CC BY
89
УДК 621.398.001.2
О. В. Епифанова, асп., (4872)351887,O.Y epifanova@yandex.ru,
Д. И. Троицкий, канд. техн. наук, доц,
(4872)351887, dtroitsky@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАСТРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ГРАВИРОВАЛЬНОГО СТАНКА
Рассматривается вопрос автоматизации преобразования растровых изображении при подготовке УП для промышленного лазера, принципы формирования изображении при лазерной гравировке в различных режимах. Предложен алгоритм преобразования растрового изображения. Описана структура системы, реализующей этот алгоритм, иреализация этой структуры в специализированном приложении.
Ключевые слова: частотная модуляция цвета, преобразование растровых изображений, растровая маска.
В настоящее время на промышленных предприятиях для декоративной отделки изделий применяются станки для лазерного гравирования. Например, станок LEGEND 32 с ЧПУ применяется для нанесения изображений на металлические декоративные накладки, размещаемые на сувенирном и именном оружии.
Микропроцессорная система управления станка обеспечивает гравирование растровых изображений. Типичной областью применения является воспроизведение сканированных изображений, например, фотографий. Для имитации цветных изображений используются специальные настройки глубины гравировки, что позволяет имитировать на материале полутоновое изображение. Однако такой режим обработки является слитком затратным как с точки зрения расхода электроэнергии, так и с точки зрения неприемлемо большого штучного времени обработки, поскольку количество проходов лазера определяется числом цветов (оттенков) изображения. Станок потребляет примерно 1,2кВт, а время одного прохода, при котором формируется один оттенок изображения на стандартной декоративной накладке охотничьего ружья, составляет 40 мин., что делает процесс лазерного гравирования весьма дорогостоящим.
Поэтому целесообразно преобразовать исходное изображение таким образом, чтобы выполнять обработку за один проход, но при этом сохранить возможность имитации отображения цветов и одновременно снизить затраты времени и электроэнергии.
Постановка задачи. При подготовке управляющих программ в задачах гравировки изображений с использованием лазерной системы LEGEND 32 часто требуется специфическая обработка исходного изображения. Базовая подготовка производится с помощью стандартных графических редакторов (CorelDRAW). Необходимо решить задачу генерации на
основании исходного цветного/полутонового изображения нового монохромного изображения с частотной модуляцией цвета [1], когда разные оттенки передаются более частым или более резким размещением точек одинаковой глубины (аналогичным образом печатаются газетные фотографии). При частотной модуляции вместо того, чтобы менять режимы работы лазерной системы (подача и глубина гравировки), мы преобразуем исходное изображение таким образом, чтобы для каждого цвета (тона) менялась плотность точек растровой маски.
К сожалению, задача формирования изображения с частотной модуляцией цвета не решается стандартными графическими редакторами. Поэтому было принято решение разработать алгоритм выполнения такого преобразования и реализовать его в специализированном приложении с тем, чтобы упростить и ускорить процедуру технологической подготовки задания на однопроходную гравировку.
Принципы формирования изображения при лазерной гравировке. Большинство лазерных гравировальных технологических комплексов работают в одном из трех режимов [3]: растровом - для гравировки растровых изображений, векторном - для резки и прорезания тонких контуров, и комбинированном, объединяющем возможности двух предыдущих режимов.
Растровый режим используется для маркировки или гравировки ма-териалов. При выборе растрового режима работы лазерной системы активируются только линейные регуляторы растровой скорости и растровой мощности. При гравировке в растровом режиме лазер последовательно проходит все строки изображения и включается только в определенных точках.
Векторный режим может быть использован для разрезания акрила или дерева, пластика, пробки, картона и других материалов. При выборе векторного режима работы активируются линейные регуляторы векторной скорости и векторной мощности, положение которых устанавливается в зависимости от обрабатываемого материала.
Комбинированный режим используется в том случае, если требуется использовать сочетание растра и вектора для выполнения одной и той же задачи. В комбинированном режиме сначала выполняется растровая гравировка, а затем - векторное прорезание. При этом автоматически осуществляется контроль за тем, какие элементы относятся к растровой части, а какие к векторной.
