一种数控激光雕刻机、控制系统及控制方法、计算机与流程

本发明属于数控雕刻技术领域，尤其涉及一种数控激光雕刻机、控制系统及控制方法、计算机。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

目前，在对物品进行雕刻时，传统的雕刻是应用电火花加工，腐蚀，机械刻划以及印刷等加工方法，传统的加工方法有着不少的弊端，生产过程中会产生有害气体，对环境造成破坏，并且传统的加工方法不能进行大批量生产，需要用到大批量的人手，花费大量时间和财力，不能有效的提高生产效率，不利于企业的发展。

计算机视觉涉及多个学科，是摄像机成像过程的逆过程，其研究范围相当广泛，主要包括：目标检测与识别，边缘提取，特征提取与cad重建等方面。cad重建技术也是基于图像的建模技术，在诞生之初就备受关注，该方法只需要两帧相邻图像就可以较精确的恢复出图像中匹配特征点与摄像头的cad空间关系。在这个过程中，匹配特征点的数量直接决定了cad重建获取的点云的质量，从而确定了重建模型的质量。

常用的cad重建方法有三类：(1)立体视觉方法。该方法模拟人类视觉系统对客观cad物体的感知方式，利用两个以上摄像头对同一个景物在不同位置进行成像，再根据两帧图像之间的视差图，转换为深度图，获得了物体的深度信息。此方法生成的几何模型文件通常比较小，很容易被用到虚拟现实中。但该方法需要克服物体特征稀疏的问题，当纹理平坦时，计算得到的视差图存在大片的空白区域，点云的稠密程度很低。(2)运动结构方法。对物体进行绕拍，刚性物体上任意位置的点在两帧图像之间发生的运动是相同的，通过对两帧图像之间提取若干对特征点并进行匹配，能够计算得到物体发生运动的变换矩阵，根据变换矩阵能确定两个摄像头之间的位置关系，通过小孔成像原理，能恢复特征点在世界坐标系中的坐标。此方法发展比较成熟，能在摄像头内参标定的情况下计算出摄像头的移动，对稀疏点云进行处理能获取较稠密点云，并恢复出较为精准的cad模型。但是其要求相邻两帧间的匹配特征点数量要多，因此在特征平坦的区域有效点的数量较少。(3)基于深度图像的方法。通过每帧图像的rgb图与深度图就能生成在当前摄像头坐标系下物体的点云，相邻两帧rgbd图生成的两组点云进行匹配，计算出两帧摄像头的变换矩阵，就可以两组点云融合到世界坐标系。此方法计算得到的点云较为精确，且点云的稠密程度较高。但是其需要深度摄像头的协助，且对深度图的精度很敏感，在大范围重建场景中，深度摄像头的精度总是有限的，而深度摄像头的精度将直接关联重建点云的精度。

综上所述，现有技术存在的问题是：

在对物品进行雕刻时，传统的雕刻是应用电火花加工，腐蚀，机械刻划以及印刷等加工方法，传统的加工方法有着不少的弊端，生产过程中会产生有害气体，对环境造成破坏；

并且传统的加工方法不能进行大批量生产，需要用到大批量的人手，花费大量时间和财力，不能有效的提高生产效率，不利于企业的发展。

现有技术中，立体视觉法需要的计算量较小，但是在图像纹理平坦区域得到的视差图存在空白区域，因此计算得到的点云稠密程度很低；运动结构法具有较高的普适性，其中包含稀疏点云到稠密点云的派生过程，但是获得的稠密点云的稠密程度仍然取决于图像的纹理复杂程度，对于纹理平坦的图像，获得的点云稠密程度也比较低；基于深度图像的重建方法精度较高，且对图像的纹理复杂程度没有要求，但是该方法对深度摄像头精度的敏感程度较高，目前不适用与精细雕刻物体三维重建。现有技术获得的三维基cad图数据准确性差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种数控激光雕刻机、控制系统及控制方法、计算机。

本发明是这样实现的，一种数控激光雕刻机的控制方法，所述数控激光雕刻机的控制方法包括：

通过cad图形模块通过摄影头获取一组绕拍图像序列，对每帧绕拍图像提取物体轮廓，并将轮廓区域内的像素值设置为255，将轮廓外的像素值设为0，得到一帧二值图像，获得待雕刻品cad雕刻图形数据；

