì)于基本曲面的截面函數(shù)，曲面起始高度a對(duì)曲面的形狀沒(méi)有影響，只對(duì)模型的整體高度有影響；而角度參數(shù)和，則是影響模型曲面形狀的主要參數(shù)。它主要有：負(fù)取代融合、相減融合、相加融合、正取代融合、最高融合、最低融合、矢量外置零融合、置零融合等八種融合形式。⑤ 結(jié)束遍歷 [19] 。本章將圖像矢量化處理的水怪矢量圖作為實(shí)例，說(shuō)明基于矢量圖像的磚雕建模的過(guò)程。對(duì)于同一幅圖片，不同設(shè)計(jì)者創(chuàng)建的藝術(shù)灰度圖也不會(huì)相同，這決定于設(shè)計(jì)師的個(gè)人技藝水平[24]。按顏色定義來(lái)建模，則方便且精確。立銑刀的主切削刃是圓柱面上,端面上的的切削刃是副刀刃，工作時(shí)不能沿著銑刀的軸向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。精雕刻刀具的直徑尺寸大小主要取決于曲面的復(fù)雜程度，當(dāng)曲面比較簡(jiǎn)單時(shí)一般采用刀直徑較大的刀具；當(dāng)曲面較復(fù)雜時(shí)，一般采用直徑較小的刀具，當(dāng)球刀的球半徑小于毫米時(shí)，考慮到刀具本身的強(qiáng)度一般使用錐球刀。由于圖像的獲取過(guò)程中受到外界的干擾，帶有點(diǎn)狀尖峰噪聲信號(hào)，如果直接用于雕刻刀具生成時(shí)，會(huì)導(dǎo)致加工表面有毛糙、不光滑的現(xiàn)象，因此在三維雕刻加工之前需要對(duì)圖像進(jìn)行平滑及去除噪聲處理。此方案在較小余量的金屬精加工中經(jīng)常應(yīng)用。對(duì)于參數(shù)曲面與曲線，偏差的計(jì)算可通過(guò)弦高差求解，當(dāng)偏差時(shí)，該片分割點(diǎn)的為止，重新計(jì)算最大的偏差，直至滿足為止[47]。在實(shí)際數(shù)控雕刻加工中，可采用刀具頂點(diǎn)作為刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱為刀位點(diǎn)。為了兼顧加工效率和加工精度兩方面的要求，將加工過(guò)程分為粗加工、半精加工及精加工三個(gè)階段,在三個(gè)不同的階段分別采用不同的刀具及不同的刀具路徑。由于采用這種方法生成的刀具軌跡都是直線，刀具軌跡直觀明了，數(shù)控加工的程序段數(shù)較少，每個(gè)程序段的平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)，有利于提高數(shù)控加工的切削效率。由于刀具沿機(jī)床坐標(biāo)軸X及Y方向加工時(shí)，因不存在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)換，加工效率會(huì)更高。磚雕模型曲面多為不規(guī)則曲面，因此，磚雕加工的刀具路徑不能簡(jiǎn)單的選用沿軸平行或沿軸平行，需考慮加工件的工程實(shí)際規(guī)劃不同的刀具路徑。由便可確定雕刻軌跡間的步距，由上式可知：刀具球頭半徑愈大，則在同樣的殘留高度條件下，允許的步距愈大：當(dāng)步距不變時(shí)，雕刻刀具球頭半徑愈大，則殘留痕跡高度愈小。：在研究等步長(zhǎng)法基礎(chǔ)上，對(duì)此方法進(jìn)一步改進(jìn)的所得，該方法包括兩個(gè)過(guò)程：首先按初定步長(zhǎng)分割雕刻曲線，并計(jì)算相鄰兩分割點(diǎn)之間的直線段與曲線段之間的偏差，二是判斷偏差的大小，當(dāng)(為控制值)時(shí)則對(duì)該段曲線進(jìn)一步分割，分割方法為：先求出偏差最大的點(diǎn)Q，以Q為分割點(diǎn)，中心計(jì)算偏差，重復(fù)上述計(jì)算分割過(guò)程，直至為止。此種方案的優(yōu)勢(shì)是加工大區(qū)域效率高，刀具可以修磨。 