Для выполнения гравировки требуется произвести некоторые специальные настройки оборудования и выбрать определенный перечень параметров. К ним, помимо режима работы (растр, вектор либо комбинированный), относятся разрешение, размер образца, параметры скорости и мощности для векторного или растрового режима или карта цветовой настройки скорости и мощности для растрового режима.
В станке также предусмотрена возможность настройки различных уровней мощности и подачи при гравировке отдельных областей изображения. Сущность такого метода состоит в том, что для каждого цвета обрабатываемого изображения (задаваемого в ЯСВ-модели) устанавливаются свои параметры подачи и мощности. При этом области разных цветов гравируются последовательно, то есть обработка осуществляется в несколько проходов и штучное время линейно зависит от количества цветов изображения.
Гораздо более перспективным вариантом гравировки цветного растрового изображения является гравировка растрового изображения с частотной модуляцией цвета, когда вместо того, чтобы изменять параметры работы лазерной системы (подача и мощность обработки, определяющие глубину гравировки), меняется плотность точек, задающих изображение, при неизменном режиме обработки. При этом все изображение гравируется за один проход, что резко, в десятки раз, сокращает штучное время, а также уменьшает износ станка, работающего в установившемся режиме с постоянной мощностью.
Алгоритм преобразования растрового изображения в изображение с частотной модуляцией цвета. Весьма существенной является задача предварительной обработки (препроцессирования) исходного цветного/полутонового изображения с тем, чтобы получить изображение с частотной модуляцией цвета и в дальнейшем обеспечить унифицированный режим технологической обработки для всего изображения.
Алгоритм преобразования растрового изображения в изображение для гравировального станка включает два основополагающих этапа (рис. 1):
1. Предварительная обработка исходного изображения, снижение глубины цвета, цветности, генерация адаптивной палитры и ее применение к исходному изображению.
2. Приведение квантованного (с применением адаптивной палитры) изображения к монохромному виду с частотной модуляцией цвета.
Остановимся подробнее на особенностях этих двух этапов алгоритма преобразования.
Этап 1 - квантование исходного изображения. Целью квантования является преобразование исходного полноцветного/полутонового изображения в изображение с ограниченным набором цветов (256, 64, 16..) без существенного искажения цветов. Следует отметить, что во время сокращения количества цветов, когда отобраны и определены цвета, которые встречаются в изображении чаще всего (адаптивная палитра), и цвета, на которые производится замена, цветовые искажения сводятся к минимуму. Входными данными для квантования является множество красных, зеленых и синих цветовых областей, они находятся в диапазоне (0, 255).
Алгоритм преобразования изображения для лазерной системы LEGEND 32
Исходное
изображение
Квантование
исходного
изображения
Квантованное
изображение
Преобразование в изобр. с частотной модуляцией цвета
Результирующее
изображение
Рис.1. Алгоритм обработки исходного изображения
Наиболее распространенными и эффективными алгоритмами квантования (создания и применения адаптивной палитры) являются [2]:
- однородное квантование (Static Color Table);
- срединное деление (Median cut);
- использование наиболее часто встречающихся цветов (Popularity);
- применение алгоритма Octree;
- применение алгоритмов кластеризации.
Эти алгоритмы обычно комбинируют с алгоритмами сглаживания:
- случайное сглаживание (Dithering);
- метод Флойда-Стейнберга.
Наиболее эффективным для реализации является алгоритм кластеризации по методу k-means (k-средних).
Задача классификации объектов на основе их сходства друг с другом, когда принадлежность обучающих объектов каким-либо классам не задаётся, называется задачей кластеризации.
Задача кластеризации заключается в следующем: имеется обучающая выборка X и функция расстояния между объектами р, требуется разбить выборку на непересекающиеся подмножества Y, называемые кластерами, так, чтобы каждый кластер состоял из объектов, близких по метрике р, а объекты разных кластеров существенно отличались. При этом каждому объекту приписывается метка (номер) кластера yt.