并将数据通过信号处理器预消除图形中的奇化部分，建立图形的数学模型，由描述图形的完备向量组建立与图形对应的特征矩阵，计算出相邻两边的夹角；计算图形间的最近距离；对计算结果的增强性预处理后发送至图形处理模块进行待雕刻品cad雕刻图形数据的分析；

将分析后的数据输入单片机进行雕刻程序的编制；将编制后程序的指令发送至核心板模块，指令电动机带动激光器在导轨内来回滑动，完成整个图形的雕刻；

进一步，获得待雕刻品cad雕刻图形数据的方法包括：

1)、通过摄影头获取一组绕拍图像序列，对每帧绕拍图像提取物体轮廓，并将轮廓区域内的像素值设置为255，将轮廓外的像素值设为0，得到一帧二值图像，称为有效区域图；

2)、对绕拍图像序列进行cad重建步骤，获得一个稠密度很低的点云，称为初始点云，同时还获得每一帧摄影头相对于世界坐标系的旋转矩阵r与平移向量t,旋转矩阵与平移向量组合起来形成变换矩阵m；

3)、遍历初始点云中的每个点，获得初始点云中所有点在x、y、z三个轴上取值的最大值与最小值，并计算每个轴上最大值与最小值之间的距离差，分别记做x_dis、y_dis、z_dis，分别将此三个距离差除以100，得到的三个量，称为初始点云的派生尺度，记做x_scalar、y_scalar、z_scalar；

4)、将初始点云中的一个点作为源点，分别沿x、y、z三个方向的正负方向各扩展对应步骤3)中计算的派生尺度大小，得到一个以源点为中心的长方体，该长方体的长宽高分别为2*x_scalar、2*y_scalar、2*z_scalar，该源点中心往长方体的周围共扩展了26个方向，在每个方向上派生出一个新点，取该新点的法向量与源点的法向量相同，且每个派生点均记录其源点；

5)、对初始点云中的每一个点都进行一次步骤4)所述的派生操作，将得到一个派生的点云，该点云中点的数量是初始点云数量的26倍；

进一步，获得待雕刻品cad雕刻图形数据的方法进一步包括：

对绕拍图像序列中的第i帧图像，取出计算得到的变换矩阵mi，将得到的派生点云根据变换矩阵mi变换到对应的摄像头坐标系下，并根据投影原理将派生点云中的每个点反投影到获得的第i帧的有效区域图上；

对投影到第i帧有效区域图中的无效区域内的点，从派生点云中删除，投影到第i帧有效区域图中的有效区域中的点则保留；

通过对派生点云环绕投影并删除，cad重建获得含有内点的派生点云。

步骤4)中以初始点云中的其中一个点作为源点向长方体的26个方向派生获得新点，其中新点的计算公式为：

其中，x_org、y_org、z_org分别为初始点云中某一个点在x、y、z轴上的坐标，x_scalar、y_scalar、z_scalar分别为计算得到的x、y、z三个方向的派生尺度，

上式计算得到的3*3*3个新点坐标，除了源点坐标增量为(0，0，0)的情况，将会派生出描述的26个新点云；

将派生点云变换到第i帧图像的摄像头坐标系的计算公式：

(x_cami,y_cami,z_cami)＝(x_world,y_world,z_world)*ri|ti

其中，(x_world,y_world,z_world)为派生点云在世界坐标系中的坐标，ri，ti分别为第i帧摄像头的旋转矩阵与平移向量，经过ri与ti的变换，将世界坐标系中的点云转到了第i帧摄像头坐标系下，即第i帧摄像头坐标系中变换后的点云的坐标为(x_cami,y_cami,z_cami)；

将摄像头坐标系中的点云进行反投影，将每个点投影到第i帧有效区域图中，投影位置的计算公式：

其中，f为摄像头焦距，cx、cy分别为图像分辨率的0.5倍，计算得到的u、v为该点投影到图像上的位置，即图像上的第u行、第v列对应的像素位置。

进一步，信号处理器预处理的方法进一步包括：

根据图形最小包容矩形长宽比设置适当域值，进行过滤；

根据源图形中各边长与周长比的最小值设置域值，去除目标图形中的奇化部分；

对目标图形边数作化简处理，使和源图形具有相同边数；

获取源图形和目标图形特征矩阵中最相似向量的欧式距离和最大相和系数具体包括：

首先，按逆时针方向分别建立源图形p和目标图形q的特征矩阵pe和qe：

pe＝[p1^tp2^t…p2n－1^tp2n^t]；

qe＝[q1^tq2^t…q2n－1^tq2n^t]；

欧式距离公式d(x,y)和夹角余弦公式sim(x,y)如下：

以d(x,y)和为sim(x,y)基础，重新定义两个矩阵d和s,使:

