摘要：線切割、激光雕刻等科學(xué)工程加工中有時(shí)加工一些無(wú)尺寸圖片、具有復(fù)雜的非參曲線實(shí)物只能以掃描圖形或?qū)嵨锷晌粓D作為輸入數(shù)據(jù)的方法，但此類方法存在嚴(yán)重的局限性，掃描得到位圖因由點(diǎn)陣構(gòu)成，經(jīng)過(guò)縮放等操作后容易失真、層次不夠清晰，不能用于精密加工。針對(duì)上述情況本文介紹了coreIDraw柵格數(shù)據(jù)矢量化結(jié)合人工后期編輯處理將其轉(zhuǎn)化成能用于此類科學(xué)加工的精確、無(wú)交疊矢量圖形過(guò)程。同時(shí)探究了基于CorelDRAW的位圖矢量化原理、目前存在問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：位圖矢量圖coreIDraw矢量化

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

The bitmap vector quantization method based on CorelDRA

Ni QingYang Peng

（Southwest University of Science and Technology， Sichuan Mianyang 621000）

Abstract：When processing the picture without size or with complex of physical parameter curve，the cutting or aser engraving can only scan graphics or physical method as the input data.Raster data vector quantization and transforming it into precise vector graphics through coreldraw and labour interactive way are introduced in this thesis to overcome the above mentioned difficulty .Meanwhile explore the principle， the existing problems and development direction in the future.

Keywords： bitmap；Vector image；Coreldraw；Vectorization

1 計(jì)算機(jī)中的圖像主要顯示形式

計(jì)算機(jī)中的圖像主要以位圖和矢量圖的形式顯示。

1.1 位圖

位圖亦稱點(diǎn)陣圖或柵格圖，構(gòu)成其基本單位為像素。每個(gè)像素在RGB模式下都是由RGB三原色按一定比例合成而來(lái)，每一種原色具有0-255的灰度。這些具有不同顏色信息的像素點(diǎn)按照一定的順序排列便構(gòu)成了位圖，圖像單位面積的像素點(diǎn)越多，包含信息越豐富，圖像越真實(shí)。位圖的放大是將單個(gè)像素點(diǎn)放大，當(dāng)像素點(diǎn)放大到一定程度時(shí)單位面積所包含的像素點(diǎn)減少，單個(gè)像素點(diǎn)呈現(xiàn)出一定的輪廓使表達(dá)的圖像邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀；而位圖的縮小則是通過(guò)減少像素點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，因此對(duì)位圖進(jìn)行縮放操作會(huì)使其像素信息缺失造成失真。

1.2矢量圖

矢量圖也稱向量圖，其基本構(gòu)成單位為矢量輪廓線和矢量色塊[1]。這些基本單位都是由特定的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)其形狀及顏色，在進(jìn)行縮放等其他操作時(shí)數(shù)學(xué)算法保持不變，因此所顯示的圖像信息保持不變，不會(huì)出現(xiàn)輪廓形狀及顏色改變。同時(shí)，矢量圖占用較少的存儲(chǔ)空間、輪廓表達(dá)清晰流暢、易于后期編輯，這些特性使其廣泛地用于科學(xué)工程加工中。

將位圖轉(zhuǎn)換為CAD/CAM軟件能夠識(shí)別并加工的格式需要位圖矢量化。目前市場(chǎng)上有很多優(yōu)秀的矢量化軟件，如CorelDRAW、AI、caxa等。CorelDRAW是一款頂尖平面設(shè)計(jì)軟件，具有強(qiáng)大的矢量圖形編輯能力。它能減少普通位圖中的色彩數(shù)量并用光柵來(lái)引導(dǎo)普通位圖中的彩色像素轉(zhuǎn)換為矢量信息，僅幾個(gè)步驟就能完成繁復(fù)的矢量化邊界提取等處理，得到有序化的高質(zhì)量光柵矢量圖。若使用者有特殊的需求，CorelDRAW也提供了進(jìn)階設(shè)定的功能實(shí)現(xiàn)更為精確的矢量效果[2]。

2 矢量化原理探究

位圖的矢量化是將位圖中的像素點(diǎn)進(jìn)行描摹，并將之記錄為矢量坐標(biāo)點(diǎn)的形式[3]。軟件矢量化的處理步驟一般為：位圖—預(yù)處理—矢量化—綜合處理—矢量文件。