Алгоритм кластеризации - это функция a: X ^ Y , которая любому объекту ставит в соответствие метку кластера, где а - алгоритм кластеризации; X- множество объектов; Y - множество кластеров.
В рамках решения задачи квантования изображения степень близости цветов определяется следующим образом. Красная, зеленая и синяя цветовые компоненты определяются соответствующие координаты в цветовом пространстве RGB. Диапазон изменения этих координат при стандартной 24-битной глубине цвета - от 0 до 255. Поэтому «расстояние» между цветами исходного и квантованного изображения могут быть определены по формуле:
2 2 2 р = (quantr-origr) + (quantg-origg) + (quantb-origb) ,
где quant и orig - цвета трехцветного RGB пространства соответственно для квантованного и исходного изображений; r, g, b -значения красной, зеленой и синей компонент цвета соответственно.
Метод k-средних, представлен в следующем алгоритме:
1. Сформировать начальное приближение центров всех кластеров y е Y с центрами в ^y, где ^y - наиболее удаленные друг от друга объекты выборки.
2. Повторять.
3. Отнести каждый объект к ближайшему центру по принципу минимального расстояния (первоначальное формирование кластеров y,): относим к кластеру yi из множества кластеров Y все х, для которых расстояние до центра текущего кластера цy будет минимально:
yi := arg min р(х>, цy ), i = 1,..., l.
ysY
4. Вычислить новое положение центров по формуле - сумму значений признаков элемента х поделить на число элементов в кластере:
I [yi = y Vi
^ y = ^----------, y е Y .
¿[y = y]
i=1
5. Пока положение центров цy (а, следовательн , состав кластеров)
не перестанет изменяться, перейти к началу цикла.
В алгоритме k-средних (k-means) каждый объект жёстко приписывается только к одному кластеру по принципу ближайшего соседа.
При реализации алгоритма используем следующие допущения : число кластеров задается заранее, центры кластеров (с целью снижения ресурсоемкое™ алгоритма) выбираются упрощенно. В нашем случае в качестве начальных центров кластеров выбираются K точек, равномерно распределенных по цветовому пространству обрабатываемого изображения.
Как показали проведенные испытания, качество квантования с применением приведенного алгоритма не уступает качеству квантования, обеспечиваемому графическими редакторами.
Этап 2 - наложение растровой маски. На втором шаге нашего алгоритма каждому цвету квантованного изображения должна быть поставлена в соответствие растровая маска. После этого пикселы соответствующего цвета заменяются этими масками.
Выбор соответствующей маски должен производиться опционально и зависеть исключительно от задач гравировки и предпочтений дизайнера, поэтому он производится в полуавтоматическом режиме. При выборе маски следует учитывать параметры максимально допустимого разрешения гравировки. Следует обратить внимание и на то, что подбор масок должен быть соотнесен с конкретными особенностями используемой лазерной системы с тем, чтобы соблюсти параметры минимально допустимого расстояния между гравируемыми элементами (точками растровой маски). При нарушении этого правила может произойти прожигание материала между соседними точками, что является неисправимым браком. Таким образом, необходимо создать библиотеку стандартных масок, соответствующих технологическим возможностям применяемого станка, и пользовательский интерфейс для установки соответствия между оттенком в исходном изображении и конкретной маской.
Разработка структуры системы. Описанный выше алгоритм был положен в основу разрабатываемого программного модуля. На рис. 2 представлена схема его структуры. В соответствии с алгоритмом обработки изображения в разработанном приложении имеется два основных блока: модуль генерации и применения адаптивной палитры (квантования изображения) и модуль наложения растровых масок на цветовые компоненты квантованного изображения.
Параллельно с передачей изображения от одного модуля к другому передается также и полная информация о нем: сколько и каких цветов имеется в изображении, как часто встречаются те или иные цвета и пр.
