一种用于木塑材料的激光切割方法与流程

1.本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种用于木塑材料的激光切割方法。


背景技术：

2.激光切割是用聚焦镜将co2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。
3.目前，采用激光切割方法对木塑材料切割时，由于选取的加工图形复杂程度不同，加工出的效果也不同。现有技术中通常选择整体图形中位于边角位置的图像单元作为初始加工图案，然后根据图形单元的就近原则，依次对每个图形单元进行加工，进而确定加工路径。但在加工过程中，由于图形的类别不同，会不断调整激光切割设备的控制参数如功率及切割的速率，导致频繁改变激光切割设备的控制参数，进而会影响切割的质量。同时，由于切割时依据图形单元的就近原则进行加工，并未考虑每个图形的突出程度，容易引起每个图形转角处造成过度烧蚀缺陷。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中的不足；本发明提供一种用于木塑材料的激光切割方法，该方法通过计算得到每个连通域的链码，通过连通域的突出程度相近性对图形进行分组，同一个类别的连通域采用相同的控制参数进行切割，避免频繁的改变参数，影响切割质量。
5.本发明的目的是提供一种用于木塑材料的激光切割方法，包括以下步骤：获取待切割木塑材料对应的二值图像；获取二值图像中多个连通域；根据每个连通域边缘线的走向获取每个连通域边缘线对应的原链码；将每个原链码的第一位元素补充至对应原链码的末尾获取每个连通域边缘线对应的新链码；根据每个新链码中每个元素与其邻域范围内元素的值获取每个元素的突出程度；并根据每个元素对应所述邻域范围内元素的数量获取每个元素对应突出程度的权重值；根据每个连通域对应新链码中每个元素的突出程度及对应突出程度的权重值，获取每个连通域的烧蚀值；将所有连通域按照每个连通域的烧蚀值进行分类，获取多个类别的连通域；根据每个类别中所有连通域中像素点的坐标获取每个类别的中心点；将二值图像中距任意一角最近的中心点所对应的一类别作为起始切割类别，根据起始切割类别的中心点与其邻域中距离最近的中心点所对应的类别作为起始切割类别的相邻类别，依次统计每个类别的相邻类别获取二值图像中类别序列；根据类别序列从起始切割类别开始依次对每个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割。
6.在一实施例中，每个元素的突出程度是按照以下步骤获取：
根据每个新链码中每个元素的两侧邻域范围内取k个元素的值，获取每个元素对应两侧邻域范围内所有元素的矢量和；根据每个元素的值与其两侧邻域范围内所有元素的矢量加和分别对应的方向角度差，获取每个元素对应的差值序列；根据每个元素对应的差值序列中所有元素的均值获取每个元素的突出程度；其中，从k取1开始依次计算每个k值对应每个元素的突出程度；当突出程度第一次出现从最大值转为最小值时，停止计算，将最大的突出程度作为该元素的突出程度。
7.在一实施例中，每个元素对应所述邻域范围内元素的数量是根据最大的突出程度对应的该元素两侧邻域范围内所取元素的数量而获取的。
8.在一实施例中，每个元素对应突出程度的权重值是根据每个元素对应所述邻域范围内元素数量的倒数而获取的。
9.在一实施例中，获取多个类别的连通域过程中，还包括：根据每个新链码中每个元素与其邻域范围内元素的值获取每个元素的突出程度；根据每个新链码中所有元素的突出程度获取每个连通域对应的平均突出程度；将所有连通域按照平均突出程度进行一次分类获取多个连通域集合；再根据每个连通域集合中每个连通域对应新链码中每个元素的突出程度，及对应突出程度的权重值，获取每个连通域集合中每个连通域的烧蚀值；将每个连通域集合中的所有连通域按照每个连通域的烧蚀值进行二次分类，获取每个连通域集合中多个类别的连通域。
