專利名稱：基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及藝術(shù)字輪廓提取方法，尤其是涉及一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法。
背景技術(shù)：
藝術(shù)字，如書法家書寫的書法文字或字體設(shè)計師設(shè)計的變體文字，具有傳播文化、 展現(xiàn)史韻、體現(xiàn)美感、增添趣味、醒目易認(rèn)、表達(dá)理念等作用，廣泛應(yīng)用于生活用品、宣傳、廣告、商標(biāo)、標(biāo)語以及商品包裝與裝潢。當(dāng)書法家或設(shè)計師在二維圖紙上完成創(chuàng)作后，一般需要提取所創(chuàng)作藝術(shù)字的輪廓，即對藝術(shù)字進行數(shù)字化測量，將藝術(shù)字由實體圖轉(zhuǎn)化為矢量圖，以便于設(shè)計重用、二次創(chuàng)新設(shè)計，及利用CAD/CAM技術(shù)將創(chuàng)作的藝術(shù)字應(yīng)用到實際的產(chǎn)品中。目前藝術(shù)字輪廓提取主要有兩種方法①手工提取法，根據(jù)藝術(shù)字的實體圖，在專業(yè)的設(shè)計軟件上進行仿形重畫，由專業(yè)軟件獲得藝術(shù)字輪廓；②圖像處理法，用CXD攝像機攝取藝術(shù)字圖像，然后利用圖像邊緣檢測算法提取藝術(shù)字輪廓。其中方法①不需要硬件傳感器，方法簡便，但仿形重畫依賴人的主觀性，容易使原始設(shè)計失真；方法②可以有效提取藝術(shù)字輪廓，但該方法依賴CCD傳感器，且需要設(shè)計圖像邊界提取算法。線激光測頭具有非接觸式測量、數(shù)據(jù)采集速度快、測量精度較高等優(yōu)點，在逆向工程三維形貌數(shù)據(jù)采集方法方面有著廣泛的應(yīng)用。線激光測頭以接收入射激光線在被測物體表面產(chǎn)生的漫反射光為反饋信息計算測量距離，因為不同的顏色對測頭發(fā)出的近紅外激光的吸收程度不一致，所以表面顏色對測量結(jié)果有一定的影響。線激光測頭因為被測量表面各區(qū)域之間存在色差而引起測量誤差的特性稱為“色差效應(yīng)”。相對其它顏色，黑色的色差效應(yīng)最為明顯(以白色為基準(zhǔn))，因為黑色吸收光能多，使漫反射光強大幅度減弱，而傳感器將這種減弱視為距離變化引起。色差效應(yīng)是線激光測頭的缺點，在實際的應(yīng)用中為了避免色差效應(yīng)，需要在被測物體表面噴射一層白色的顯影劑，以消除色差并獲得良好的漫反射效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有藝術(shù)字輪廓提取方法存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法，將線激光測頭的“缺點”轉(zhuǎn)化為一種識別色差的能力，以線激光測頭在紙張無字背景與藝術(shù)字之間產(chǎn)生的色差效應(yīng)為依據(jù)，實現(xiàn)二維藝術(shù)字的輪廓提取。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案的步驟如下
1)將寫有藝術(shù)字的紙張平鋪在三坐標(biāo)測量機的工作臺上；
2)將線激光測頭安裝在三坐標(biāo)測量機的Z軸上，并使線激光測頭的激光線垂直于三坐標(biāo)測量機的X軸，然后調(diào)節(jié)三坐標(biāo)測量機Z軸的高度，使寫有藝術(shù)字的紙張在線激光測頭的量程范圍內(nèi)；3)驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，使線激光測頭沿士X軸方向來回掃描，直至完成對整個紙張的掃描；
4)調(diào)整線激光測頭的方向，使線激光測頭的激光線平行于三坐標(biāo)測量機的X軸，然后調(diào)節(jié)三坐標(biāo)測量機Z軸的高度，使寫有藝術(shù)字的紙張在線激光測頭的量程范圍內(nèi)；