求出d和s中的最小值；

分别令eue＝min{dij},1≤i≤j＝2n；sime＝max{sij},1≤i≤j＝2n；

然后再按顺序针方向构造图形p和q的特征矩阵，重复上述计算方法，求出两特征矩阵中最完备向量间的最小值euc和simc；

最后令eu＝min{eue，euc}；

sim＝min{sime，simc}；

eu和sim即为p、q两图形对应最相似向量的欧式距离和最大相和系数。

本发明另一目的在于提供一种实现所述数控激光雕刻机的控制方法的计算机程序。

本发明另一目的在于提供一种实现所述数控激光雕刻机的控制方法的机算计。

本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的数控激光雕刻机的控制方法。

本发明另一目的在于提供一种数控激光雕刻机的控制系统包括：

cad图形模块，用于获得待雕刻品cad雕刻图形数据；

信号处理器，与cad图形模块连接，用于发送待雕刻品cad雕刻图形数据并进行数据的预处理；

图形处理模块，与信号处理器连接，用于进行待雕刻品cad雕刻图形数据的分析；

单片机，与图形处理模块连接，将分析后的数据输入单片机进行雕刻程序的编制；

核心板模块，与单片机连接，用于将编制后程序的指令电动机带动激光器在导轨内来回滑动，完成整个图形的雕刻。

本发明另一目的在于提供一种搭载有所述数控激光雕刻机的控制系统的计算机。

本发明另一目的在于提供一种安装有所述数控激光雕刻机的控制系统的数控激光雕刻机，数控激光雕刻机设置有：外壳，

所述盖板通过转轴焊接在外壳上方，透明挡板键接在盖板中间处，支撑杆头部焊接在盖板上；尾部焊接在外壳上方，机体中间设置有内凹处；导轨两端焊接在内凹处的边缘，横栏两端内嵌在导轨，激光器键接在横栏上；底座焊接在外壳的下方，控制面板键接在外壳右边缘处；cad图形模块、核心板模块、信号处理器、电动机、图形处理模块、单片机都安装在机体内部；

cad图形模块、核心板模块、信号处理器、电动机、图形处理模块、单片机、激光器通过导线连接电源；

核心板模块通过数据线连接cad图形模块、信号处理器、图形处理模块、单片机、激光器；

电动机头部套接同步带连接激光器。

本发明的优点及积极效果为：

该发明操作简单，功能齐全，利用激光能够进行精细的刻画，应用计算机数控技术能够很好的与激光加工系统相结合，能够满足工业化大批量生产的要求，有效的提高生产效率，且应用激光加工不会对环境产生污染，具有很好的实用性和推广性。

本发明相比基于立体视觉获取点云的方法：基于立体视觉获取点云的方法需要提供纹理复杂的图像序列，重建过程中没有视差图的区域没有点，重建误差受视差图求解误差的影响。而本发明对图像的纹理没有过多的要求，只要提供的初始点云能较为接近真实物体的形状，便能在一定程度上恢复初始点云丢失的大部分信息。

相比基于运动结构获取点云的方法：基于运动结构获取点云的方法获得的点云的数量取决与相邻两帧之间有效匹配特征点对的数量，采取的稀疏点云到稠密点云的派生方式的计算复杂。而本发明中生成的派生点云的数量与图像的纹理没有直接联系，对初始点云没有过多要求，只要较为接近真实物体，能通过派生方式使得原本点云分布稀疏的地方的点云数量增加，增加有效点云的数量。

相比基于深度图像的方法：基于深度图像的方法需要提供每帧图像的深度图，算法对深度图的精确度的敏感度较高，在两个点云之间的匹配使用迭代算法，使得所需计算量很大，矩阵运算很多，需要在gpu上计算。而本发明提出的方法对深度图没有要求，随着派生点云的滤除，需要计算的点的数量也在减少，计算速度增快。可获得准确的cad图形，为后序的处理提供保证。

