CN105955191A - 一种基于图像特征数据进行路径规划的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，属于计算机制造加工领域。本发明先将基于图像特征数据进行路径规划的数控系统初始化，导入图像文件，对图像数据进行预处理，再对加工对象的特征进行提取，利用提取得到的加工对象的特征数据求取加工时所要的特征点；经过刀路规划方法的计算，得到实际加工时的刀位点的序列；再根据相邻两个特征刀位点的位置关系，确定相应的插补方式，最后驱动刀头的运动。本发明将数控系统结合图像处理技术进行路径规划，提高了加工源的适应性，同时避免了大量的计算，时间响应较快。

Description

一种基于图像特征数据进行路径规划的方法

技术领域

本发明属于计算机制造加工领域，具体涉及一种基于图像特征数据进行路径规划的方法。

背景技术

目前制造加工业中广泛采用数控加工，数控加工(CNC，Computer numerical control)是利用由程序控制的机床，通过控制器处理控制编码或指令，使加工装置执行设定的动作，通过使刀具做过特定的路径使加工材料成为半成品或成品工件。

在工业设计和加工中，一般主要是有专业的或从事时间较长的设计人员使用CAD软件进行设计，主要的设计软件主要有MasterCAM、SOLIDWORDS、UG、Pro/E等进行模具体设计，设计完后产生工业生产用的G代码，最后由技术人员将其导入到CNC加工机器加工。加工过程可能需要设计和制造两类人员或者设计和制造都会的一类人员，如果是两类人会导致企业人员增多，如果是一类人又需要有较高的要求。而且整个过程需要的软件和设备也较多，生产效率不是太高。

通常的生产设计中，加工对象需要设计人员设计实现，且对象越随机越复杂，设计的时间就越长。每一次不同的对象都需要耗费较长的时间，不利于较快地适应市场。

中国专利CN104252153A公开了一种CNC加工程序生成系统及方法，通过CAD图形读入模块读入CAD图形的轮廓线和图形预处理模型生成所属轮廓线的点云集，计算点集每个点和相邻点的法向量和向量夹角，再调整法向量方向，计算模块优化轮廓线上的点集，使曲率小的轮廓线分布较少，曲率大的分布较多，输出生成模型。但该方法中使用的CAD图形需要事先得到，需要先一步的操作计算，且对于点集中的每个点的实际法向量会造成大量的计算，对于加工路径生成的部分很少。

中国专利CN102799144A公开了一种基于特征的数控加工程序移植方法，基于CAD三维模型进行特征识别，根据特征识别结果提取刀轨的驱动几何，进行初步工艺决策，然后将零件的总体信息、特征信息及决策信息存储在XML文件中做进一步工艺决策的基础。该专利中虽然是用XML方式移植加工信息，但是很多方面，例如特征识别和刀轨生成等都是基于CAM软件的，方法对于CAM特征识别和刀轨生成等方面的不透明性未做深入较深入的分析。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，解决计算量较大、方式复杂、需要额外借助CAD处理的问题，直接对加工对象的图片进行处理，更好地实现实体对象的加工。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，包括以下步骤：

步骤1)，构建基于图像特征数据进行路径规划的数控系统；

步骤2)，数控系统初始化，选择图片，利用图片地址将源图像进行解析计算得到源图像的图像数组数据，再根据对称的旋转体对象的中心轴位置选择工件图像的上半部数据；

步骤3)，利用图像颜色阈值把图像数据二值化，利用八邻域法将图像的轮廓特征数据找出，并按找出的顺序存储起来作为图像的轮廓数据；

步骤4)，利用代表加工层面的等距平行直线与图片边界和工件外轮廓求取交点，作为加工时的特征刀位点；

步骤5)，将步骤4)中得到的特征点作为路径生成方法的输入，按照路径生成方法获得的结果顺序地存储起来，得到实际加工的刀位点的序列；

所述路径生成方法：在一个要加工的谷中，根据所在加工行按设置的标志位的正负来确定在轴向切割的方向，当标志位为正且下一行无峰凸出时，沿轴向坐标增大的方向进刀，并将下一行的标志位改为负；当标志位为正且下一行有峰凸出时，则回刀，且将下一行的行的标志位由原来的负改为正，在下一行进刀；当标志位为负时，沿标志位为正时方向的相反方向进刀，并将下一行的标志位改为正；每次所在的加工行加工完后再沿径向深入一行，直至沿轴向的谷向着径向加工区域加工完，再沿轴向转至下一个轴向未加工的谷向着径向按照本方法重复加工；