10.在一实施例中，还包括：根据每个类别中所有连通域边缘上及内部的像素点的坐标获取每个类别的主成分方向；根据每个类别的中心点的坐标和主成分方向获取每个类别对应的方向直线；获取每个类别对应的方向直线在其中心点上的法线；将法线沿着方向直线向中心点两侧平移，获取该类别中距中心点最远的并与连通域相切的第一法线和第二法线，将第一法线和第二法线与方向直线的交点之间的线段作为该类别对应主成分方向的线段；依次获取每个类别对应的线段；根据类别序列中所有相邻两个类别对应的两个线段端部间的距离及每个线段的长度，获取类别序列对应激光切割的最短衔接路径；再根据类别序列从起始切割类别开始沿着最短衔接路径，依次对每个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割。
11.在一实施例中，对每个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割过程中，还包括：根据最短衔接路径获取所有相邻类别对应线段之间的衔接点；根据每个类别与其相邻类别对应线段之间的衔接点，获取每个类别中起始切割的连通域；从每个类别中起始切割的连通域开始将该类别中的所有连通域进行遍历获取每个类别中所有连通域的最短切割顺序；对每个类别中的所有连通域切割时，从起始切割的连通域开始沿着最短切割顺序
对该类别中所有连通域对应于木塑材料进行激光切割。
12.在一实施例中，类别序列对应激光切割的最短衔接路径是按照以下步骤获取：根据类别序列中所有相邻两个类别对应的两个线段任意端部间的距离，与每个线段的长度进行加和，获取多组衔接路径的长度；将最短衔接路径的长度作为激光切割的最短衔接路径。
13.在一实施例中，每个类别的中心点是根据每个类别中所有连通域中像素点横坐标的均值和纵坐标的均值对应于二值图像中的位置而获取的。
14.本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于木塑材料的激光切割方法，该方法通过获取需要切割图案中每个连通域的链码，计算每个连通域的突出程度和烧蚀值对二值图像中的所有连通域进行分类，使得切割的过程中采用相同的控制参数对同一类别中的连通域连续切割，避免频繁的改变参数，影响切割质量。通过获取类别序列中的最短衔接路径，提高了类别间的切割效率，避免当前类别切割结束后，与另一个类别中的元素相差较远，导致需要花费大量时间进行激光束的移动，使得切割效率较低。本发明对每个连通域切割时，将每个连通域的最大突出程度对应像素点处作为初始切割点沿着顺时针进行切割，可以避免该最大突出程度对应部分的烧蚀缺陷。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明的一种用于木塑材料的激光切割方法的实施例总体步骤的流程示意图；图2为8方向链码概述图；图3为8方向链码采样图；图4为连通域部分突出示意图；图5为8方向链码局部采样图；图6为突出的角度部分为最大突出程度的连通域图示；图7为三个类别对应三段的分布图示。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明的目的是通过获取需要切割图案中每个连通域的链码，计算每个连通域的突出程度和烧蚀值对二值图像中的所有连通域进行分类，并将同一个类别中的连通域在相同的控制参数进行连续切割，避免频繁的改变参数，影响切割质量。
19.本发明提供的一种用于木塑材料的激光切割方法，参见图1所示，包括以下步骤：s1、获取待切割木塑材料对应的二值图像；获取二值图像中多个连通域；本实施例中，获取对木塑材料切割所需图案对应的标准电子版图像，通过标准电子版图像中的特征计算得到切割路径，从而对应于木塑材料进行切割。标准电子版图像转化成便于计算的二值图像；再对二值图像利用seed-filling算法进行连通域分析获取二值图像中所有连通域，其中每个连通域对应每个图形。
20.s2、获取每个连通域边缘线对应的新链码；具体如下：根据每个连通域边缘线的走向获取每个连通域边缘线对应的原链码；将每个原链码的第一位元素补充至对应原链码的末尾获取每个连通域边缘线对应的新链码；在本实施例中，参见图2所示，以连通域中心点为起始点，以90
°
方向作为第一方向，构造第一方向线，所述第一方向线与连通域交于一点，以该交点处对应的像素点作为起点顺时针沿着连通域的边缘线走向，得到该连通域边缘线的原链码，为了更好地对边界进行描述，这里采用360个方向，图2所示为8个方向，而本实施例中采用的是360个方向对原链码进行描述。其中，原链码中的每一个数码值表示一个角度。
