CN106112271B - 一种多功能激光雕刻机系统及雕刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能激光雕刻机及雕刻方法，采用分离式模块化设计，包括外观结构模块、平移台模块，电路模块，每个模块用螺丝旋紧的方式拼接，相比现有二维小型雕刻机，模块化的设计更便于更换损坏零件，降低成本，延长使用寿命；所使用的图片格式可为jpg、png、bmp等，相比现有二维小型雕刻机不要求使用矢量图进行雕刻；循迹雕刻、逐点雕刻方式，针对不同需求，相比现有二维小型雕刻机可以更高效的完成雕刻；摄像头定位功能，可以更加直观、准确的实现样品定位；图像处理环节，可以实现可调阈值的二值化、提取单像素边界点等功能，相比现有二维小型激光雕刻机仅有镜像的功能，对用户图像处理环节要求降低。

Description

一种多功能激光雕刻机系统及雕刻方法

技术领域

本发明涉及雕刻机技术领域，尤其涉及一种多功能激光雕刻机及雕刻方法，可用于家用个性化小批量的饰品的雕刻和二维雕刻演示。

背景技术

近些年激光加工技术发展迅速，在各行各业中有了广泛的应用，如石材切割、木工雕刻、模具雕刻等。由于其精度高、效率快等优点，越来越多的工业构件采用激光技术。欧美等发达国家在这方面起步较早，开发设计制造工艺比较成熟，质量稳定，针对不同场合推出了功能相对完善的数控雕刻机。不过这些雕刻机主要是针对工业生产，价格昂贵，一台均价基本在几十万。激光雕刻机从机械结构上分类可分为：二维平面激光雕刻机、三维机械雕刻机以及旋转雕刻机，目前使用较广的是二维平面雕刻机。

随着人们对激光加工技术的认识，激光加工的民用需求日益强烈，而市场对民用需求主要针对学校的演示实验和个人DIY。现有激光加工设备大都为工业级，虽然精度很高，体积较大不利于携带，更多是集中生产和演示。可是民用型设备，对于精度要求不是很高，价格也合适，这是工业级设备无法满足的，这就需要一台可以满足个人DIY加工要求，且价格低廉，操作简单便于携带的激光雕刻设备。个人DIY的小型激光雕刻机，主要是采用废旧光驱作为平移台，用亚克力板做支撑架，将光驱放在支撑架上固定，软件上采用简单的G语言编程软件，这种的激光雕刻机小巧，雕刻面积受制于光驱大小，使用者需要一定的理论基础和动手能力,并且该种雕刻机形状不规则导致不方便携带。设计出对使用者友好，便于携带，雕刻面积适中的激光雕刻机是目前的一个热点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型激光雕刻机系统以及雕刻方法，外观便携小巧，使用方便，可雕刻皮革、木质等材质的二维激光雕刻机，从而满足人们在日常生活中可DIY小饰品的需求。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种激光雕刻机系统，包括上位机、壳体以及置于壳体内部的激光器、X轴模块(4)、Y轴模块(5)、摄像头(6)、控制模块(7)以及载物台；壳体包括上盖(1)、底座和后盖；

所述摄像头(6)和X轴模块(4)均安装在上盖(1)的上部，所述Y轴模块(5)安装在所述底座上，X轴模块(4)和Y轴模块(5)均通过在导轨上配置滑块，并由步进电机驱动的形式实现；所述激光器固定在所述X轴模块(4)的滑块上，载物台用于盛放被雕刻样品，并置于所述Y轴模块(5)中滑块的上表面；所述X轴模块(4)中滑块与Y轴模块(5)中滑块的运动方向互相垂直且均与载物台平面平行；所述激光器的出光口以及摄像头的视场朝向所述载物台,并产生用于雕刻的激光；

所述控制模块(7)与上位机相连，接收上位机发送的控制指令；并根据控制指令分别控制激光器的点亮或熄灭，根据控制指令驱动X轴模块(4)和Y轴模块(5)中两个步进电机的运转，从而控制滑块的位置；根据控制指令控制摄像头的打开或关闭，并将摄像头拍摄的视频传输回上位机；

所述上位机包括逐点雕刻模块、循迹雕刻模块以及图像处理模块；

其中，所述图像处理模块向用户提供图像处理界面，并将用户指定的原始图像显示在图像处理界面上；对所述原始图像进行二值化，得到待雕刻图像，并在图像处理界面上显示；根据用户选择，图像处理模块对待雕刻图像求边界，得到待雕刻图像的边界图像，并显示在图像处理界面上；