預(yù)處理是為了盡可能的消除無(wú)關(guān)信息、提高圖像辨識(shí)度、簡(jiǎn)化后期處理。一般步驟有：二值化、噪聲消除、幾何變換及平滑處理。

二值化是預(yù)處理中至關(guān)重要的一步，旨在將有價(jià)值的目標(biāo)從背景中分離，具體做法是將圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值與某一灰度值（閾值）比較。若將每個(gè)點(diǎn)灰度函數(shù)設(shè)為h（x，y），輸出圖像函數(shù)設(shè)為f（x，y），閾值設(shè)為k，則二值化具有如下算法：，該算法的關(guān)鍵是閾值的選取。現(xiàn)有的閾值選取算法如最大類間方差法、一致性準(zhǔn)則法、otsu[4]法及其改進(jìn)算法雖然優(yōu)點(diǎn)顯著，但是某些情況下根據(jù)整體圖像選定一個(gè)全局閾值的方法不便使用。另一種更好的方法就是局部閾值法，即將圖像分割為多個(gè)塊單獨(dú)選取每個(gè)塊的閾值。分割技術(shù)中的難點(diǎn)是從復(fù)雜的背景中快速準(zhǔn)確地識(shí)別提取到需要的輪廓，而邊緣檢測(cè)是輪廓提取的重點(diǎn)，邊緣檢測(cè)的基本步驟[5]是：

（1）濾波。邊緣檢測(cè)算法是建立在圖像灰度值的微分基礎(chǔ)上的，微分運(yùn)算對(duì)噪聲很敏感，需要用濾波器適中地濾波降噪，提高信噪比。

（2）增強(qiáng)。增強(qiáng)算法是將邊緣灰度變化值大的像素點(diǎn)周圍的像素點(diǎn)加深著重顯示。

（3）檢測(cè)。檢測(cè)算法用于鑒別真正的邊緣點(diǎn)及某些不屬于邊緣而灰度值變化卻比較大的點(diǎn)。

（4）定位。準(zhǔn)確地定位邊緣的位置。

當(dāng)邊緣的位置被確定后，由于經(jīng)過(guò)了微分運(yùn)算產(chǎn)生了一定的噪聲，下一步處理需要再次降噪處理，再進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算求得灰度的二階導(dǎo)數(shù)的過(guò)零點(diǎn)，并根據(jù)過(guò)零點(diǎn)選取適當(dāng)?shù)闹底鳛殚撝?。閾值選定后CorelDRAW便能按照算法將圖片二值化了。

位圖的矢量化處理是將上一步得到的邊緣輪廓用已知的矢量線條如直線、圓弧、折線等進(jìn)行矢量擬合。在矢量化過(guò)程中可能包含各種后處理，如圓的合并、圓弧合成圓以及邊緣的光滑化等。

現(xiàn)以西南科技大學(xué)照片為例，說(shuō)明基于CorelDRAW的位圖矢量化方法。

3 原始圖像前期處理

（1）打開(kāi)CorelDRAW×6新建空白文檔，并導(dǎo)入需要加工的圖片。

（2）選擇左側(cè)工具欄的鋼筆工具，繪制所需圖形大致輪廓。

（3）同時(shí)選取繪制的輪廓和圖片，使用上方菜單欄中排列功能-造型-移除后面的對(duì)象（圖1）。

（4）使用上方菜單欄中的效果命令-調(diào)整-高反差，使用滴管取樣調(diào)整圖像對(duì)比度（圖2）。

圖1 初步移除背景圖像圖2高反差操作后圖像

前期處理中，圖片背景的移除去掉了大量的冗余信息，高反差操作加大了目標(biāo)圖像與邊界的對(duì)比度、輪廓清晰度，增強(qiáng)了圖像判讀和識(shí)別效果，減少了因字線邊緣灰度漸變而引起的字與字、字與線、線與線矢量化過(guò)程中出現(xiàn)的粘連。