21.需要说明的是，常规的图像链码参见图3所示，对应链码为：0-270-180-90，但当前步骤的链码是为了描述边缘的拐点，为了连续性，需要补充完整，即变为0-270-180-90-0，方便边缘中每个元素的突变程度的计算，即首先在原链码的末尾补充一个链码的第一位数字，得到需要的完整的链码描述，称之为新链码，然后进行后续操作。为此，在本实施例中，将每个原链码的第一位元素补充至对应原链码的末尾获取每个连通域边缘线对应的新链码。
22.s3、获取每个元素的突出程度和每个元素对应突出程度的权重值；具体如下：根据每个新链码中每个元素与其邻域范围内元素的值获取每个元素的突出程度；并根据每个元素对应所述邻域范围内元素的数量获取每个元素对应突出程度的权重值；需要说明的是，计算突变程度的目的是对边缘中的转点进行描述，转点转的越突然，越有可能造成烧蚀缺陷，为了尽量避免这种缺陷，首先计算得到每个连通域边缘线上所有像素点的突变程度。突变程度小的可以分为两种情况，一种是变化连续，例如：圆；一种是方向一直不变，例如：直线。这两种的突变度为0。
23.另外，根据每个新链码中每个元素的值与其两侧邻域范围内所有元素的矢量加和分别对应的方向角度差，获取每个元素对应的差值序列；而将每个元素对应的差值序列中所有元素的均值获取每个元素的突出程度，对每个像素点计算不同邻域范围内的突出程度，参见图4所示，点f和点g处的突出部分容易检测到，但点f和点g之间区域的突出程度通过相邻元素检测不到，因为相邻元素的值近似，只有通过扩大邻域才能检测到点f和点g之间区域的突出程度。
24.为此，在本实施例中，每个元素的突出程度是按照以下步骤获取：根据每个新链码中每个元素的两侧邻域范围内的元素的值，获取每个元素对应两侧邻域范围内所有元素的矢量和；根据每个元素的值与其两侧邻域范围内所有元素的矢量和分别对应的方向角度差，获取每个元素对应的差值序列；根据每个元素对应的差值序列中所有元素的均值获取每个元素的突出程度；其中，从k取1开始依次计算每个k值对应每个元素的突出程度；当突出程度第一次出现从最大值转为最小值时，停止计算，将最大的突出
程度作为该元素的突出程度。
25.需要说明的是，两侧邻域范围内所有元素的数量是相同的。其中，每侧邻域范围内的元素对应的值表示一个方向角度，为此，根据每侧邻域范围内元素对应的值进行矢量加和获取加和的一个方向角度；因此，每个元素及两侧邻域范围内所有元素的矢量和构成一个子链码，在子链码中，该元素的两侧为一个矢量加和值，也就是说在该元素的两侧也是一个表示方向的元素。
26.在本实施例中，根据每个元素的值与其两侧邻域范围内所有元素的矢量和分别对应的方向角度差，获取每个元素对应的差值序列；再根据每个元素对应的差值序列中所有元素的均值与180的比值作为每个元素的突出程度；由于180是最大旋转的极限角度，两个相邻像素点的方向夹角最大≤180，因此根据每个元素对应的差值序列中所有元素的均值与180的比值作为每个元素的突出程度，能够体现每个连通域边缘线上每个像素点的突出程度。
27.参见图5所示，以0
°
线作为目标元素，当k=1时计算对应目标元素的突出程度具体如下：首先，获取一个子链码[45、0、315]，再得到差值序列为：[45、45]，其目标元素对应的差值序列中所有元素的均值为45，则当k取1时对应目标元素的突出程度为45/180=0.25；需要说明的是，如果目标元素的两侧邻域取1个元素，则不用计算领域中所有元素的矢量加和，而将两侧的元素的本身作为矢量加和直接与目标元素的方向角度偏差获取差值序列。
[0028]
以0
°
线作为目标元素，当k=2时计算对应目标元素的突出程度具体如下：首先获取湖目标元素的子链码：[90、45、0、315、270]，然后计算得到目标元素的两侧邻域中所有元素的矢量加和，左侧的矢量加和为：90
°
方向的矢量与45
°
方向矢量的加和矢量的方向，右侧的矢量加和为315
°
方向的矢量与270
°