步骤6)，根据刀位点的序列中相邻两点间的位置关系确定直线还是曲线插补。

进一步，所述步骤1)中基于图像特征数据进行路径规划的数控系统包括图像数据预处理单元、特征数据提取单元、特征点计算单元、路径规划单元和插补单元。

进一步，所述步骤5)中的谷指的是：在代表加工层面的等距平行直线中，从最外层的一行开始每次取相邻两点，前一点所在行的序号为偶数、后一点所在行的序号为奇数的沿径向的全部可加工的区域。

进一步，所述步骤5)中每次都在可加工的谷中加工，若在同一行中的相邻两点，前一点所在行的序号为奇数，后一点所在行的序号为偶数间的区域不进行加工。

进一步，所述步骤6)中当相邻两点的对应的横坐标或者纵坐标中只有一个相等时，选择直线插补；若相邻两点对应的横坐标和纵坐标同时不相等时，利用已有的轮廓数据上两点间的连续数据，选择曲线插补。

本发明具有的有益效果是：

1.将加工对象的图片作为源文件读入到述系统中，利用数字图像处理技术根据图片格式对图片进行解析，得到图像的数字信息，再求得实体图像的边缘数据，对于边缘特性是随机、任意的曲线边缘加工具有较强的适应性，直接利用图像的数字信息避免了复杂的数学建模和计算；且图像数据截取一半，减少了一半的数据处理时间。

2.通过将图像的边缘数据进行压缩得到加工的特征加工点，即通过轴向直线求取交点得到的点，进行路径生成，生成待加工点的序列，避免对轮廓每个点的附加计算和资源，并且加快了系统过程。

3.系统最后一步中对曲线部分的插补，可以直接利用具有连续分布性的轮廓数据中相邻两点的对应的横纵坐标的差值来决定插补的要进行的方向和进给步数。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法的数控系统功能方块图；

图2(a)为本发明所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法的一种实施例的一个轮廓曲线图；图2(b)为本发明所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法的一种实施例的加工路线图；

图3为本发明所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图1，一种基于图像特征数据进行路径规划的方法的数控系统功能方块图，数控系统包括图像数据预处理单元、特征数据提取单元、特征点计算单元、路径规划单元和插补单元。

图像数据预处理单元读入图片进行预处理，得到特征，并提取需要用到的二值图像数据；特征数据提取单元从已知图像数据中提取对象的轮廓数据；特征点计算单元从轮廓数据中计算得出位于轮廓上的特征点并用于路径规划单元，路径规划得到待加工序列点；插补单元则根据加工过程中的相邻两点的位置关系进行插补选择。

一种基于图像特征数据进行路径规划的方法的流程图，包括步骤：

步骤1)，构建基于图像特征数据进行路径规划的数控系统。

步骤2)，数控系统初始化，选择图片，利用图片地址将源图像进行解析计算得到源图像的图像数组数据，再根据对称的旋转体对象的中心轴位置选择工件图像的上半部数据。

先指定一个存放轮廓数据的二维数组m_a[i][j]。通过图片地址将图片读入程序，先找到旋转体的中心轴，需要找到图像的径向坐标的最小值和最大值，取平均后即得旋转体的中心轴坐标，再由此将图像数据压缩分成两半，取中心轴坐标分界的上半部分。

根据图片的格式(即BMP或者JPG格式)将指定路径的图像信息提取到一个一维数组中，每个数组元素，即每个像素用R、G、B、alpha通道表示，其中R、G、B分别为颜色的分量。对图像中的点进行插值计算，对图像的缩放，本发明中采用双线性插值法。

