CN102175173A - 基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法。该方法将写有艺术字的纸张平铺在三坐标测量机的工作台上，由线激光测头对纸张进行全面扫描。当激光线由纸张无字背景区域进入艺术字所在区域时，由于纸张无字背景与艺术字之间存在色差，线激光测头会因为对不同颜色的敏感程度不同而产生色差效应，使测量值在色差变化处发生跳跃。系统记录这些跳跃点，存为边界轮廓点，然后将边界轮廓点拟合成封闭的B样条曲线，获得被测艺术字的轮廓。该方法利用线激光测头在测量过程中存在色差效应的特点实现二维艺术字轮廓提取，过程简单，易于实现，拓展了线激光测头的应用范围。

Description

基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法

技术领域

本发明涉及艺术字轮廓提取方法，尤其是涉及一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法。

背景技术

艺术字，如书法家书写的书法文字或字体设计师设计的变体文字，具有传播文化、展现史韵、体现美感、增添趣味、醒目易认、表达理念等作用，广泛应用于生活用品、宣传、广告、商标、标语以及商品包装与装潢。

当书法家或设计师在二维图纸上完成创作后，一般需要提取所创作艺术字的轮廓，即对艺术字进行数字化测量，将艺术字由实体图转化为矢量图，以便于设计重用、二次创新设计，及利用CAD/CAM技术将创作的艺术字应用到实际的产品中。

目前艺术字轮廓提取主要有两种方法：①手工提取法，根据艺术字的实体图，在专业的设计软件上进行仿形重画，由专业软件获得艺术字轮廓；②图像处理法，用CCD摄像机摄取艺术字图像，然后利用图像边缘检测算法提取艺术字轮廓。其中方法①不需要硬件传感器，方法简便，但仿形重画依赖人的主观性，容易使原始设计失真；方法②可以有效提取艺术字轮廓，但该方法依赖CCD传感器，且需要设计图像边界提取算法。

线激光测头具有非接触式测量、数据采集速度快、测量精度较高等优点，在逆向工程三维形貌数据采集方法方面有着广泛的应用。线激光测头以接收入射激光线在被测物体表面产生的漫反射光为反馈信息计算测量距离，因为不同的颜色对测头发出的近红外激光的吸收程度不一致，所以表面颜色对测量结果有一定的影响。线激光测头因为被测量表面各区域之间存在色差而引起测量误差的特性称为“色差效应”。相对其它颜色，黑色的色差效应最为明显（以白色为基准），因为黑色吸收光能多，使漫反射光强大幅度减弱，而传感器将这种减弱视为距离变化引起。色差效应是线激光测头的缺点，在实际的应用中为了避免色差效应，需要在被测物体表面喷射一层白色的显影剂，以消除色差并获得良好的漫反射效果。

发明内容

针对现有艺术字轮廓提取方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法，将线激光测头的“缺点”转化为一种识别色差的能力，以线激光测头在纸张无字背景与艺术字之间产生的色差效应为依据，实现二维艺术字的轮廓提取。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

1)将写有艺术字的纸张平铺在三坐标测量机的工作台上；

2)将线激光测头安装在三坐标测量机的Z轴上，并使线激光测头的激光线垂直于三坐标测量机的X轴，然后调节三坐标测量机Z轴的高度，使写有艺术字的纸张在线激光测头的量程范围内；

3)驱动三坐标测量机，使线激光测头沿±X轴方向来回扫描，直至完成对整个纸张的扫描；

4)调整线激光测头的方向，使线激光测头的激光线平行于三坐标测量机的X轴，然后调节三坐标测量机Z轴的高度，使写有艺术字的纸张在线激光测头的量程范围内；

5)驱动三坐标测量机，使线激光测头沿±Y轴方向来回扫描，直至完成对整个纸张的扫描；

6)在线激光测头扫描过程中，测量系统按逐个激光线的形式记录扫描数据；

7)测量结束后，导出线激光测头获得的扫描数据，并按逐个激光线的顺序进行处理，找出每条激光线数据中的跳跃点，并保存为边界轮廓点；

8)将获得的边界轮廓点拟合成封闭的B样条曲线，获得艺术字的轮廓。

所述的艺术字是指用毛笔或用书写笔书写在白色纸张上的黑色艺术字。

所述的线激光测头的基准距为95mm，有效测量宽度为60mm，可测深度为60mm；线激光测头的输出为激光线上测点的三维坐标值。

所述的测量系统按逐个激光线的形式记录扫描数据，具体方法为：从激光线的起始端逐个记录测点的坐标值直到激光线的结束端，然后插入一个结束标识符“end”；接着按同样的方法记录下一条激光线的扫描数据。

