【摘要】在（zài）當前（qián）工業生產中,激（jī）光切割技術廣泛應用於產品的加工與改進（jìn）,尤其（qí）在高精密儀器工件的加工（gōng）製（zhì）作方麵,有比較大的影響（xiǎng）。機器視（shì）覺是（shì）用機（jī）器代替人眼來做測量和判斷的技術,具有比人眼測量（liàng）和工具測量更精密更便捷的特點。當代激（jī）光切割機的應用還存在著一些缺陷,我（wǒ）們設想將機器（qì）視覺技術（shù）融入（rù）激光（guāng）切割中,開拓它們的適用區（qū）間,使它可以應用於更（gèng）多方麵,也使加工步驟更簡便。
   
      【關鍵詞】機器視覺；激光切割；圖（tú）像拚接；采集數據（jù）
 
       1、 激光切割技術與機器視覺技術
 
      激光切割是用聚焦鏡（jìng）將CO2 激（jī）光束聚焦在材料表麵使材料熔化（huà）, 同時（shí）用與（yǔ）激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料,並使激光（guāng）束與材料沿一定軌跡作相對運動（dòng）,從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術廣泛應用於（yú）金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時（shí）間,降低加工成本,提高工件質量。激光切割設備通常采用計算（suàn）機化數字控製技（jì）術(CNC)裝置。采用該裝置後,就可以利用電話線從（cóng）計算機輔助設計(AUTO CAD)工作站來接受切割數據。近年來（lái）激光切割作為一門發（fā）展極快的高效製造加工技術受到各個國家政府（fǔ）和工（gōng）業部門的重視,尤其是激光加工設備和激光器（qì）的發展成為工程（chéng）學的（de）一項重要課題。機器視覺（jiào）就是用機器代替人眼來做測量（liàng）和判斷。機（jī）器視覺係統是指通過機（jī）器視覺產品(即圖像攝取裝置,分CMOS 和CCD 兩種)將被攝取（qǔ）目標（biāo）轉換成圖像信號,傳送（sòng）給專用的圖像處理係統,得到被攝目標（biāo）的形態信息,根據像素分布和（hé）亮度、顏色等信息,轉變成數字化信號﹔圖像係統對這些信號進行各種運算來抽（chōu）取目標（biāo）的特征,進而根據判（pàn）別的結果（guǒ）來控製（zhì）現場（chǎng）的設（shè）備（bèi）動作（zuò）。在（zài）此次試驗中,圖像信號提取後會（huì）被轉化為CAD 圖形,進（jìn）而實現導入激光切（qiē）割設備進行切割。
 
     2 、對激光切割機的改進
   
     2.1 基於原有功能的設想
 
     由計算機圖形學可知,圖像是由（yóu）圖形元素,即像素組成（chéng）的二維矩陣。一幅圖像由許多（duō）個象素點組成,每個象素點包含著反映圖（tú）像在該點的（de）明（míng）暗和顏色變化等信息,任何字符和複雜的圖形圖像都可（kě）以看做（zuò）是由點集合而成的像素點陣。目前,使用點陣法獲得圖像的數控雕刻機均采取掃描像素點陣的工作方式,讓雕刻頭裝置(激光束（shù）或其他可蝕刻、產生點的機構)與被雕刻材料之間做相對運（yùn）動,並由計算機按照象素點的明暗信息控製雕刻頭裝置“打點”或“不打點”的（de）兩種工作狀態（tài）,使得雕刻（kè）頭裝置按所需的圖案軌跡進行刻畫,從而在被雕刻（kè）材料上得到由點或線構成的一幅（fú）圖像（xiàng）。數控雕刻機的掃描（miáo）一般是以步進電機為動力, 步進電（diàn）機將數控係統的（de）數字脈衝信號轉換為直線位移,通過傳（chuán）動機構帶動雕刻頭裝（zhuāng）置作往複直線（xiàn）、間歇的“步進”運動。[1]因此, 普通激光切割機在已獲取切割路徑的情況下可以完成複雜的切割。但是,在擁有實體而（ér）缺失圖紙的（de）情況下,製作完（wán）全一樣的個體是需要突破的問題,我（wǒ）們設想用一種方（fāng）式得到實體的圖像數（shù）據,並使生成（chéng）的圖像數據轉化（huà）為激光切割信（xìn）息（xī）輸出, 最終實現實體和切割路徑的轉換。獲取圖像數據,圖像采集是第一步工作。較早（zǎo）人們常采用照（zhào）相機作為圖像捕獲（huò）的主（zhǔ）要手段,由於相（xiàng）片需要掃（sǎo）描才可用於進（jìn）一步處理,所（suǒ）以圖像質量（liàng）不高,直（zhí）接影響（xiǎng）了圖像拚接的結果。數碼相機的應用提高了采集圖像的（de）質量, 同時普通攝像機及CCD 攝像機采集的實時的視頻序列也常用於圖像拚接。圖像獲取（qǔ）方式的（de）不同會導致輸入圖像的（de）不同,最後的拚接結（jié）果也不（bú）同。圖像采集由照（zhào）相機拍攝時的運動狀態決定,一般有三種情況：
 
     (1)照相機固定在三角架上,旋（xuán）轉照相機拍攝（shè）﹔
     (2)照相機放置與一個滑軌上,平行（háng）移動（dòng）照相機進行拍攝﹔(3)手持照相機拍（pāi）攝（shè）,站在原地拍攝四周,或者沿著照相機得光軸垂直方（fāng）向走動拍攝。[2]在本實驗中采用第二（èr）種運動方式。
 