所述逐点雕刻模块向用户提供逐点雕刻界面，在雕刻开始之前，显示所述摄像头(6)拍摄的视频，供用户调整被雕刻样品在载物台的位置；所述逐点雕刻模块调用所述待雕刻图像，并在图像的每一行像素中扫描出每个需要雕刻的像素点，获取需要雕刻的像素点的位置，获得该行位置的Y值，根据该行位置的Y值向控制模块(7)发送Y轴模块(5)中步进电机的运转指令；根据该位置的X值向控制模块(7)发送X轴模块(4)中步进电机的运转指令，当X轴模块(4)中滑块运动到需要雕刻的位置，向控制模块(7)发送激光器点亮指令，经过设定的激光点亮时间后，向控制模块(7)发送激光器熄灭指令；根据本行下一点的X轴位置，向控制模块(7)发送X轴模块(4)中步进电机的运转指令，直到本行雕刻结束；当一行雕刻结束后，进行下一行的雕刻时，获得该行位置的Y值，根据该行位置的Y值向控制模块(7)发送Y轴模块(5)中步进电机的运转指令；如此类推，直至待雕刻图像的所有点雕刻完成；

所述循迹雕刻模块向用户提供循迹雕刻界面，在雕刻开始之前，显示所述摄像头拍摄的视频，供用户调整被雕刻样品在载物台的位置；

所述循迹雕刻模块调用所述待雕刻图像的边界图像，并获得开始雕刻第一点的位置，根据该位置，向控制模块(7)发送X轴模块(4)和/或Y轴模块(5)发送运动指令；到位后，向控制模块(7)发送激光器点亮指令，经过设定的激光点亮时间后，向控制模块(7)发送激光器熄灭指令；当雕刻完第一个点之后，扫描待雕刻图像上该第一个点周围的左上、正上、右上、正左、正右、左下、正下、右下的8个坐标点，以顺时针方向从正上的坐标点开始扫描，将扫描到的第一个需要被雕刻的点，作为下一个要雕刻的点，依据该点的位置，依次向控制模块(7)发送X轴模块(4)、Y轴模块(5)发送运动指令以及激光器点亮指令，直至该边界图像雕刻完毕，将该边界从待雕刻图像中删除，图像处理模块再次得到待雕刻图像的边界图像，循迹雕刻模块继续对新产生的边界图像进行雕刻，以此类推，至所有点雕刻完毕。

较佳的，上位机与所述控制模块(7)间通信通过USB串口、蓝牙或者WIFI实现。

较佳的，所述图像处理模块在图像处理界面上设置二值化阈值输入端口，图像处理模块根据用户输入的二值化阈值对原始图像进行二值化处理。

较佳的，所述图像处理模块在图像处理界面上设置缩放比例输入端口，图像处理模块根据用户输入的缩放比例对原始图像进行缩放处理。

较佳的，所述图像处理模块在图像处理界面上设置是否需要镜像的输入端口，图像处理模块根据用户的镜像需求对原始图像进行镜像处理，并且进行二值化处理，得到待雕刻图像。

一种激光雕刻机系统的逐点雕刻方法，包括如下步骤：

步骤1、将待雕刻图像中需要雕刻的像素点定义为T点，将不需要雕刻的点定义为F点；

步骤2、针对待雕刻图像的每一行进行如下操作：1、提取出本行中从第一个T点到最后一个T之间所有的点；2、提取出待雕刻图像每一行的第一个T点的位置，称之为左端点；3、提取出最后一个T点的位置，称之为右端点；

步骤3、将待雕刻图像中左上角的点设为第一个点，从该第一个点所在的行开始，从左向右依次雕刻，在T点位置控制激光器点亮，在F点控制激光器不亮；

步骤4、当雕刻完整行后，将当前点作为参考，计算当前点分别与下一行左右两端点之间的距离，判断下一行哪个端点距离当前点最近，则驱动X轴模块(4)的步进电机带动滑 块移动至该点位置，同时驱动Y轴模块(5)的步进电机带动滑块向下移动一行；若下一行无T点，则驱动Y轴模块(5)的步进电机带动滑块再向下移动一行；若选择的下一行的端点为左端点，则下一行从左向右雕刻，若选择的下一行的端点为右端点，下一行从右向左雕刻；以此类推，最终雕刻到图像的最后一行，或剩下的所有行中无一T点。

一种激光雕刻机系统的对待雕刻图像求边界方法，包括：令待雕刻图像的大小表示为a×b；根据黑白两种颜色将待雕刻图像表示为共有a列b行的布尔(T、F)数组，其中T表示黑色，需要雕刻，F表示白色，不需要雕刻；

判断在数组中的某一点A是否为边界点，则根据将其周围的8个点的状态进行判断其中，8个点分别为：左和右、上和下、左上和右下、右上和左下，每两个点为一组，共四组；其中，左上和右下以及右上和左下两个方向为对角线方向；左和右以及上和下两个方向为正常方向；