所述的找出每条激光线数据中的跳跃点，具体方法为：在获得的扫描数据中按顺序取点，直到“end”标识符结束取点，然后逐个考察取

出的点的坐标值，将Z轴坐标值发生突变的点记为跳跃点；接着用同样的方法处理后面的扫描数据。

本发明具有的有益效果是：

1）只需线激光测头对二维纸张进行全面扫描就可以提取纸张上艺术字的轮廓，为艺术字轮廓提取提供了新方法。

2）使运用于三维形貌测量的线激光测头同时具备测量二维文字轮廓的能力，拓展了线激光测头的应用范围。

3）装置结构简易，算法简单，易于实现。

附图说明

图1是测量装置示意图。

图2是线激光测头设备参数示意图。

图3是沿±X轴向扫描效果示意图。

图4是沿±Y轴向扫描效果示意图。

图5是激光线上测点数据记录过程示意图。

图6是艺术字边界点提取方法示意图。

图7是对对艺术字“浙江大学”数据进行边界点提取后的示意图。

图8是边界点排序过程示意图。

图9是图7所示边界点拟合成B样条曲线后的效果示意图。

图中：1、三坐标测量机Z轴，2、线激光测头，3、激光面，4、激光线，5、艺术字，6、纸张。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明将线激光测头2安装在三坐标测量机的Z轴1上，写有艺术字5的纸张6平铺在三坐标测量机的工作台上，当线激光测头2处于开启状态时，测头发出一个三角状的激光面3，在纸张上产生一条激光线5。

本发明所使用的线激光测头2为F-SCAN LS60型测头。如图2所示，该F-SCAN LS60型测头的基准距为95mm，有效激光线长度为60mm，可测深度为60mm。F-SCAN LS60型测头以接收入射激光线4在被测物体表面产生的漫反射光为反馈信息计算测量距离。

实现本发明主要包括八个步骤，具体如下所述。

一、艺术字5准备：

本发明所针对的艺术字5专指用毛笔将黑色艺术字5写在白色纸张6上。这是因为本发明利用线激光测头2的色差效应识别艺术字5边界，白色和黑色之间色彩对比度很大，吸收或反射入射光的能力有很大差别。白色吸收光能的能力较弱，反射光能的能力较强，而黑色吸收光能的能力较强，反射光能的能力较弱。当激光线由纸张6无字背景区域进入艺术字5区域时，由于漫反射光被大幅度削弱，色差效应明显，测量值产生较大的测量误差。若纸张6无字背景与艺术字5之间的颜色接近，则色差效应不明显，线激光测头2产生的测量误差较小，从而利用色差效应识别艺术字5边界的能力将减弱。

测量开始前将写有艺术字5的纸张6平铺在三坐标测量机的工作台上，使艺术字5沿X轴方向展开，并保证纸张6的平整，可以用胶布将纸张6固定在测量机工的作台上。

二、调整线激光测头2方向：

调整线激光测头2的方向，使纸张6上的入射激光线4垂直于三坐标测量机的X轴。驱动三坐标测量机，调整激光测头2的空间位置，使激光线4对准纸张6的左上角。适当调节三坐标测量机Z轴的高度，使写有艺术字5的纸张6在线激光测头2的量程范围内。

三、沿±X轴方向扫描：

驱动三坐标测量机，使线激光测头2沿+X轴方向扫描，到达纸张6右端后沿-Y轴方向进给△y（△y取激光线4有效长度的3/4），然后沿-X轴方向继续扫描。以上过程反复进行，直至完成对整个纸张6的扫描。

