【摘（zhāi）要】在當前工業生產中,激光切割技術廣泛應用於產品的加工與改（gǎi）進（jìn）,尤其在高精密儀器工（gōng）件的（de）加工（gōng）製作方麵,有比較大的影響。機（jī）器視覺是用機器代替人（rén）眼來做測量和判斷的技術（shù）,具有比人（rén）眼測量和工具測量更精密更（gèng）便（biàn）捷（jié）的特點。當（dāng）代激光切割機（jī）的應用還存在著一些缺陷（xiàn）,我們（men）設想將機器視覺技術融入激光切割中,開拓它們的適用區間,使它可以應用於更多方麵,也（yě）使加工步驟更簡便。
   
      【關鍵詞】機器視覺；激光切（qiē）割；圖像拚接；采集數據
   
      1、 激光切割技術與機器視覺技（jì）術
 
      激光（guāng）切割是用聚焦（jiāo）鏡將CO2 激光束聚（jù）焦在材料表麵使（shǐ）材料熔化（huà）, 同時用與激光束同（tóng）軸的壓縮氣體吹（chuī）走（zǒu）被熔化的材料,並使激光束與材（cái）料沿一定軌跡作相對運動,從而形成一定形狀的切縫。激光切割技術廣泛應用於金屬和（hé）非金（jīn）屬材料（liào）的加（jiā）工中,可大（dà）大減少加工時（shí）間,降低加工成本,提高工件質（zhì）量。激光切割設（shè）備通常（cháng）采用計算機化數字控製技術(CNC)裝置。采用該裝（zhuāng）置（zhì）後,就（jiù）可（kě）以利用電話線從計算機輔助設計(AUTO CAD)工作站（zhàn）來接受切割數據。近年來激光切割作為一門發展極（jí）快的高效製造加工技術受到各個國家政府和工業部門的重視（shì）,尤其是激光加工（gōng）設備和激光器的發展成為工程學的一（yī）項重要課題。機器視覺就是用機器代替（tì）人（rén）眼來做（zuò）測量和判斷（duàn）。機器視覺係統（tǒng）是指通（tōng）過機器視覺（jiào）產品(即圖像攝取裝置,分CMOS 和CCD 兩種)將被攝取目標轉換成圖像（xiàng）信號,傳送給專用的圖像（xiàng）處理係統,得到被攝目標的形態信（xìn）息,根據像素分布和（hé）亮度（dù）、顏色等信息,轉變成數字化信（xìn）號（hào）﹔圖像係統對這些（xiē）信號進行各種運算來抽取（qǔ）目（mù）標（biāo）的特征,進而根據判別的結果來控製現場的設備（bèi）動作。在此次試驗中,圖像信號提取後會被轉化為CAD 圖形,進而實現導入激光切割設備進行切割。
 
      2 、對激光切割機的改進
 
     2.1 基於原有功能的設（shè）想
 
      由計算機（jī）圖（tú）形學可知,圖像是由（yóu）圖（tú）形元素,即像素組成的（de）二（èr）維矩（jǔ）陣。一幅圖像（xiàng）由許多個象素點組成,每個象素點包含著反映圖像（xiàng）在該點（diǎn）的明暗和顏色變化等信息,任（rèn）何字符和複雜（zá）的圖形圖像都可以看做（zuò）是由點集（jí）合而成的像素點（diǎn）陣。目前,使用點陣法獲得圖像的數控雕（diāo）刻機均采取掃描像素點陣的工作方式（shì）,讓雕刻頭裝置(激光束或其他可蝕刻、產（chǎn）生點的機（jī）構)與被雕刻材料之間做（zuò）相對運動,並（bìng）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”的兩種工（gōng）作狀態（tài）,使得雕刻頭裝置按所需的圖案軌跡進行刻畫,從（cóng）而在被雕刻材料上（shàng）得到由（yóu）點或（huò）線構成（chéng）的一幅（fú）圖像。數控（kòng）雕刻機的掃描一般是（shì）以步進電（diàn）機為動力, 步進電機將（jiāng）數控係統的（de）數字脈衝信號轉換為直線位移,通（tōng）過傳動機構帶動雕刻頭裝（zhuāng）置作往複直線、間歇的“步進”運動。[1]因此, 普通激光切割機（jī）在已獲取切割路徑的情況下可以（yǐ）完成複雜的切割。但是,在擁有（yǒu）實體而缺失圖紙的情況（kuàng）下,製作完全一樣的個體是需要突破（pò）的問題（tí）,我們設想用（yòng）一種方式得到實體的圖（tú）像（xiàng）數據,並使生成的圖像數（shù）據轉化為激光（guāng）切（qiē）割信息輸出, 最終實現實體（tǐ）和切割路徑的轉換。獲取圖像數據,圖像采集是第一步工作。較早人們（men）常采用照相機作為（wéi）圖像捕獲的主要手段,由於相片需要掃（sǎo）描（miáo）才可用於進一步處（chù）理（lǐ）,所以圖像質量不（bú）高,直接影響了圖像拚接的結果。數（shù）碼相機的應用（yòng）提高了（le）采（cǎi）集圖像的質量, 同時普通攝像機及CCD 攝像（xiàng）機采集的實（shí）時的視頻序列也常用於圖像拚接。圖像獲取（qǔ）方式的不同會導致輸入圖像的不同,最後的拚接結果也不同。圖像采集由照相機（jī）拍攝時（shí）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,旋轉照相機拍攝（shè）﹔(2)照相機放（fàng）置與一個滑軌上（shàng）,平行移動照相機進行拍攝﹔(3)手持照相機拍攝,站在（zài）原地拍攝四周,或者沿著照相機得光垂直方向走動拍攝。[2]在本實驗中采用第二種運（yùn）動（dòng）方式。
 