判断A点是否边界点，先对A点周围的四组点中每一组点先后做与非操作，得到四个结果，并判断是否同时满足如下两个条件：1、四个结果中至少有一个结果为“假”；2、正常方向上的两个结果至少有一个结果为“假”，或者两个对角线的结果都是为“真”；

当同时满足上述两个条件的点为边界点。

具体的，判断A点是否边界点的具体方法如下：首先对每一组点做“与非”操作，判断这组点的结果为“真”或“假”，并将结果成为边界状态；根据边界条件1，对所有四个边界状态做“或”操作，判断四组中是否有“假”：若不存在，则A点不为边界点，将A点状态即为“F”；若存在，则进行条件2的判断；

对对角线方向的两组点的边界状态做“或”的逻辑操作，对正常方向上的两组点的边界状态做“与”的逻辑操作，最后对两个逻辑操作的结果做“与非”；若输出结果为真，则中心点A为边界点；若输出结果为假，则中心点A不为边界点；

较佳的，所述设定的激光点亮时间为70ms。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明硬件采用分离式模块化设计，包括外观结构模块、平移台模块，电路模块，每个模块用螺丝旋紧的方式拼接，相比现有二维小型雕刻机，模块化的设计更便于更换损坏零件，降低成本，延长使用寿命。

2、本发明的外观结构模块有非工作模式与工作模式，在不需要工作时，本发明可以收拢成一个盒子，便于收纳，相比现有二维小型雕刻机，更适合家用。

3、本发明所使用的图片格式可为jpg、png、bmp等，相比现有二维小型雕刻机不要求使用矢量图进行雕刻。

4、本发明设计的“循迹雕刻”、“逐点雕刻”雕刻方式，针对不同雕刻需求，相比现有二维小型雕刻机可以更高效的完成雕刻。

5、本发明设计的摄像头定位功能，相比现有二维小型雕刻机可以更加直观、准确的实现样品定位。

6、本发明设计的“图像处理”环节，可以实现可调阈值的二值化、提取单像素边界点等功能，相比现有二维小型激光雕刻机仅有镜像的功能，对用户图像处理环节要求降低。

7、本发明以磁性介质作为载物台，载物台上的样品以吸铁石进行加固，相比现有二维小型雕刻机，定位更加精准，不会出现“跑偏”的现象。

8、本发明以串口的方式实现数据流的传输，相比现有二维小型激光雕刻机，可以采用USB、蓝牙、WIFI的不同传输方式。

附图说明

图1(a)为本发明的雕刻机在非工作状态时的示意图；

图1(b)为本发明的雕刻机在工作状态时的示意图；

图1(c)为本发明的雕刻机的后盖的结构示意图；

图1(d)为本发明的雕刻机在工作状态(上盖结构、底座结构组合)的左视图；

图1(e)为本发明的雕刻机的上盖结构、底座结构分离的左视图；

图2为本发明的电路部分原理示意图；

图3为本发明软件主界面；

图4为本发明软件“逐点雕刻”分程序工作界面；

图5为本发明软件“循迹雕刻”分程序工作界面；

图6为本发明软件“图像处理”分程序工作界面；

图7(a)为本发明软件“逐点雕刻”的流程图；

图7(b)为本发明软件“循迹雕刻”的流程图；

图7(c)为本发明软件“图像处理”的流程图；

图8为本发明求边界算法的流程图。

其中，1-上盖；2-底座；3-后盖；4-X轴模块；5-Y轴模块；6-摄像头；7-控制模块；8-收纳盒；9-收纳盒开关；10、11、12、13-螺丝固定孔；14-风扇。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的便携式激光雕刻机系统包括两个部分：硬件部分和软件部分，硬件部分包括壳体、激光器、X轴模块4、Y轴模块5、摄像头6、控制模块7以及载物台；如图1(a)至图1(e)所示，壳体是激光雕刻机的支撑结构，采用可分离设计，包括上盖1、底座2和后盖3；所述底座2为一面敞口的方形盒体，具有一个底板和4个侧板，分别定义为侧板a、侧板b、侧板c和侧板d；其中，两个相对的侧板a和侧板b的高度低于另外两个相对的侧板c和侧板d；所述上盖1为具有3个侧板和1个上底板的盒体，2个侧板之间的侧板定义为侧板e；上底板部分覆盖在3个侧板形成的敞口上；所述后盖3为具有3个侧板和1个上底板的盒体，2个侧板之间的侧板定义为侧板f，侧板f高度高于其两侧的侧板。