如图3所示，是线激光测头2对“大”字进行±X轴向扫描的效果示意图。从图3中可知，当线激光测头2沿±X轴方向往复扫描时，激光线4与被测文字中呈横向分布的笔画存在充分多的交点，而与呈竖直分布的笔画构成的交点不多，甚至没有交点，这不利于构建准确、完整的文字轮廓。为了充分获得各式笔画上的边界点，下面将改变线激光测头2的方向，对被测艺术字5进行二次测量。

四、改变线激光测头2方向：

改变线激光测头2的方向，使纸张6上产生的入射激光线4平行于三坐标测量机的X轴。驱动三坐标测量机，调整激光测头2的空间位置，使激光线4

对准纸张6的左上角。适当调节三坐标测量机Z轴的高度，使写有艺术字5的纸张6在线激光测头2的量程范围内。

五、沿±Y轴方向扫描：

驱动三坐标测量机，使线激光测头2沿-Y轴方向扫描，到达纸张6底端后沿+X轴方向进给△x（△x取激光线4有效长度的3/4），然后沿+Y轴方向继续扫描。以上过程反复进行，直至完成整个纸张6的扫描。

如图4所示，是线激光测头2对“大”字进行±Y轴向扫描的效果示意图。从图4中可知，当线激光测头2沿±Y轴方向往复扫描时，激光线4与被测文字中呈竖直分布的笔画也构成充分多的交点，与沿±X轴向往复扫描的结果相结合，就可以获得完整的边界数据。

六、记录激光扫描数据：

在线激光测头2扫描过程中，系统按逐个激光线4的形式记录扫描数据。如图5所示，设l ₁、l ₂、l ₃…l _n 是扫描过程中的激光线4，以l _n 为例，扫描数据的记录方式为：设A、B为激光线4有效长度的起点与终点，直线AB由紧密排列的采样点组成。系统从A点开始，沿-Y轴方向逐点记录采样点的三维坐标值。如图5所示，记录数据的文档每行有三个元素，分别表示采样点的坐标值在X、Y、Z轴上的分量。记录完B点的坐标值后，系统插入一个“end”标识符，表示完成了对一条激光线4采样数据的保存。然后以同样的方式保存后面激光线4上的采样数据。

七、处理扫描数据：

测量结束后，系统导出线激光测头2获得的扫描数据，并按逐个激光线4的顺序进行处理，找出每条激光线数据中的跳跃点，并保存为边界轮廓点。具体方法为：在获得的扫描数据中按顺序取点，直到“end”标识符结束取点，然后逐个考察取出的点的坐标值，将Z轴坐标值发生突变的点记为跳跃点。接着用同样的方法处理后面的点。

Z轴坐标值发生突变的点即为边界轮廓点的依据是：如图6所示，设P₁、P₂、…、P _i 、P _i+1、P _i+2、P _i+3、…、P _j 、P _j+1、P _j+2、…、P _n 为激光线4有效长度上的采样点，其中P₁、P₂、…、P _i  和P _j+1、P _j+2、…、P _n 位于纸张6无字背景区域，P _i+1、P _i+2、P _i+3、…、P _j 位于艺术字5区域。下面从P₁到P _n 依次分析采样点的Z轴坐标值变化情况，P₁、P₂、…、P _i 在纸张6无字背景区域，从P₁到P _i 线激光测头2接收到的漫反射光不会发生明显变化，从而P₁、P₂、…、P _i 的Z轴坐标值也不会发生明显变化。从P _i+1开始测点进入艺术字5区域，由于黑色的艺术字

5吸收光能多，使漫反射光能大幅度降低，传感器误认为是测点远离引起，所以测点的Z轴坐标值向-Z轴方向发生突变，P _i+1即视为艺术字5的边界点。P _i+1、P _i+2、P _i+3、…、P _j 位于艺术字5区域内，从P _i+1到P _j 线激光测头2接收到的漫反射光不会发生明显变化，从而P _i+1、P _i+2、P _i+3、…、P _j 的Z轴坐标值也不会发生明显变化。从P _j+1开始测点由艺术字5区域回到纸张6无字背景区域，由于白色的纸张6无字背景区域吸收光能少，而反射光能多，使漫反射光大幅度增强，传感器误认为是测点靠近引起，所以测点的Z轴坐标值向+Z轴发生突变，P _j+1即视为艺术字5的边界点。P _j+1、P _j+2、…、P _n 在纸张6区域，从P _j+1到P _n 线激光测头2接收到的漫反射光不会发生明显变化，从而P _j+1、P _j+2、…、P _n 的Z轴坐标值也不会发生明显变化。