      2.2 改進方法與結構設計
   
      要求在達到目的的同時減少浪費資源（yuán）,做到快（kuài）捷高（gāo）效,我們做（zuò）出了以下改進設計。我們在激（jī）光切割機主控杆裝置上加裝一台小型工（gōng）業攝像機,它與激光出射裝置相（xiàng）關聯, 隨激（jī）光出射裝置配合切割路（lù）徑進行平麵運動。如圖1。
  
  

      
       圖1 實物圖（tú）
     
       2.3 機器（qì）視覺對激光加工技術的完（wán）善
 
      一（yī）般來說,機器視覺技術從大的方麵可分為前端的成像技術和後端（duān）的圖（tú）像處理技術,一個完（wán）整的機器視覺係統由光（guāng）源、鏡頭、相機、采集卡及處理軟件構成(如圖（tú）2)。從某種意義（yì）上來看,機器視覺在一些領域完全可以（yǐ）取代人眼去觀察一個生產過程的細節部分,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,它將（jiāng）更大程度地提高工作效率,縮短工作時間,這也更（gèng）符合當今世界的生產理念。

        
      圖2 機器視覺組成結構圖
   
      2.4 操作（zuò）方案
   
      設置好拍照參數,在拍攝樣品時使（shǐ）樣品水平放置在操作台（tái）上（shàng）,為（wéi）激光切割機輸入特（tè）定的路徑,使之按照（zhào）規定路線進行小幅圖像的拍攝(此時（shí）關閉激光)。
 
      2.4.1 對樣品切割信（xìn）息的（de）提取
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     激光切割機可以快捷高效的完成（chéng）對輸入圖像的切割,但是對於複（fù）雜且沒有切割（gē）信息的樣品,我們首先要完成的是對樣（yàng）品切割信息的提取。第一步,獲得清晰的圖像。我們依靠工業相機來完成,由於激光切割對數據的準確度要（yào）求（qiú）較高,拍攝單幅圖像時會發生圖像邊緣部分發生細微形變的情況,或因為視角的傾斜程度、拍（pāi）攝角度等問（wèn）題產生失真（zhēn）,我們解（jiě）決的方（fāng）法是使工（gōng）業攝像機平行於切割麵進行路（lù）線合理的平行移（yí）動,每（měi）隔一定的距離進行一次拍攝,從而得到一組該樣品的（de）切（qiē）割麵（miàn）平麵圖像。
 
      2.4.2 圖像的編輯與設置
   
      獲得圖像後開始進行圖像的規範,我們需（xū）要把這組圖像經過圖像拚（pīn）接、圖像融合等技術轉（zhuǎn）化為一幅完整的可以進行工作的圖像。本文采用了2004 年David Lowe 改進的SIFT[5]算法完（wán）成圖像序列（liè）特征點的提取。SIFT 算法（fǎ）是一種電腦視覺算法,它在空間尺度中尋找極值點並提取（qǔ）出位置、尺度、旋轉不（bú）變（biàn）量。SIFT 算法又（yòu）稱尺度不（bú）變特征點提取方法,其實現主要包含4 個步驟：①檢測尺度空間極（jí）值﹔②精煉特征點位置﹔③計算特征點的描述（shù）信息﹔④生成本地特征描述符。得到的特征點具有尺度不變性,能（néng）夠正確的提取尺度和視角變化較大的圖像序列中存在的（de）特征點（diǎn）,有效地（dì）克服（fú）了輸入（rù）圖像中的（de）噪聲（shēng）幹擾。下（xià）一步驟圖像配準采用的是基（jī）於特征點的圖像配準方法（fǎ）,即（jí）通過匹配點對構建圖像序（xù）列之間（jiān）的（de）變換矩陣,從而完成全景圖像的拚接。為了提高圖（tú）像配準的精度,本文采用（yòng）了RANSAC[6],LM 等算（suàn）法對圖像變換矩陣進行求解與精煉,達到了較好的圖像拚接效果。最（zuì）後進行圖像融合,進行圖像拚接縫合線處理的（de）方法有很多種,如顏色（sè）插值和多分辨率樣條技術等。有以上過程可以得到完整圖像。
  

     
  
      圖3 圖像處理流（liú）程
 
 
      啟用Photoshop 參照（zhào）激光切割機操作手（shǒu）冊進行圖像（xiàng）預處理, 處理完（wán）成後選擇“圖像/旋轉畫布/水平翻轉”將圖（tú）形翻轉,在“文件/存儲副本”中以“BMP”格式保存圖形,圖形處理完畢可以在設定參數後輸入激光切割機進行（háng）工作,從而得到與樣品一模一（yī）樣的成品。對激光內雕機來說,軟件係統包（bāo）含三維圖形處理軟件,三維圖形編輯軟件可以導DXF,BMP,JPG,GIF,PLT 等文（wén）件格式進行處理,同時顯示三維圖形在XY,YZ,XZ 平麵的投影以及整（zhěng）個立體圖形。可以手工對圖形進（jìn）行相關的處理,以滿足自己（jǐ）的要求。