非工作状态下，即组合状态下，上盖1置于所述底座2内，上盖1的侧板e搭接在底座2的侧板a上，后盖3置于底座2之上，后盖3的两个侧板分别搭接在侧板c和侧板d上，上底板接在上盖1的上底板之后，并与其位于同一个面内；如此，三部分组合拼接使雕刻机外观呈盒状，其尺寸为长25cm，宽16cm，高14cm；图1(a)为激光雕刻机非工作状态时的外观示意图。当需要雕刻机工作时，可将后盖3模块卸下，将上盖1竖直立起，呈工作状态，即图1(b)所示。两个状态之间的转换通过螺丝旋紧固定。该壳体的特点是上下两个部分是独立的，每个模块也是独立的，组装成一个整体，这样便于更换损坏模块。

收纳盒8固定在后盖3上，并利用弹簧卡锁设计了收纳盒开关9。螺丝固定孔10、13与螺丝固定孔11配合，联接上盖和底座，使雕刻机呈现非工作状态。螺丝固定孔12也可与螺丝固定孔13配合，联接上盖和底座，使雕刻机呈现工作状态。风扇14用于吹走雕刻时的烟尘，上盖的左右两侧板各放置一个，并且两个风扇14一个吹一个吸。

所述摄像头6和X轴模块4均安装在上盖1的上部，所述Y轴模块5安装在所述底座上，X轴模块4和Y轴模块5均通过在导轨上配置滑块，并由步进电机驱动的形式实现；所述激光器固定在所述X轴模块4的滑块上，载物台用于盛放被雕刻样品，并置于所述Y轴模块5 中滑块的上表面；所述X轴模块4中滑块与Y轴模块5中滑块的运动方向互相垂直且均与载物台平面平行；所述激光器的出光口以及摄像头6的视场朝向所述载物台,激光器产生用于雕刻的激光；

所述控制模块7与上位机相连，接收上位机发送的控制指令，上位机和控制模块间通信可以通过USB串口，也可以使用蓝牙、WIFI，这些器件都集成到电路板上；控制模块7根据控制指令分别控制激光器的点亮或熄灭，根据控制指令驱动X轴模块4和Y轴模块5中两个步进电机的运转，从而控制滑块的位置；根据控制指令控制摄像头的打开或关闭，并将摄像头拍摄的视频传输回上位机。

对于X轴模块4上载有的激光器，可依据需求自行选择250mW、500mW两档。对于Y轴模块的载物平台，选用软磁片作为底托，选用不同形状的磁铁固定雕刻样品，有效雕刻面积为6cm×6cm。

上位机的界面如图3所示，软件采用LabVIEW程序编程，该程序是图形化编程，对用户比较友好。主界面分成4个分程序：逐点雕刻、循迹雕刻、图像处理和联系我们。

在此之前需要说明的有：雕刻所用的图像为大小为a(长)*b(宽)的二值图，所以可以根据黑白两种颜色将图像表示为共有a列b行的布尔(T、F)数组，T表示黑色，需要雕刻，F表示白色，不需要雕刻，所用的“逐点雕刻”、“循迹雕刻”、“图像处理”里的算法都是对图像布尔数组进行的数组以及数组元素的分析。

以下依次介绍这四个分程序。

“逐点雕刻”是指在图像大小范围内，在每一行中扫描出需要雕刻的点，并进行激光雕刻，为了提高雕刻效率，程序会选择最近的雕刻路线。该分程序的操作界面如图4。软件界面上可以看到，有三个区域：按钮区域，原图像显示区域，雕刻图像显示区域。按钮区域其中包括有“开始雕刻”，“退出”，“单点雕刻时间”，“正打/反打”，“MS1”，“MS2”这些按钮选项，另附有“MS1”“MS2”的使用说明。“开始雕刻”按钮点击后，程序会开始雕刻在原图像显示区域中显示的图像。“退出”按钮点击后，会停止当前运行的操作，直接调回到主程序，该按钮可在运行“逐点雕刻”分程序的任何时候点击。“单点雕刻时间”按钮可以人工输入单点雕刻时间，默认为70ms。“正打/反打”按钮会改变雕刻区域，“正打”雕刻用户选择的原始图像中黑色区域，“反打”雕刻用户选择的原始图像中的白色区域。“MS1”和“MS2”这两个按钮输出结果的组合控制光驱中步进电机的步长。按钮未被点击时，输出低电平(L)，按钮被点击时，输出高电平(H)。MS1和MS2都输出低电平(L,L)时，步进电机步长为1步；MS1输出高电平，MS2输出低电平(H，L)时，步进电机步长为1/2步； MS1输出低电平，MS2输出高电平(L,H)时，步进电机步长为1/4步；MS1和MS2都输出高电平(H,H)时，步进电机步长为1/8步。原图像显示区域显示待雕刻图像，其中黑色部分为雕刻部分，白色部分为不雕刻部分。在图像显示框下方的进度条为雕刻进度。雕刻图像显示区域在未点击“开始雕刻”按钮之前，该区域会显示载物台的实时影像和待雕刻图像的样片，由于该样片与雕刻结束后的图像大小、位置完全一致，这样便可以通过观察视频，调整载物台上待雕刻样品的位置，使雕刻图像处于最优位置。另外，视频旁设置有颜色方格，可以点击更改被显示的图像颜色，以使图像可以被清晰地观察到。在点击“开始雕刻”按钮之后，该区域会显示激光已经雕刻过的地方，与样品雕刻进度一致。