本发明数据通过信号处理器预消除图形中的奇化部分，建立图形的数学模型，由描述图形的完备向量组建立与图形对应的特征矩阵，计算出相邻两边的夹角；计算图形间的最近距离；对计算结果增强性预处理后可得到不同角度不同形状的图形，而且获得数据准确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的数控激光雕刻机示意图。

图2是本发明实施例提供的数控激光雕刻机控制系统示意图。

图中：1、盖板；2、透明挡板；3、支撑杆；4、导轨；5、激光器；6、外壳；7、底座；8、控制面板；9、横栏；10、核心板模块；11、信号处理器；12、电动机；13、图形处理模块；14、单片机；15、cad图形模块。

图3是本发明实施例提供的数控激光雕刻机的控制方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的数控激光雕刻机包括：盖板1；透明挡板2、支撑杆3、导轨4、激光器5、外壳6、底座7、控制面板8、横栏9核心板模块10(arduinounor3核心板)、信号处理器11、电动机12、图形处理模块13、单片机14。

所述盖板1通过转轴焊接在外壳6上方，透明挡板2键接在盖板1中间处，支撑杆3头部焊接在盖板1上，尾部焊接在外壳6上方，机体中间设置有内凹处，导轨4两端焊接在内凹处的边缘，横栏9两端内嵌在导轨4，激光器5键接在横栏9上，底座7焊接在外壳6的下方，控制面板8键接在外壳6右边缘处，cad图形模块15、核心板模块10、信号处理器11、电动机12、图形处理模块13、单片机14都安装在机体内部。

核心板模块(arduinounor3核心板)10、信号处理器11、电动机12、图形处理模块13、单片机14、激光器5通过导线连接电源。核心板模块10通过数据线连接cad图形模块15、信号处理器11、图形处理模块13、单片机12、激光器5。电动机12头部套接同步带连接激光器5。

如图2,本发明实施例提供数控激光雕刻机的控制系统，包括：

cad图形模块，用于获得待雕刻品cad雕刻图形数据；

信号处理器，与cad图形模块连接，用于发送待雕刻品cad雕刻图形数据并进行数据的预处理；

图形处理模块，与信号处理器连接，用于进行待雕刻品cad雕刻图形数据的分析；

单片机，与图形处理模块连接，将分析后的数据输入单片机进行雕刻程序的编制；

核心板模块，与单片机连接，用于将编制后程序的指令电动机带动激光器在导轨内来回滑动，完成整个图形的雕刻。

本发明的工作原理：

安装好装置，应用cad等软件画出相对应的图形，arduinounor3核心板10是控制整个激光雕刻机的核心，将图形画完之后，打开控制面板8上的开关，将图形信息数据通过电脑发送到信号处理器(tms320f2812ghha)11和图形处理模块(phlycameralink)13中，信号处理器(tms320f2812ghha)11和图形处理模块(phlycameralink)13会对图形信息进行数据的分析，通过对单片机(stm32f103rct6)14进行程序的编程，控制电动机12带动激光器(amx)5在导轨4内来回滑动，完成整个图形的雕刻。

该发明操作简单，功能齐全，利用激光能够进行精细的刻画，应用计算机数控技术能够很好的与激光加工系统相结合，能够满足工业化大批量生产的要求，有效的提高生产效率，且应用激光加工不会对环境产生污染，具有很好的实用性和推广性。

如图3所示，本发明实施例提供的数控激光雕刻机的控制方法，包括：

s101：通过cad图形模块通过摄影头获取一组绕拍图像序列，对每帧绕拍图像提取物体轮廓，并将轮廓区域内的像素值设置为255，将轮廓外的像素值设为0，得到一帧二值图像，获得待雕刻品cad雕刻图形数据；

s102：并将数据通过信号处理器预消除图形中的奇化部分，建立图形的数学模型，由描述图形的完备向量组建立与图形对应的特征矩阵，计算出相邻两边的夹角；计算图形间的最近距离；对计算结果的增强性预处理后发送至图形处理模块进行待雕刻品cad雕刻图形数据的分析；

s103：将分析后的数据输入单片机进行雕刻程序的编制；将编制后程序的指令发送至核心板模块，指令电动机带动激光器在导轨内来回滑动，完成整个图形的雕刻。

获得待雕刻品cad雕刻图形数据的方法包括：

1)、通过摄影头获取一组绕拍图像序列，对每帧绕拍图像提取物体轮廓，并将轮廓区域内的像素值设置为255，将轮廓外的像素值设为0，得到一帧二值图像，称为有效区域图；

2)、对绕拍图像序列进行cad重建步骤，获得一个稠密度很低的点云，称为初始点云，同时还获得每一帧摄影头相对于世界坐标系的旋转矩阵r与平移向量t,旋转矩阵与平移向量组合起来形成变换矩阵m；