方向矢量的加和矢量的方向，分别用e1和e2表示，再得到差值序列：[e1，e2]，将e1和e2的均值与180的比值作为当k=2时对应目标元素的突出程度；依次k=3计算目标元素的突出程度也一样，通过计算可以得到每个k值对应每个元素的突出程度，突出程度第一次出现从最大值转为最小值时，停止计算，将最大的突出程度作为该元素的突出程度。为此，在本实施例中，每个元素对应所述邻域范围内元素的数量是根据最大的突出程度对应的该元素两侧邻域范围内元素的数量而获取的。
[0029]
在本实施例中，每个元素对应突出程度的权重值是根据每个元素对应所述邻域范围内元素数量的倒数而获取的。则权重越大，即有较大概率产生烧蚀缺陷。
[0030]
s4、获取多个类别的连通域；具体如下：根据每个连通域对应新链码中每个元素的突出程度及对应突出程度的权重值，获取每个连通域的烧蚀值；将所有连通域按照每个连通域的烧蚀值进行分类，获取多个类别的连通域；需要说明的是，将每个突出程度对应元素两侧邻域范围内元素的数量作为每个突出程度的权重值，权重越大，即有较大概率产生烧蚀缺陷，计算每个突出程度与对应权重值的乘积，得到每个突出像素点的烧蚀概率，对于某个连通域来说，通过计算可以得到该图形上所有突出像素点的烧蚀概率的和，将所述和值作为该连通域的烧蚀值。
[0031]
在本实施例中，获取多个类别的连通域过程中，还包括：根据每个新链码中每个元素与其邻域范围内元素的值获取每个元素的突出程度；
根据每个新链码中所有元素的突出程度获取每个连通域对应的平均突出程度；将所有连通域按照平均突出程度进行一次分类获取多个连通域集合；其中，在一次分类的过程中，采用otsu多阈值分割算法；再根据每个连通域集合中每个连通域对应新链码中每个元素的突出程度，及对应突出程度的权重值，获取每个连通域集合中每个连通域的烧蚀值；将每个连通域集合中的所有连通域按照每个连通域的烧蚀值进行二次分类，获取每个连通域集合中多个类别的连通域。其中，在一次分类和二次分类中，均采用otsu多阈值分割算法。
[0032]
需要说明的是，每个像素点的突出程度越大，该点处越容易出现烧蚀缺陷，邻域越大，该点处越不容易出现缺陷；通过整体连通域的突出程度即平均突出程度作为该连通域的突出程度表示，通过该平均突出程度对所有连通域进行初始分类，同一类别中连通域的平均突出程度相近，进而根据较大突出程度得到每个图形的烧蚀概率，根据所述烧蚀概率对图形进行进一步分类，此时得到的同一类别的图形的平均突出程度和烧蚀概率均相近，应该采用相同的控制参数，例如：切割功率和速度参数应该保持一致。其中，如果某两个连通域的平均突出程度相近的同时，烧蚀值也相近，即为该两个连通域的形状相近的同时突出程度也相近，则产生烧蚀缺陷的概率相近，则也可以采用相同的控制参数来进行图形的切割。
[0033]
s5、获取二值图像中类别序列；具体如下：根据每个类别中所有连通域中像素点的坐标获取每个类别的中心点；将二值图像中距任意一角最近的中心点所对应的一类别作为起始切割类别，根据起始切割类别的中心点与其邻域中距离最近的中心点所对应的类别作为起始切割类别的相邻类别，依次统计每个类别的相邻类别获取二值图像中类别序列；需要说明的是，每个类别的中心点是根据每个类别中所有连通域中像素点横坐标的均值和纵坐标的均值对应于二值图像中的位置而获取的。
[0034]
s6、根据类别序列从起始切割类别开始依次对每个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割。
[0035]
需要说明的是，切割顺序主要分为两方面：一方面是类别间的切割顺序，另一方面是每个类别内连通域的切割顺序，类别内切割顺序通过最短路径算法可以直接得到，类别间切割顺序是为了提高效率，避免当前类别切割结束后，与另一个类别中的元素相差较远，导致需要花费大量时间进行激光束的移动，使得切割效率较低。
[0036]
在本实施例中，还包括：根据每个类别中所有连通域边缘上及内部的像素点的坐标获取每个类别的主成分方向；根据每个类别的中心点的坐标和主成分方向获取每个类别对应的方向直线；获取每个类别对应的方向直线在其中心点上的法线；将法线沿着方向直线向中心点两侧平移，获取该类别中距中心点最远的并与连通域相切的第一法线和第二法线，将第一法线和第二法线与方向直线的交点之间的线段作为该类别对应主成分方向的线段；依次获取每个类别对应的线段；根据类别序列中所有相邻两个类别对应的两个线段端部间的距离及每个线段的