涉及到的主要算法为“逐点雕刻”算法。根据布尔数组中T状态点的分布状态，首先找到图像中最上最左的点为第一个点，以此为开始，以从左至右、从上至下的顺序，依次判断各点状态。雕刻时是以行为单位进行的，所以对图像的每一行都进行提取操作：1、提取出本行中从第一个T到最后一个T之间所有的点(包括其中的F点)2、提取出第一个T点的位置，称之为左端点3、提取出最后一个T点的位置，称之为右端点。雕刻时从第一个点所在的行开始，从左向右依次雕刻，T点是激光器亮，F点是激光器不亮。当雕刻完整行后，根据当前点作为参考，计算当前点与下一行左右两端点之间的距离，判断下一行哪个端点距离当前点最近，则X轴移动至其位置，同时Y轴移动一次；若下一行无亮点，则Y轴直接移动一次。若选择的下一行的端点为左端点，则下一行从左向右雕刻，作为右端点，下一行从右向左雕刻。以此类推，最终雕刻到图像的最后一行，或剩下的所有行中无一T点。

如图7(a)所示，运行“逐点雕刻”分程序步骤：

1、当由主程序进入该分程序后，首先会进行运行光电门回程定位子程序。光电门回程定位子程序保证了在雕刻之前，载物台和激光器都处于原点。

2、在运行完光电门回程定位子程序后，程序会自动弹出选择图像的对话框，需要用户选择要雕刻的图像。

3、当选择好雕刻图像，点击确定后，原图像显示区域显示用户选择的图像(图像中的黑色为雕刻部分，白色为不雕刻部分)，雕刻图像显示区域显示为载物台实时影像，用户需手动将样品调整至最佳位置。另外，需要注意的是当确定好待雕刻样品的位置后，需要用吸铁石固定牢固。

4、在按钮区域调整单点雕刻时间，选择“正打”或“反打”，以及步长。

5、点击“开始雕刻”按钮，激光头首先移动到图像最上最左的第一个待雕刻点后，便开始雕刻了。

6、待雕刻完成后，会弹出“雕刻完毕”的提示，点击确定后，立即返回主界面。如雕刻 中途，需要停止程序，可以点按“退出”按钮停止程序，并返回主界面。

“循迹雕刻”是指人工或电脑给定图像雕刻起始像素点，沿着图像轮廓进行雕刻，要求图像为二值图，并且边缘的像素为黑。该部分的操作界面如图5。界面图中可以看到，有三个区域：按钮区域，原图像显示区域，雕刻图像显示区域。各个区域的使用说明与上一部分“逐点雕刻”中已经介绍过了，在此就不再赘述。

需要注意的是，“循迹雕刻”需要确定开始雕刻第一点的坐标，分为“电脑选择第一点雕刻”方式与“人工选择第一点雕刻”方式。选择“电脑选择第一点雕刻”，软件会自动选择处于图像最左、最上的像素点作为雕刻起始点。如果选择“人工选择第一点雕刻”方式，原图像显示区域显示为选择第一点的功能视图，在视图内可以看到用户选择的原始图像以绿色线条的方式被显示在黑色背景上。用户可以通过水平和竖直的滚动条来调整画面中所显示的图像区域，选择开始雕刻的起始点。用户选择的点如果在图像边缘上，被选择点将会红绿闪烁，如果未选择在图像边缘上，被选择点将红黑闪烁。

涉及到的主要算法为“循迹雕刻”算法。首先是确定开始雕刻的第一点的坐标，雕刻机将该点开始雕刻。分为“人工选择第一点雕刻”方式与“电脑选择第一点雕刻”方式。“人工选择第一点雕刻”的方式是指用户自己选择开始雕刻的第一个点的坐标，“电脑选择第一点雕刻”的方式是指软件选择图像中最上最左的点为开始点，当雕刻完第一个点之后，扫描其周围的8个点，由于是处理过的单像素边界点，所以扫描出现的第一个T点，就为写一个要雕刻的点，根据位置关系，移动X、Y轴，并且每雕刻完一个点，便将其置为F，以免重复雕刻，以此类推，当一条线或一个封闭图形雕刻完毕，会根据同样的方法雕刻图上其他的线条，至整个图中无一T点。