双线性插值算法是一种比较好的图像缩放算法，它充分的利用了源图中虚拟点四周的四个真实存在的像素值来共同决定目标图中的一个像素值，因此缩放效果比简单的最邻近插值要好很多，计算量比零阶插值大，但缩放后图像质量高，不会出现像素值不连续的情况。双线性插值算法描述如下：对于一个目的像素，设置坐标通过反向变换得到的源图像中的浮点坐标为(i+u,j+v)(其中i、j均为浮点坐标的整数部分，u、v为浮点坐标的小数部分，是取值[0,1)区间的浮点数)，则这个像素得值f(i+u,j+v)可由原图像中坐标为(i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j+1)所对应的周围四个像素的值决定，即：f(i+u,j+v)＝(1-u)(1-v)f(i,j)+(1-u)vf(i,j+1)+u(1-v)f(i+1,j)+uvf(i+1,j+1)，其中f(i,j)表示源图像(i,j)处的的像素值，以此类推。

步骤3)，利用图像颜色阈值把图像数据二值化，利用八邻域法将图像的轮廓特征数据找出，并按找出的顺序存储起来作为图像的轮廓数据。

插值运算后，根据处理后的一维数组再进行二值化处理。将R、G、B颜色分量大于190的像素置为白色，即将R、G、B颜色分量重新置为255；而分量小于等于190的像素置为黑色，即将R、G、B颜色分量重新置为0，至此二值化结束。再将得到的二值化的一维数组转换为二维数组，用于轮廓特征提取。

然后建立二维数组m_a[i][j]，第一维存放轮廓坐标的x轴，第二维存放轮廓坐标的y轴，数组中元素存放的位置为在轮廓数据的位置，从所得图像的左下角开始沿轴向比较寻找黑色像素，找到后将其作为种子，利用八邻域法从该处出发，指定顺时针方向为邻域扫描方向，比较寻找边界坐标的数据，找到黑色点后存放在m_a[i][j]，当y轴坐标再一次到起始扫描时的坐标时就停止，并记录下轮廓坐标点的个数，于是，特征数据点被全部得到，即得到如图2(a)所示的轮廓曲线。

八邻域法即八邻域边界跟踪算法，是先用指定的某种方法找到图像轮廓上的一点，然后从找到的该点利用数字图像中相邻像素之间的位置关系，即一个像素周围的八个方向都存在与其相邻的像素，就像九宫格布局一样，指定顺时针或者逆时针的寻找方向，并在各点统一寻找下一点时采用的寻找方向，当在一个边界点找到下一个边界点时，转到下一个边界点，方向沿与原来寻找方向相反的方向逆着转过一定角度，再沿该方向用原来寻找方向继续寻找下一个边界点，直至边界点被全部找出。

步骤4)，利用代表加工层面的等距平行直线与图片边界和工件外轮廓求取交点，作为加工时的特征点。

记录交点总个数、两个二维数组X[i][j]、Y[i][j]分别记下每个交点的横坐标、纵坐标和表示该行的交点数的一维数组Z[i]，其中X[i][j]中的第一维表示交点所在直线的行数，第二维表示第j个交点的轴向坐标；Y[i][j]中的第一维表示交点所在直线的行数，第二维表示第n个交点的径向坐标；Z[i]记录第n行(即所在行)的点的总数。将特征数据压缩求得特征加工点的数据。在内存建立一个和分割所得的图像一样大小的图像数据，将其全部置为白，再将所得的轮廓数据坐标全部绘在其中，用一系列等距直线与新建的图像数据求交线(包括轮廓和图像边界)，指定切割深度(即每行交线之间的像素距离)，记录下交点的总个数，至此得到特征加工点的坐标。

步骤5)，将步骤4)中得到的特征点作为路径生成方法的输入，按照路径生成方法获得的结果顺序地存储起来，得到实际加工的刀位点的序列；

所述路径生成方法：在一个要加工的谷中，根据所在加工行按设置的标志位的正负来确定在轴向切割的方向，当标志位为正且下一行无峰凸出时，沿轴向坐标增大的方向进刀，并将下一行的标志位改为负；当标志位为正且下一行有峰凸出时，则回刀，且将下一行的行的标志位由原来的负改为正，在下一行进刀；当标志位为负时，沿标志位为正时方向的相反方向进刀，并将下一行的标志位改为正；每次所在的加工行加工完后再沿径向深入一行，直至沿轴向的谷向着径向加工区域加工完，再沿轴向转至下一个轴向未加工的谷向着径向按照本方法重复加工。