3)、遍历初始点云中的每个点，获得初始点云中所有点在x、y、z三个轴上取值的最大值与最小值，并计算每个轴上最大值与最小值之间的距离差，分别记做x_dis、y_dis、z_dis，分别将此三个距离差除以100，得到的三个量，称为初始点云的派生尺度，记做x_scalar、y_scalar、z_scalar；

4)、将初始点云中的一个点作为源点，分别沿x、y、z三个方向的正负方向各扩展对应步骤3)中计算的派生尺度大小，得到一个以源点为中心的长方体，该长方体的长宽高分别为2*x_scalar、2*y_scalar、2*z_scalar，该源点中心往长方体的周围共扩展了26个方向，在每个方向上派生出一个新点，取该新点的法向量与源点的法向量相同，且每个派生点均记录其源点；

5)、对初始点云中的每一个点都进行一次步骤4)所述的派生操作，将得到一个派生的点云，该点云中点的数量是初始点云数量的26倍；

获得待雕刻品cad雕刻图形数据的方法进一步包括：

对绕拍图像序列中的第i帧图像，取出计算得到的变换矩阵mi，将得到的派生点云根据变换矩阵mi变换到对应的摄像头坐标系下，并根据投影原理将派生点云中的每个点反投影到获得的第i帧的有效区域图上；

对投影到第i帧有效区域图中的无效区域内的点，从派生点云中删除，投影到第i帧有效区域图中的有效区域中的点则保留；

通过对派生点云环绕投影并删除，cad重建获得含有内点的派生点云。

步骤4)中以初始点云中的其中一个点作为源点向长方体的26个方向派生获得新点，其中新点的计算公式为：

其中，x_org、y_org、z_org分别为初始点云中某一个点在x、y、z轴上的坐标，x_scalar、y_scalar、z_scalar分别为计算得到的x、y、z三个方向的派生尺度，

上式计算得到的3*3*3个新点坐标，除了源点坐标增量为(0，0，0)的情况，将会派生出描述的26个新点云；

将派生点云变换到第i帧图像的摄像头坐标系的计算公式：

(x_cami,y_cami,z_cami)＝(x_world,y_world,z_world)*ri|ti

其中，(x_world,y_world,z_world)为派生点云在世界坐标系中的坐标，ri，ti分别为第i帧摄像头的旋转矩阵与平移向量，经过ri与ti的变换，将世界坐标系中的点云转到了第i帧摄像头坐标系下，即第i帧摄像头坐标系中变换后的点云的坐标为(x_cami,y_cami,z_cami)；

将摄像头坐标系中的点云进行反投影，将每个点投影到第i帧有效区域图中，投影位置的计算公式：

其中，f为摄像头焦距，cx、cy分别为图像分辨率的0.5倍，计算得到的u、v为该点投影到图像上的位置，即图像上的第u行、第v列对应的像素位置。

信号处理器预处理的方法进一步包括：

根据图形最小包容矩形长宽比设置适当域值，进行过滤；

根据源图形中各边长与周长比的最小值设置域值，去除目标图形中的奇化部分；

对目标图形边数作化简处理，使和源图形具有相同边数；

获取源图形和目标图形特征矩阵中最相似向量的欧式距离和最大相和系数具体包括：

首先，按逆时针方向分别建立源图形p和目标图形q的特征矩阵pe和qe：

pe＝[p1^tp2^t…p2n－1^tp2nt]；

qe＝[q1^tq2t…q2n－1^tq2n^t]；

欧式距离公式d(x,y)和夹角余弦公式sim(x,y)如下：

以d(x,y)和为sim(x,y)基础，重新定义两个矩阵d和s,使:

求出d和s中的最小值；

分别令eue＝min{dij},1≤i≤j＝2n；sime＝max{sij},1≤i≤j＝2n；

然后再按顺序针方向构造图形p和q的特征矩阵，重复上述计算方法，求出两特征矩阵中最完备向量间的最小值euc和simc；

最后令eu＝min{eue，euc}；

sim＝min{sime，simc}；

eu和sim即为p、q两图形对应最相似向量的欧式距离和最大相和系数。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。