如图7(b)所示，运行“循迹雕刻”分程序步骤：

1、由主界面点击进入到“循迹雕刻”分程序后，首先会运行光电门回程定位系统，以保证在雕刻前激光器和载物台处于各自原点位置。

2、接着窗口会弹出对话框，用户选择好需要雕刻的图像后，点击确定。

3、此时，原始图像区域将会显示为用户选择的图像，而用户需要根据自己要求在此时弹出的对话框内选择雕刻的起点，方式有“电脑选择”，“人工选择”。

4、点击“电脑选择”或“人工选择”按钮后，软件会根据所选找到雕刻起始点。

5、之后在雕刻图像区域，将显示为载物台实时影像，用户需调整好样品位置，并用吸铁石固定好样品。

6、在按钮区域中调整好单点雕刻时间和步长(说明详见上一部分逐点雕刻)后，点击“开始雕刻”按钮，便开始雕刻。

7、待雕刻完成后，会弹出“雕刻完毕”的提示，点击确定后，立即返回主界面。如雕刻中途，需要停止程序，可以点按“退出”按钮停止程序，并返回主界面。

图像处理分程序主要是为了弥补常见绘图软件不能便捷实现二值化、提取边缘和镜像的功能而设计。有了这些功能才可以保证本作品雕刻出的图像达到最优。该部分的操作界面如图6，在“绘精彩激光雕刻机——图像处理”的字样下方有三个区域：按钮区域，原图像显示区域，新图像显示区域。按钮区域其中包括有“二值化黑白方式”，“保存二值图”，“镜像”，“停止并退出”，“二值化阈值”，“缩放”这些按钮选项。

点击“二值化黑白方式”按钮后，可以改变原图像的二值化方式(背景与图像的黑白方式)。改变“二值化阈值”选项，可以改变图像灰度阈值，使二值化处理的图像可根据使用者的需要改变清晰程度，这一功能弥补了作图软件二值化阈值只有50％的功能缺陷。点击“保存二值图”按钮后，可以保存当前新图像中显示的图像，该按钮在求边界功能中，显示为“保存边界图”。点击“镜像”按钮，可以将新图像显示区域中显示的图像镜像。点击“停止并退出”按钮后，将停止当前操作，直接退出该程序，返回主程序，该按钮可在运行该分程序的任何时候点击。改变“缩放”选项，可以改变图像的大小，方便清晰的看到图像细节。原图像显示区域显示用户选择的原始图像。新图像显示区域显示经过用户需求改变后的图像。

如图7(c)所示，运行“图像处理”分程序步骤：

1、当从主界面点击“图像处理”按钮进入该分程序后，首先会弹出对话框，用户可根据选择“二值化”“求边界”，还是“二值化+求边界”。

2、若点击“二值化”选项，弹出选择图像对话框，用户选择好JPEG的图像后，点击确定，此时原图像显示区域显示为用户选择的原始图像，新图像显示区域显示为软件自动进行二值化处理后的图像。用户可以通过改变“二值化黑白方式”，“镜像”，“二值化阈值”等操作，使新图像显示区域中的图像达到最优。之后，点击“保存二值图”按钮，选择好保存路径与名称后，点击确定，以保存处理后的图像。当保存好图像后，系统会自动跳转到主界面，等待用户下步操作。

若点击“求边界”选项，弹出选择图像对话框，用户选择好JPEG的图像后，点击确定，此时原图像显示区域显示为用户选择的原始图像，新图像显示区域显示为系统自动进行求边界后的图像。可以通过点击“镜像”按钮实现图像的镜像，通过改变“缩放”按钮来查看图像。当达到最优化后，点击“保存边界图”按钮，选择好保存路径与名称后，点击确定，以保存处理后的图像。保存好图像后，系统会自动跳转到主界面，等待用户下步操作。

若点击“二值化+求边界”按钮，图像处理将分步进行，首先进行二值化处理，而后进行求边界处理。这两部分的具体操作与分别点击“二值化”，“求边界”按钮操作一致，就不再详细叙述。

主要涉及到的算法“求边界”算法，如图8所示。待雕刻图像为大小为a(长)*b(宽)的二值图，所以可以根据黑白两种颜色将图像表示为共有a列b行的布尔(T、F)数组，T表示黑色，需要雕刻，F表示白色，不需要雕刻，所用的算法都是对图像布尔数组进行的数组以及数组元素的分析。

求边界：

在沿边界雕刻时，只需要根据图像的边界像素，雕刻最边上一圈即可，但是如果按照传统的边界提取算法，得到的边界多位多像素边界(即边界线由多层组成)，由于雕刻机工作时是按照像素点进行工作，除了最外层的边界线之外，其内部各层的边界都是多余的，所以本算法只提取图像的最外层边界线。