其中的谷指的是：在代表加工层面的等距平行直线中，从最外层的一行开始每次取相邻两点，前一点所在行的序号为偶数、后一点所在行的序号为奇数的沿径向的全部可加工区域；每次都在可加工的谷中加工，若在同一行中的相邻两点，前一点所在行的序号为奇数，后一点所在行的序号为偶数间的区域不进行加工。

如图3所示，分块区域加工，从上往下，从左向右，指定切割的所在行的标志位flag，若其为1，则表示切割从左向右，若其为-1，则表示从右向左。M[i][j]为规划路径中安排加工的点、N[i]为第i行(即所在行)已加工的点的个数，并将M[i][j]、N[i]全部置零。指定规划顺序沿径向方向从外向内，规划从第一行开始。为了减少加工走刀次数，即第一刀的进刀方向，将图像沿径向从外向内等距地分割，并计算出每个分割的行与图像轮廓和图像两侧边缘的交点数目和各行的总交点数目，沿径向从外向内寻找第一个交点数目大于2的所在行。判断该行的奇偶性，若为偶数，则第一行从左向右进刀；若为奇数，则第一行从右向左进刀。并将下一行标志取反，进刀方向也取反，重复操作直到分割行的交点数目大于2的那一行的上一行。上述执行完后，则进行交点数目大于2的该行及以下各行的规划。分割行以上的连接左右边界的交点，直接用直线插补切割，从分割行开始往下，则开始与上面不同的规划路径。分割行及以下的各行规划，依次加工谷内每一行，若该行的标志位为正，则先将该行X[i][j]、Y[i][j]中按照顺序的未加工的但即将加工两点顺序依次放入M[i][j]中，再将该行的已加工点数目N[i]加2，并将总交点数目减2；若该行标志位为负，则先将该行X[i][j]、Y[i][j]中按照顺序的未加工的但即将加工两点逆序依次放入M[i][j]中，在将该行的已加工点数目N[i]加2，并将总交点数目减2。根据该行的标志位的正负来确定加工进刀的左右方向，再看该行下一行在所在谷内是否有峰凸出，若有，则轴向回刀，转向下一行，标志位不变，从左向右进刀，将每层的已加工点数目N[i]加2，并将总交点数目减2；若无，则轴向回刀，转向下一行，标志位取反，从右向左进刀，将每层的已加工点数目N[i]加2，并将总交点数目减2。当一行的已规划点数大于等于该行的需规划点数时，停止该行的规划；当总交点数目为0时，则停止全部规划。重复操作，直到沿着径向加工完该谷内可加工范围。分两层循环，内循环负责沿径向向轴加工，外循环负责沿轴向从左向右加工。当一次内循环结束时，进入外循环执行下一次的内循环。内循环时，在每一行规划时，并判断沿径向离轴最近的一行的位置，且判断加工方向，如果该行在轴所在位置，且是沿着从右向左的方向，则沿轴返回到工件表面，转到下一个可加工谷的第一行；如果该行在轴所在位置，而方向是沿着从左向右，则直接转到下一个可加工谷的第一行，依照上述反复操作。关于加工域的识别，如图2(b)所示，当所在加工层的下一层有峰凸出时，为避免错误把峰切掉，则规定在该谷内的有效加工范围加工完时回刀，该层回刀到原位置，向下继续从左向右加工，下一行标志继续为正。在内循环(即每次加工一次谷形状区域时)开始之前，先将切割标志置1，并把新谷内的最上面需加工层记下(为方便加工到谷内最下一层时回刀)。依次加工谷内每一层，当切割标志位为正时，先将该行内X[i][j]、Y[i][j]未规划的从左向右两点依次放在M[i][j]中，再将N[i]加2，再看N[i]是否超过在行Z[i]点的个数，当层内没有全部加工完时加2，加工完了就不再加数停止该行加工。再判断所在谷内是否还有下一行需要规划加工，若有，且下一行无峰凸出，则翻转切割标志，再将下一行内X[i][j]、Y[i][j]未规划的从左向右两点依次逆序放在M[i][j]中，若没有，则忽略转至下一个可加工谷。当切割标志位为负时，类似。当谷内规划完时，若最下面一行不是中心轴所在行，则执行回刀，垂直回刀谷内起始行，再向左回到谷内起始行的(N[i]-2)个数的点，接着再回刀所在谷内(细分后的谷)的规划的最后一点。若最下面一行和谷内起始行为同一行，则表示该谷内只有一刀，从左向右切割后，需要再回刀从右向左，再计算该行左右两点在轮廓数据中的位置，平均后，再添加该点。然后检测右边新谷的起始行，并转到新谷的起始行。每行有效规划一次时，交点总数减2，回刀时不减，当交点总数为0时，则停止规划并退出。