Результаты работы по каждому из этапов обработки контролируются пользователем. Преобразование производится до тех пор, пока полученный результат не будет соответствовать требованиям дизайнера. При этом пользователю же предоставляется право выбора параметров преобразования. К таким параметрам для первого этапа (квантование изображения) относится выбор количества целевых цветов квантованного изображения, для второго этапа - назначение растровых масок цветовым компонентам квантованного изображения.
Такое приложение позволяет пользователю проконтролировать процесс подготовки изображения для гравировки, произвести необходимые базовые преобразования (квантование изображения с опциональным выбором количества целевых цветов) и преобразование в изображение с частотной модуляцией цвета.
Пользователь
й
I
<и>
а
О
й
а
О
Исходное
полноцветное
изображение
Параметры
квантования
Квантованное //^-изображение
Подбор растровых масок
Результирующее
изображение
Разработанное приложение
Модуль генерации и применения адаптивной палитры
Ч
В® я я и Й
2 й й Й
н й £
к Э Э
1 г Модуль нал< масок на цве изо эженр говые браже [я растровых компоненты ния
з а 2 а 1 % Я й ^ & Р о ^ со
1 1
Сохранение результатов
_ —
Рис. 2. Структура системы
При этом остается возможность подбора соответствующей и наиболее подходящей маски для каждого цвета и подбора параметров преобразования изображения до достижения наилучшего результата.
Практическая реализация. Предложенный алгоритм был положен в основу специализированного приложения. В качестве средства разработки использована среда программирования Бе1рЫ.
Остановимся подробнее на принципах работы с описываемым программным продуктом. Имеется две основные области - для отображения исходного изображения (слева) и для отображения преобразованного изображения (справа). Предусмотрено поле для ввода количества целевых
цветов квантованного изображения. Ниже этого поля располагается область, позволяющая осуществить сопоставление цветовых компонент квантованного изображения и растровых масок.
Горизонтальное меню реализует все операции работы с изображением. Панель управления дублирует некоторые наиболее часто используемые команды. К реализованным командам относятся: загрузка изображения для обработки, сохранение результатов работы, выход из приложения, выбор количества целевых цветов, применение адаптивной палитры, наложение маски.
Работа с приложением производится в следующей последовательности. Прежде всего следует выполнить загрузку исходного изображения в формате jpeg или bmp. Затем следует выбрать количество цветов целевого изображения. После этого применяется команда «Применить адаптивную палитру». Выполняется квантование исходного изображения в соответствии с заданными параметрами и перерисовка области для отображения результирующего изображения. Кроме этого будет выведена информация о том, какие цвета содержатся в квантованном изображении и предложено поставить в соответствие этим цветам растровые маски. Выбор маски осуществляется щелчком по ее изображению. После этого отображается палитра, содержащая все доступные маски, из которой и делается выбор.
Результирующее изображение может быть сохранено выбором соответствующей команды и использовано в дальнейшем для создания управляющей программы специализированной CAM-системой, поставляемой вместе со станком.
Заключение. Разработанное приложение внедрено в производстве охотничьего оружия и позволило при выполнении лазерного гравирования сократить расход электроэнергии и штучное время в 8..10 раз по сравнению с применением многопроходной обработки.
Список литературы
1. Ласло М. Вычислительная геометрия и компьютерная графика на C++. М.: Бином, 1997.
2. Голованов Н. Н. Геометрическое моделирование. М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2002. 472 с.
3. Ливиненко C. Технологии гравирования. Киев: ВМ, 2006. 112 с.
O. Yepifanova, D. Troitsky
COMPUTER-AIDED RASTER IMAGE TRANSFORMATION FOR LASER ENGRAVING MACHINE NC PROGRAMMING
Computer-aided raster image transformation for laser engraving machine NC programming, fundamentals of laser engraving image formation under various modes are considered. A raster image transformation algorithm is proposed. A software system’s structure that implements the algorithm as a special-purpose application is given.
Key words: frequency color modulation, raster image transformation, raster mask.
Получено 12.05.10