如图7所示，是用线激光测头2对艺术字“浙江大学”进行扫描，然后对扫描数据进行边界点提取后的结果。

八、B样条曲线拟合：

将边界点拟合成B样条曲线前，首先使用邻近点搜索法对获得的边界点进行排序。如图8所示，设V₁、V₂、…、V _n 为获得的艺术字5边界点，则排序方法如下所述。

①开辟堆栈S₁、S₂将V₁、V₂、…、V _n 压入堆栈S₁；

②在S₁中任取一点如V₁为种子点与起始点，并将V₁压入S₂，在S₁中删除V₁；

③在S₁中寻找与点V₁距离最近的点V₂，然后将V₂压入S₂，在S₁中删除V₂；

④以V₂为起始点，在S₁中寻找距离V₂最近的点V₃，然后将V₃压入S₂，在S₁中删除V₃；

⑤以V₃为起始点，循环④，直至起始点的后点为种子点V₁，说明S₂中的测点已形成一个独立的封闭区域；

⑥开辟新的堆栈S₃，循环②~⑤直至S₁为空。

经过步骤①~⑥，获得堆栈S₂、S₃、…、S _n ，每一个堆栈中的测点都独立地构成一个封闭区域。

最后以各个堆栈中的有序边界点为基础，用最小二乘法将边界点拟合成各个封闭的B样条曲线，从而获得艺术字5的边界轮廓。如图9所示，是将如图7所示的艺术字边界点拟合成封闭B样条曲线后的结果。

Claims (5)

1.一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)将写有艺术字的纸张平铺在三坐标测量机的工作台上；

2)将线激光测头安装在三坐标测量机的Z轴上，并使线激光测头的激光线垂直于三坐标测量机的X轴，然后调节三坐标测量机Z轴的高度，使写有艺术字的纸张在线激光测头的量程范围内；

3)驱动三坐标测量机，使线激光测头沿±X轴方向来回扫描，直至完成对整个纸张的扫描；

4)调整线激光测头的方向，使线激光测头的激光线平行于三坐标测量机的X轴，然后调节三坐标测量机Z轴的高度，使写有艺术字的纸张在线激光测头的量程范围内；

5)驱动三坐标测量机，使线激光测头沿±Y轴方向来回扫描，直至完成对整个纸张的扫描；

6)在线激光测头扫描过程中，测量系统按逐个激光线的形式记录扫描数据；

7)测量结束后，导出线激光测头获得的扫描数据，并按逐个激光线的顺序进行处理，找出每条激光线数据中的跳跃点，并保存为边界轮廓点；

8)将获得的边界轮廓点拟合成封闭的B样条曲线，获得艺术字的轮廓。

2.根据权利要求1所述的一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法，其特征在于：所述的艺术字是指用毛笔或用书写笔书写在白色纸张上的黑色艺术字。

3.根据权利要求1所述的一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法，其特征在于：所述的线激光测头的基准距为95mm，有效测量宽度为60mm，可测深度为60mm；线激光测头的输出为激光线上测点的三维坐标值。

4.根据权利要求1所述的一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法，其特征在于：所述的测量系统按逐个激光线的形式记录扫描数据，具体方法为：从激光线的起始端逐个记录测点的坐标值直到激光线的结束端，然后插入一个结束标识符“end”；接着按同样的方法记录下一条激光线的扫描数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于线激光测头色差效应的艺术字轮廓提取方法，其特征在于：所述的找出每条激光线数据中的跳跃点，具体方法为：在获得的扫描数据中按顺序取点，直到“end”标识符结束取点，然后逐个考察取出的点的坐标值，将Z轴坐标值发生突变的点记为跳跃点；接着用同样的方法处理后面的扫描数据。

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