步骤6)，根据刀位点的序列中相邻两点间的位置关系确定直线还是曲线插补。

由于之前的点的分布不同，即若需要轴向切割或者径向切割，则通过判断两点的位置关系，当X和Y两坐标中只有一个相等、且曲线插补已结束时，选择为直线插补；若需要沿轮廓表面曲线切割，则通过判断两点的X和Y坐标，当X和Y同时不相等时，利用已有的轮廓数据上两点间的连续数据，选择为曲线插补。直线插补的选择为数字积分插补的直线插补，直线插补的方向，由起始点和终点决定；而对于曲线插补的选择可以使用之前数字图像处理技术中得到的轮廓数据，由于轮廓数据中轮廓点是连续分布，可以计算前后两点X、Y对应两轴的坐标的差值(即-1、0、1)确定X、Y单轴进退一步或者X和Y轴两轴联动进退一步，曲线插补的顺、逆方向，潜在地由曲线两点在轮廓数据中的位置决定。插补执行时，用位于曲线的起点和终点之间的轮廓数据，沿起点向终点执行。

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，构建基于图像特征数据进行路径规划的数控系统；

步骤2)，数控系统初始化，选择图片，利用图片地址将源图像进行解析计算得到源图像的图像数组数据，再根据对称的旋转体对象的中心轴位置选择工件图像的上半部数据；

步骤3)，利用图像颜色阈值把图像数据二值化，利用八邻域法将图像的轮廓特征数据找出，并按找出的顺序存储起来作为图像的轮廓数据；

步骤4)，利用代表加工层面的等距平行直线与图片边界和工件外轮廓求取交点，作为加工时的特征点；

步骤5)，将步骤4)中得到的特征点作为路径生成方法的输入，按照路径生成方法获得的结果顺序地存储起来，得到实际加工的刀位点的序列；

所述路径生成方法：在一个要加工的谷中，根据所在加工行按设置的标志位的正负来确定在轴向切割的方向，当标志位为正且下一行无峰凸出时，沿轴向坐标增大的方向进刀，并将下一行的标志位改为负；当标志位为正且下一行有峰凸出时，则回刀，且将下一行的行的标志位由原来的负改为正，在下一行进刀；当标志位为负时，沿标志位为正时方向的相反方向进刀，并将下一行的标志位改为正；每次所在的加工行加工完后再沿径向深入一行，直至沿轴向的谷向着径向加工区域加工完，再沿轴向转至下一个轴向未加工的谷向着径向按照本方法重复加工；

步骤6)，根据刀位点的序列中相邻两点间的位置关系确定直线还是曲线插补。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，其特征在于，所述步骤1)中基于图像特征数据进行路径规划的数控系统包括图像数据预处理单元、特征数据提取单元、特征点计算单元、路径规划单元和插补单元；所述图像数据预处理单元读入图片进行预处理，得到特征，并提取需要用到的二值图像数据；所述特征数据提取单元从已知图像数据中提取对象的轮廓数据；所述特征点计算单元从轮廓数据中计算得出位于轮廓上的特征点并用于所述路径规划单元，路径规划得到待加工序列点；所述插补单元则根据加工过程中的相邻两点的位置关系进行插补选择。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，其特征在于，所述步骤5)中的谷指的是：在代表加工层面的等距平行直线中，从最外层的一行开始每次取相邻两点，前一点所在行的序号为偶数、后一点所在行的序号为奇数的沿径向的全部可加工区域。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，其特征在于，所述步骤5)中每次都在可加工的谷中加工，若在同一行中的相邻两点，前一点所在行的序号为奇数，后一点所在行的序号为偶数间的区域不进行加工。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像特征数据进行路径规划的方法，其特征在于，所述步骤6)中当相邻两点的对应的横坐标或者纵坐标中只有一个相等、且曲线插补已结束时，选择为直线插补；若相邻两点对应的横坐标和纵坐标同时不相等时，利用已有的轮廓数据上两点间的连续数据，选择为曲线插补。