a）球頭刻刀 b) 平底雕刻刀 精加工刀具示意圖 刀具加工路徑及工藝要求由于加工平面內(nèi)任意區(qū)域可能由一個(gè)或多個(gè)封閉環(huán)組成，一個(gè)封閉環(huán)內(nèi)部可能內(nèi)嵌有三個(gè)封閉環(huán)，而每個(gè)內(nèi)環(huán)內(nèi)部又可能內(nèi)嵌好幾個(gè)封閉環(huán)，所以在對(duì)區(qū)域進(jìn)行加工之前，首先明確每環(huán)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其次在進(jìn)行刀具路徑生成，對(duì)刀具軌跡生成時(shí)，對(duì)沿刀具軌跡的步長(zhǎng)、步距等主要控制參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)定，以達(dá)到良好的加工效果。 粗加工刀具 精雕半精雕加工刀具精雕半精雕加工刀具用于雕刻出模型或產(chǎn)品的實(shí)際外形，產(chǎn)品的質(zhì)量主要取決于精雕刻，適合于精雕刻的刀具類型有：球刀、錐球刀等。 切削刀具介紹切削刀具主要依據(jù)切削參數(shù)、工件材料以及加工精度要求來(lái)選擇[25]，磚雕加工分為粗雕刻加工，和精雕半精雕加工兩部分進(jìn)行，兩次加工采用不同的刀具進(jìn)行。 a）矢量填充圖 b）模型主視圖 c)模型效果圖圖 基于矢量的幾何建模實(shí)例按顏色定義的圖像建模方法，是對(duì)基于矢量圖像建模和灰度圖像建模的一個(gè)補(bǔ)充。由位圖灰度化處理所得的灰度圖像直接建立模型，效果并不美觀。 基于矢量圖像的磚雕建模基于矢量的建模，包括在軟件中全新設(shè)計(jì)的二維輪廓區(qū)域，也包括第二章講述的由位圖圖像轉(zhuǎn)換得到的矢量圖。設(shè)模型的ZMAP柵格定義為式（），其在XY平面上的投影為區(qū)域B，則。2）對(duì)于圓形截面函數(shù)生成的模型曲面，從側(cè)面可光滑的過(guò)渡到平臺(tái)上，而對(duì)于線性截面函數(shù)生成的模型曲面則存在棱，不能光滑過(guò)渡；3）按高度縮放時(shí)，曲面整體按比例縮放，曲面頂部不會(huì)產(chǎn)生平臺(tái)。而藍(lán)色的圓為區(qū)域的最大內(nèi)切圓。對(duì)于給定的磚雕模型的二維的輪廓區(qū)域，曲面的最大高度總在二維輪廓區(qū)域的最大內(nèi)切圓的處。磚雕建模主要方式有：1）基于矢量信息的磚雕建模，即對(duì)圖像矢量化所得的矢量圖和矢量設(shè)計(jì)圖進(jìn)行編輯和產(chǎn)生三維浮雕；2) 基于灰度信息的磚雕建模，即將位圖圖像預(yù)處理后，轉(zhuǎn)化為灰度圖像，然后通過(guò)圖片像素點(diǎn)的顏色信息建立三維浮雕模型；3）基于顏色的磚雕建模，即針對(duì)顏色單一的圖片，對(duì)其顏色定義和編輯浮雕，以達(dá)到建模目的。 } return TRUE。 pGrayLine = pGrayData。 ：Gray=（R+G+B）/3。（b）所示；顏色減少后，采用位圖顏色填充，將背景色填充為純白色，（c）所示；針對(duì)位圖顏色填充遺留的死角，則可選用矢量圖顏色填充，即在死角區(qū)繪制封閉的矢量線圖，(d)(e)所示，并對(duì)其填充， 最終得到圖像預(yù)處理期望的結(jié)果，（f)所示。輪廓表示的精確性由下面三個(gè)方面因素決定[17]： (1)用于輪廓建模的曲線形式；(2)曲線擬合的算法性能；(3)邊緣位置估計(jì)的精確度。Canny從這三項(xiàng)指標(biāo)出發(fā)，推導(dǎo)出了最佳邊緣檢測(cè)算子Canny邊緣算子。可見(jiàn)，Sobel邊緣算子是利用像素上下、左右相鄰點(diǎn)的灰度加權(quán)算法，根據(jù)在邊緣點(diǎn)處達(dá)到極值這一現(xiàn)象，進(jìn)行邊緣檢測(cè)，同時(shí)對(duì)噪聲具有平滑作用，能提供較為精確的邊緣信息，是一種比較常用的邊緣檢測(cè)方法[9~13]。由于磚雕藝術(shù)品雕刻對(duì)圖像的邊緣細(xì)節(jié)要求較高，使用邊緣檢測(cè)算子法提取的圖像邊緣輪廓將為后續(xù)的圖像處理增加難度。假如它是一個(gè)更大算法的一部分，那么這個(gè)算法一般 只檢查圖像的特征區(qū)域。圖像銳化的目的是補(bǔ)償圖像的輪廓,增強(qiáng)圖像的邊緣及灰度跳變的部分，使圖像的邊緣向有利于識(shí)別的方向變化。由于磚雕加工圖像的處理，往往需要一定的細(xì)節(jié)來(lái)刻畫(huà)作品的藝術(shù)品質(zhì)，所以對(duì)中值濾波方式進(jìn)行一定的改進(jìn)，以便更有效的保護(hù)邊界的同時(shí)保留圖像細(xì)節(jié)特征。 