具体实现方案为：

判断在数组中的某一点A是否为边界点，需根据将其周围的8个点的状态进行判断。首先，定义A点周围四个方向(左和右、上和下、左上和右下、右上和左下)，每两个点为一组，共四组。其中，“左上和右下、右上和左下”两个方向为对角线方向；“左和右、上和下”两个方向为正常方向。

判断A点是边界点要同时满足的条件是：1、周围的四组分别做与非操作(一组中的两个点先做与，后做非)，四组结果中至少要有一组结果为“假”；2、正常方向上至少有一组结果为“假”，或者两条对角线都是为“真”。

所以在软件中，首先对每个对侧的一组点做“与非”操作，判断这组点的结果为“真”或“假”。根据边界条件1，对所有四组边界状态做“或”操作，判断四组中是否有“假”。若不存在，则A点不为边界点，将A点状态即为“F”。若存在，则进行条件2的判断。对对角线方向做“或”的逻辑操作和正常方向上做“与”的逻辑操作，最后对两个逻辑操作的结果做“与非”。若输出结果为真，则中心点为边界点，若输出结果为假，则中心点不为边界点。再根据以上判断结果，将中心点记录为T或F，即是边界点或不是边界点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雕刻机系统，其特征在于，包括上位机、壳体以及置于壳体内部的激光器、X轴模块(4)、Y轴模块(5)、摄像头(6)、控制模块(7)以及载物台；壳体包括上盖(1)、底座和后盖；

所述摄像头(6)和X轴模块(4)均安装在上盖(1)的上部，所述Y轴模块(5)安装在所述底座上，X轴模块(4)和Y轴模块(5)均通过在导轨上配置滑块，并由步进电机驱动的形式实现；所述激光器固定在所述X轴模块(4)的滑块上，载物台用于盛放被雕刻样品，并置于所述Y轴模块(5)中滑块的上表面；所述X轴模块(4)中滑块与Y轴模块(5)中滑块的运动方向互相垂直且均与载物台平面平行；所述激光器的出光口以及摄像头的视场朝向所述载物台,并产生用于雕刻的激光；

所述控制模块(7)与上位机相连，接收上位机发送的控制指令；并根据控制指令分别控制激光器的点亮或熄灭，根据控制指令驱动X轴模块(4)和Y轴模块(5)中两个步进电机的运转，从而控制滑块的位置；根据控制指令控制摄像头的打开或关闭，并将摄像头拍摄的视频传输回上位机；

所述上位机包括逐点雕刻模块、循迹雕刻模块以及图像处理模块；

其中，所述图像处理模块向用户提供图像处理界面，并将用户指定的原始图像显示在图像处理界面上；对所述原始图像进行二值化，得到待雕刻图像，并在图像处理界面上显示；根据用户选择，图像处理模块对待雕刻图像求边界，得到待雕刻图像的边界图像，并显示在图像处理界面上；

所述逐点雕刻模块向用户提供逐点雕刻界面，在雕刻开始之前，显示所述摄像头(6)拍摄的视频，供用户调整被雕刻样品在载物台的位置；所述逐点雕刻模块调用所述待雕刻图像，并在图像的每一行像素中扫描出每个需要雕刻的像素点，获取需要雕刻的像素点的位置，获得该行位置的Y值，根据该行位置的Y值向控制模块(7)发送Y轴模块(5)中步进电机的运转指令；根据该位置的X值向控制模块(7)发送X轴模块(4)中步进电机的运转指令，当X轴模块(4)中滑块运动到需要雕刻的位置，向控制模块(7)发送激光器点亮指令，经过设定的激光点亮时间后，向控制模块(7)发送激光器熄灭指令；根据本行下一点的X轴位置，向控制模块(7)发送X轴模块(4)中步进电机的运转指令，直到本行雕刻结束；当一行雕刻结束后，进行下一行的雕刻时，获得该行位置的Y值，根据该行位置的Y值向控制模块(7)发送Y轴模块(5)中步进电机的运转指令；如此类推，直至待雕刻图像的所有点 雕刻完成；