4 CorelDRAW矢量化過(guò)程

（1）選擇上方菜單欄的位圖，點(diǎn)擊位圖中的輪廓描摹，選擇線條圖。我們的目的是得到便于后期加工的工程的圖形，雖然輪廓描摹中的高質(zhì)量圖像適用于高質(zhì)量相片，但細(xì)節(jié)繁多，不易于后期編輯。線條圖恰能以粗且突出的線條得到易于識(shí)別的黑白圖。

（2）CorelDRAW自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到PowerTRACE界面，進(jìn)行矢量化處理。細(xì)節(jié)、平滑、拐角平滑度是生成最終處理結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)。CorelDRAW×6系統(tǒng)默認(rèn)處理細(xì)節(jié)為70，平滑為20，拐角平滑為0。其中細(xì)節(jié)與精度有關(guān)，細(xì)節(jié)越大節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，曲線數(shù)與矢量色塊所表達(dá)的顏色也越多；平滑功能主要能消除位圖矢量化過(guò)程中邊緣不平整現(xiàn)象，使線條彎曲處以調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置方式變得連續(xù)平滑；拐角平滑功能則能使圖像在拐角處以調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置或是增減節(jié)點(diǎn)數(shù)的方式使圖像拐點(diǎn)處不致出現(xiàn)鋸齒化甚至尖角現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際需要及預(yù)覽效果，不斷手動(dòng)修改以上三個(gè)參數(shù)，并選擇根據(jù)顏色分組對(duì)象，得到能夠最佳輸出的圖像。本例最終參數(shù)中細(xì)節(jié)為80，平滑為20，拐角平滑度為9。

圖3 coreldraw矢量化后圖像

（3）將生成的矢量圖另存為DXF格式。從生成的效果圖可以看出圖像存在多處曲線的重疊交叉，這種沒(méi)有明確層次的矢量圖像會(huì)使激光雕刻機(jī)不能分辨激光的發(fā)出和中止而不能用于激光雕刻，更不能用于線切割，需要進(jìn)一步處理以達(dá)到加工要求。

5 圖片后期處理

在AutoCAD2014中針對(duì)上面得到的圖形進(jìn)行了如下編輯：

（1）刪除冗余線條。矢量化過(guò)程中細(xì)化、輪廓追蹤產(chǎn)生了許多不利于后期加工的元素，如石頭紋理、同一元素多重線段表達(dá)現(xiàn)象等。

（2）文字矯正。矢量化后的文字出現(xiàn)部分粘連、輪廓鋸齒化、交錯(cuò)現(xiàn)象。先將其打散或打斷，刪除需要矯正的部分并使用藝術(shù)線條將其修正為光滑、符合標(biāo)準(zhǔn)且易于加工的字體。

（3）外輪廓修正。刪除線條過(guò)程中無(wú)關(guān)線條往往與外輪廓粘連，用藝術(shù)線條直接補(bǔ)出刪除的輪廓線，或?qū)⒄掌瑢?dǎo)入AutoCAD并將外輪廓描圖，因?yàn)檩喞?jiǎn)單此處我們選擇后者。

（4）線寬調(diào)整。矢量化后圖像線段均表達(dá)為單像素寬線條，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將輪廓線寬增加。

經(jīng)過(guò)以上步驟處理我們最終得到下列圖像。該圖像紋理、層次分明、無(wú)交錯(cuò)，方便進(jìn)行儲(chǔ)存及各種后期科學(xué)工程加工。

圖4 經(jīng)人工編輯后最終圖像

6 結(jié)語(yǔ)

（1）從上述的矢量化過(guò)程中，我們能看出位圖矢量化軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程還不夠成熟與完善。

（2）彩色位圖顏色錯(cuò)綜復(fù)雜、包含大量的過(guò)渡色彩和失真使輪廓識(shí)別存在很大問(wèn)題，矢量化處理基本完成后效果不佳，如同一條線多次表達(dá)、文字輪廓邊緣粘連鋸齒化、外輪廓與其他無(wú)關(guān)要素粘連，這些都需要后期綜合處理中使用AutoCAD等工具進(jìn)行一定量的人工修正操作。

（3）減少軟件與人工交互處理方式中人工的工作量必將成為未來(lái)位圖矢量化的研究重點(diǎn)。更優(yōu)的區(qū)域分割與輪廓提取算法也是我們將進(jìn)一步研究的工作。

參考文獻(xiàn)

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