p(1)n+1 for j=1: p(2)n+1 c=x1(i:i+(n1) j:j+(n1))。記作： ()在中值濾波中，要設(shè)定像點(diǎn)的鄰域，圖像中值濾波后各像點(diǎn)的輸出等于該像點(diǎn)鄰域中所有像素灰度的中值，即存在一個(gè)滑動(dòng)的窗口，窗口內(nèi)所有像素灰度的中值作為窗口中被濾波的像點(diǎn)處理后的灰度。圖像中的噪聲往往和信號(hào)交織在一起，尤其是乘性噪聲，如果平滑不當(dāng)，就會(huì)使圖像本身細(xì)節(jié)模糊不清。圖像矢量化的目的是確定精確圖像邊緣，為后續(xù)能順利進(jìn)行建模和編程做準(zhǔn)備，圖像矢量化處理后需符合以下條件：? 位圖矢量化后的輪廓必須都為封閉，不允許存在自交叉或互交叉的現(xiàn)象。第2章 磚雕圖樣的計(jì)算機(jī)圖像處理 引言磚雕作為一種藝術(shù)的表現(xiàn)形式，與機(jī)械零件產(chǎn)品不同，它沒(méi)有嚴(yán)格的尺寸要求，只是對(duì)物體特征做感性的描述。其中ArtCam和Type3功能比較完善[7] 研究?jī)?nèi)容、名家字畫(huà)等，考察磚雕實(shí)物，建立三維數(shù)字化效果圖樣。 雕刻加工中的雕刻機(jī)器人從硬件角度上講，國(guó)外及臺(tái)灣地區(qū)的數(shù)控雕刻機(jī)發(fā)展比較早，在80年代初就出現(xiàn)了數(shù)控雕刻機(jī)，如法國(guó)的OMAG大理石雕刻機(jī)、德國(guó)REICHENBACHER公司的系列雕刻機(jī)、臺(tái)灣大量公司的系列數(shù)控雕刻機(jī)等。磚雕的雕刻工藝是采用傳統(tǒng)的口授師傳或祖?zhèn)髅厥诘姆绞绞谕?沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范的文字教材,國(guó)內(nèi)外暫無(wú)對(duì)改善磚雕加工方法的系統(tǒng)研究，迄今磚雕仍由工匠借助簡(jiǎn)單輔助工具（折尺、鋸子、刨子、鉆、鏟、刻刀等）手工雕刻而成的，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)處于零散的小規(guī)模、小作坊式階段。 a)臨夏東宮館天井 b) 天井影壁 c）甬道長(zhǎng)廊 d）百物窗 磚雕實(shí)例隨著近年房地產(chǎn)業(yè)的繁榮，以吉祥為主題的裝飾磚雕在各建筑庭院中逐漸復(fù)興，除沿用磚雕裝飾墻面外，一些精美磚雕工藝品也出現(xiàn)在室內(nèi)裝飾裝潢中。√不保密□。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。通過(guò)研究典型的圖像平滑、圖像銳化、圖像邊緣檢測(cè)算子及圖像追蹤處理方法，如高斯噪聲濾波、中值濾波、高通濾波、Robert一階梯度算子和Laplacian二次微分算子等，并綜合各圖像處理方法的優(yōu)點(diǎn)，處理典型的磚雕加工素材；同時(shí)，針對(duì)掃描的手工圖，提出顏色減少和顏色填充的處理方法；針對(duì)彩色圖像，研究圖像灰度處理方法。為緩解市場(chǎng)壓力，個(gè)別企業(yè)正采用通過(guò)水泥澆筑模具來(lái)加工仿磚雕制品，考慮其經(jīng)濟(jì)性，模具制造仿磚雕產(chǎn)品并不適用于單件、小批量生產(chǎn)，在企業(yè)追求最大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，大量相同的仿磚雕制品正威脅著傳統(tǒng)磚雕的多樣性，且使用模具制造仿磚雕制品需事先人工雕刻模型，并不能從根本上解決磚雕手工作業(yè)的問(wèn)題。，當(dāng)前磚雕的生產(chǎn)狀態(tài)仍處于手工作業(yè)階段。80年代后期隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和精密數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，雕刻機(jī)進(jìn)入了CAD/CAM集成化階段，如：臺(tái)灣大量公司的熒屏驅(qū)動(dòng)交互式