所述循迹雕刻模块向用户提供循迹雕刻界面，在雕刻开始之前，显示所述摄像头拍摄的视频，供用户调整被雕刻样品在载物台的位置；

所述循迹雕刻模块调用所述待雕刻图像的边界图像，并获得开始雕刻第一点的位置，根据该位置，向控制模块(7)发送X轴模块(4)和/或Y轴模块(5)发送运动指令；到位后，向控制模块(7)发送激光器点亮指令，经过设定的激光点亮时间后，向控制模块(7)发送激光器熄灭指令；当雕刻完第一个点之后，扫描待雕刻图像上该第一个点周围的左上、正上、右上、正左、正右、左下、正下、右下的8个坐标点，以顺时针方向从正上的坐标点开始扫描，将扫描到的第一个需要被雕刻的点，作为下一个要雕刻的点，依据该点的位置，依次向控制模块(7)发送X轴模块(4)、Y轴模块(5)发送运动指令以及激光器点亮指令，直至该边界图像雕刻完毕，将该边界从待雕刻图像中删除，图像处理模块再次得到待雕刻图像的边界图像，循迹雕刻模块继续对新产生的边界图像进行雕刻，以此类推，至所有点雕刻完毕。

2.如权利要求1所述的一种激光雕刻机系统，其特征在于，上位机与所述控制模块(7)间通信通过USB串口、蓝牙或者WIFI实现。

3.如权利要求1所述的一种激光雕刻机系统，其特征在于，所述图像处理模块在图像处理界面上设置二值化阈值输入端口，图像处理模块根据用户输入的二值化阈值对原始图像进行二值化处理。

4.如权利要求1所述的一种激光雕刻机系统，其特征在于，所述图像处理模块在图像处理界面上设置缩放比例输入端口，图像处理模块根据用户输入的缩放比例对原始图像进行缩放处理。

5.如权利要求1所述的一种激光雕刻机系统，其特征在于，所述图像处理模块在图像处理界面上设置是否需要镜像的输入端口，图像处理模块根据用户的镜像需求对原始图像进行镜像处理，并且进行二值化处理，得到待雕刻图像。

6.如权利要求1所述的一种激光雕刻机系统，其特征在于，所述设定的激光点亮时间为70ms。

7.一种权利要求1所述的激光雕刻机系统的逐点雕刻方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将待雕刻图像中需要雕刻的像素点定义为T点，将不需要雕刻的点定义为F点；

步骤2、针对待雕刻图像的每一行进行如下操作：1、提取出本行中从第一个T点到最后一个T之间所有的点；2、提取出待雕刻图像每一行的第一个T点的位置，称之为左端点；3、提取出最后一个T点的位置，称之为右端点；

步骤3、将待雕刻图像中左上角的点设为第一个点，从该第一个点所在的行开始，从左向右依次雕刻，在T点位置控制激光器点亮，在F点控制激光器不亮；

步骤4、当雕刻完整行后，将当前点作为参考，计算当前点分别与下一行左右两端点之间的距离，判断下一行哪个端点距离当前点最近，则驱动X轴模块(4)的步进电机带动滑块移动至该点位置，同时驱动Y轴模块(5)的步进电机带动滑块向下移动一行；若下一行无T点，则驱动Y轴模块(5)的步进电机带动滑块再向下移动一行；若选择的下一行的端点为左端点，则下一行从左向右雕刻，若选择的下一行的端点为右端点，下一行从右向左雕刻；以此类推，最终雕刻到图像的最后一行，或剩下的所有行中无一T点。

8.一种如权利要求1所述的激光雕刻机系统的对待雕刻图像求边界方法，其特征在于，令待雕刻图像的大小表示为a×b；根据黑白两种颜色将待雕刻图像表示为共有a列b行的布尔(T、F)数组，其中T表示黑色，需要雕刻，F表示白色，不需要雕刻；

判断在数组中的某一点A是否为边界点，则根据将其周围的8个点的状态进行判断其中，8个点分别为：左和右、上和下、左上和右下、右上和左下，每两个点为一组，共四组；其中，左上和右下以及右上和左下两个方向为对角线方向；左和右以及上和下两个方向为正常方向；

判断A点是否边界点，先对A点周围的四组点中每一组点先后做与非操作，得到四个结果，并判断是否同时满足如下两个条件：1、四个结果中至少有一个结果为“假”；2、正常方向上的两个结果至少有一个结果为“假”，或者两个对角线的结果都是为“真”；

当同时满足上述两个条件的点为边界点。

9.一种如权利要求8所述的对待雕刻图像求边界方法，其特征在于，判断A点是否边界点的具体方法如下：首先对每一组点做“与非”操作，判断这组点的结果为“真”或“假”，并将结果成为边界状态；根据边界条件1，对所有四个边界状态做“或”操作，判断四组中是否有“假”：若不存在，则A点不为边界点，将A点状态即为“F”；若存在，则进行条件2的判断；

对对角线方向的两组点的边界状态做“或”的逻辑操作，对正常方向上的两组点的边界状态做“与”的逻辑操作，最后对两个逻辑操作的结果做“与非”；若输出结果为真，则中心点A为边界点；若输出结果为假，则中心点A不为边界点。