长度，获取类别序列对应激光切割的最短衔接路径；再根据类别序列从起始切割类别开始沿着最短衔接路径，依次对每个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割。
[0037]
其中，每个类别的主成分方向主要是根据每个类别内所有连通域中所有像素点的坐标，利用pca算法获得该所有像素点的主成分方向，依次可获得多个成分方向，每个成分方向都是一个2维的单位向量，每个成分方向对应一个特征值；本实施例将特征值最大的成分方向作为该类别的主成分方向；同时表示该所有像素点投影方差最大的方向，即该所有像素点的主要分布方向。
[0038]
其中，类别序列对应激光切割的最短衔接路径是按照以下步骤获取：根据类别序列中所有相邻两个类别对应的两个线段任意端部间的距离，与每个线段的长度进行加和，获取多组衔接路径的长度；将最短衔接路径的长度作为激光切割的最短衔接路径。
[0039]
在本实施例中，对每个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割过程中，还包括：根据最短衔接路径获取所有相邻类别对应线段之间的衔接点；根据每个类别与其相邻类别对应线段之间的衔接点，获取每个类别中起始切割的连通域；从每个类别中起始切割的连通域开始将该类别中的所有连通域进行遍历获取每个类别中所有连通域的最短切割顺序；其中，获取每个类别中所有连通域的最短切割顺序是通过dijkstra算法计算得到该类别中从一个起始切割的连通域将所有连通域遍历一次的最短路径，通过计算可以得到所有类别的最短路径，作为该类别内所有连通域的最短切割顺序；对每个类别中的所有连通域切割时，从起始切割的连通域开始沿着最短切割顺序对该类别中所有连通域对应于木塑材料进行激光切割。
[0040]
另外，确定每个连通域的初始切割点，将每个连通域边缘线上的最大突出程度对应像素点处作为初始切割点，如图6所示，突出的角度部分为最大突出程度对应部分，切割时选择从该角上的角点作为初始点进行切割，可以避免该最大突出程度对应部分的烧蚀缺陷。
[0041]
参见图7所示，对应类别序列中，图7中，相邻三个类别的线段用a、b、c表示，a1、a2表示线段a的两个端部；b1、b2表示线段b的两个端部；c1、c2表示线段c的两个端部；线段a、线段b、线段c分别对应的长度用la、lb、lc表示；首先获取所有相邻两个类别对应的两个线段任意端部间的距离，见图7中，线段a与线段b任意端部间的距离，也就是之间的衔接距离包括a1至b1、a1至b2、a2至b1、a2至b2的距离；线段b与线段c任意端部间的距离，也就是之间的衔接距离包括b1至c1、b1至c2、b2至c1、b2至c2的距离；任取线段a与线段b之间衔接的距离和线段b与线段c之间的衔接距离再加上线段a、线段b、线段c分别对应的长度，则获取多组衔接路径的长度；则将最短衔接路径的长度作为激光切割的最短衔接路径，从图7中可见，最短衔接路径即为a2-b2-b1-c1-c2，线段a与线段b之间的衔接处为a2至b2；线段b与线段c之间的衔接处为b1至c1，则将三个类别切割的顺序为从距a1最近的连通域作为起始切割的连通域开始切割至距a2最近的连通
域切割结束后，在衔接至距b2最近的连通域开始切割，依次将三个类别中的连通域对应于木塑材料进行激光切割。
[0042]
本发明提供的一种用于木塑材料的激光切割方法，该方法通过获取需要切割图案中每个连通域的链码，计算每个连通域的突出程度和烧蚀值对二值图像中的所有连通域进行分类，使得切割的过程中采用相同的控制参数对同一类别中的连通域连续切割，避免频繁的改变参数，影响切割质量。通过获取类别序列中的最短衔接路径，提高了类别间的切割效率，避免当前类别切割结束后，与另一个类别中的元素相差较远，导致需要花费大量时间进行激光束的移动，使得切割效率较低。本发明对每个连通域切割时，将每个连通域的最大突出程度对应像素点处作为初始切割点进行切割，可以避免该最大突出程度对应部分的烧蚀缺陷。
[0043]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。