     2.2 改進方法與結構設計
 
     要求（qiú）在達（dá）到目的的同時減少浪費資源,做到（dào）快捷高效,我們做出了以下（xià）改進（jìn）設計。我們在激光（guāng）切割機主控杆裝置上加裝一（yī）台小型工業攝像機,它與激光出射裝置相關聯, 隨激（jī）光出射裝置配合（hé）切割路徑進行平麵運動。如圖1。

       
                       圖1 實物圖
    
     2.3 機器視覺對激（jī）光加工技術的完善（shàn）
 
    一般來說（shuō）,機器視覺（jiào）技術（shù）從大的方麵可分（fèn）為前端的（de）成像技術和後端的（de）圖像處理（lǐ）技術,一個（gè）完整的機器視覺係統由光源、鏡頭、相機、采集卡及處理軟件構成(如圖（tú）2)。從某種（zhǒng）意義上來看,機器視覺在一些領域完全可以取代人眼去觀察一個生產過程的細節部分（fèn）,這也是機器視覺的功能的重要體現———把某些人眼無法看到的生產加工過程以圖像的形式在計算機上呈現在生產加工人眼的眼前。如果機械視覺應用得當的話,它（tā）將更大程度地提高工作效率,縮（suō）短工作時間,這（zhè）也更符合當（dāng）今世界的（de）生產理念。
  
  

    
                      圖2 機器視覺組成結構圖（tú）
       
     2.4 操作方案
 
     設置好拍照參數,在拍（pāi）攝樣品（pǐn）時使樣品水（shuǐ）平放置（zhì）
 
     在操（cāo）作台上,為激光切割機輸入特定的路徑,使之按照規定路線（xiàn）進行小幅（fú）圖像的（de）拍攝(此時關（guān）閉激光)。
 
     2.4.1 對樣品切割信息的提取
 
     激光切割機可以快捷高效的完成對輸入圖像的切割,但是對於複雜且沒有切割信息的樣品,我們首先要完成的是對樣品切割信息的提（tí）取。第一（yī）步,獲得清晰的圖像。我們依靠工業相機來完（wán）成,由（yóu）於激（jī）光切割對數據的準確度要求（qiú）較高,拍攝單幅圖像時會發生圖像邊（biān）緣部分發生細微形變的情況,或因為視角的傾斜程度（dù）、拍攝角度等問題產生失真（zhēn）,我們解決的方法是使工業攝像機平行於切割麵進（jìn）行路線合理的（de）平行移動,每隔一定（dìng）的距離進行一次拍攝,從而得到一組該樣品的切割麵平麵圖像。
 
     2.4.2 圖像的編輯與設（shè）置（zhì）
   
     獲得圖（tú）像後（hòu）開始進行圖像的（de）規範,我們需要把（bǎ）這組圖像經過圖像拚接、圖像融（róng）合等技術轉化為一（yī）幅完整的可（kě）以進行工作的圖像。本文采用了2004 年David Lowe 改進的SIFT[5]算法完成圖像序列特征（zhēng）點的提取。SIFT 算法是一種（zhǒng）電腦視覺算法,它在空間尺度中尋找極值點並提取出位置、尺度（dù）、旋轉不變量。SIFT 算法又稱尺度不變特征點提取方法,其實（shí）現主要包含4 個步驟：
 
    ①檢（jiǎn）測尺度空（kōng）間極值﹔②精煉特征點位置（zhì）﹔③計算特（tè）征點的描述（shù）信息﹔④生成本地特征描述符（fú）。得到的特征點具有尺度不變性,能夠正確的提取尺度和視角變化較大的圖像序
列中（zhōng）存在的特征（zhēng）點,有效地克服（fú）了輸入圖像中的噪聲幹擾。下一步驟圖像配準采用的是基於特征點的圖像配準（zhǔn）方法,即通過匹配點對構建圖像序列之間的變換矩陣,從而（ér）完成（chéng）全景圖像的拚接。為了提高圖像配準的精度,本文采用了RANSAC[6],LM 等算法對圖像變換矩陣進（jìn）行求解與精煉,達到了較好（hǎo）的圖像拚接效果。最後進行圖像融（róng）合,進行圖像拚（pīn）接縫合線處理的方法有很多種,如顏色插值和多分辨率樣條技術等。有（yǒu）以上過程可以得到完整圖（tú）像。[3]
 

                                          圖3 圖像（xiàng）處理流（liú）程
     
     啟用Photoshop 參（cān）照激光切（qiē）割機操作手冊進行（háng）圖像預（yù）處理, 處理完成（chéng）後選擇“圖像/旋轉（zhuǎn）畫布/水平（píng）翻轉”將圖形翻轉（zhuǎn）,在“文件/存儲副本”中以“BMP”格式保（bǎo）存圖形,圖形處理完（wán）畢（bì）可以在設定參數後（hòu）輸入激光（guāng）切（qiē）割機進行工作（zuò）,從而得到與樣品一（yī）模一樣的成品。對激光內雕機來說,軟件係統包含三維圖（tú）形處理軟件,三維圖形編（biān）輯軟件可以導入（rù）DXF,BMP,JPG,GIF,PLT 等文（wén）件格式進（jìn）行（háng）處理,同時顯示三維圖形在XY,YZ,XZ 平麵的投影以及整個立體圖形。可以手工對圖形進行相關的處理,以滿足（zú）自己（jǐ）的要（yào）求。