5)驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，使線激光測頭沿士Y軸方向來回掃描，直至完成對整個紙張的掃描；
6)在線激光測頭掃描過程中，測量系統(tǒng)按逐個激光線的形式記錄掃描數(shù)據(jù)；
7)測量結(jié)束后，導(dǎo)出線激光測頭獲得的掃描數(shù)據(jù)，并按逐個激光線的順序進行處理，找出每條激光線數(shù)據(jù)中的跳躍點，并保存為邊界輪廓點；
8)將獲得的邊界輪廓點擬合成封閉的B樣條曲線，獲得藝術(shù)字的輪廓。所述的藝術(shù)字是指用毛筆或用書寫筆書寫在白色紙張上的黑色藝術(shù)字。所述的線激光測頭的基準(zhǔn)距為95mm，有效測量寬度為60mm，可測深度為60mm ；線激光測頭的輸出為激光線上測點的三維坐標(biāo)值。所述的測量系統(tǒng)按逐個激光線的形式記錄掃描數(shù)據(jù)，具體方法為從激光線的起始端逐個記錄測點的坐標(biāo)值直到激光線的結(jié)束端，然后插入一個結(jié)束標(biāo)識符“end”;接著按同樣的方法記錄下一條激光線的掃描數(shù)據(jù)。所述的找出每條激光線數(shù)據(jù)中的跳躍點，具體方法為在獲得的掃描數(shù)據(jù)中按順序取點，直到“end”標(biāo)識符結(jié)束取點，然后逐個考察取
出的點的坐標(biāo)值，將Z軸坐標(biāo)值發(fā)生突變的點記為跳躍點；接著用同樣的方法處理后面的掃描數(shù)據(jù)。本發(fā)明具有的有益效果是
1)只需線激光測頭對二維紙張進行全面掃描就可以提取紙張上藝術(shù)字的輪廓，為藝術(shù)字輪廓提取提供了新方法。2)使運用于三維形貌測量的線激光測頭同時具備測量二維文字輪廓的能力，拓展了線激光測頭的應(yīng)用范圍。3)裝置結(jié)構(gòu)簡易，算法簡單，易于實現(xiàn)。


圖1是測量裝置示意圖。圖2是線激光測頭設(shè)備參數(shù)示意圖。圖3是沿士X軸向掃描效果示意圖。圖4是沿士Y軸向掃描效果示意圖。圖5是激光線上測點數(shù)據(jù)記錄過程示意圖。圖6是藝術(shù)字邊界點提取方法示意圖。圖7是對對藝術(shù)字“浙江大學(xué)”數(shù)據(jù)進行邊界點提取后的示意圖。圖8是邊界點排序過程示意圖。圖9是圖7所示邊界點擬合成B樣條曲線后的效果示意圖。圖中1、三坐標(biāo)測量機Z軸，2、線激光測頭，3、激光面，4、激光線，5、藝術(shù)字，6、紙張。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明將線激光測頭2安裝在三坐標(biāo)測量機的Z軸1上，寫有藝術(shù)字 5的紙張6平鋪在三坐標(biāo)測量機的工作臺上，當(dāng)線激光測頭2處于開啟狀態(tài)時，測頭發(fā)出一個三角狀的激光面3，在紙張上產(chǎn)生一條激光線5。本發(fā)明所使用的線激光測頭2為F-SCAN LS60型測頭。如圖2所示，該F-SCAN LS60型測頭的基準(zhǔn)距為95mm，有效激光線長度為60mm，可測深度為60mm。F-SCAN LS60型測頭以接收入射激光線4在被測物體表面產(chǎn)生的漫反射光為反饋信息計算測量距離。實現(xiàn)本發(fā)明主要包括八個步驟，具體如下所述。一、藝術(shù)字5準(zhǔn)備
本發(fā)明所針對的藝術(shù)字5專指用毛筆將黑色藝術(shù)字5寫在白色紙張6上。這是因為本發(fā)明利用線激光測頭2的色差效應(yīng)識別藝術(shù)字5邊界，白色和黑色之間色彩對比度很大，吸收或反射入射光的能力有很大差別。白色吸收光能的能力較弱，反射光能的能力較強，而黑色吸收光能的能力較強，反射光能的能力較弱。當(dāng)激光線由紙張6無字背景區(qū)域進入藝術(shù)字5區(qū)域時，由于漫反射光被大幅度削弱，色差效應(yīng)明顯，測量值產(chǎn)生較大的測量誤差。若紙張6無字背景與藝術(shù)字5之間的顏色接近，則色差效應(yīng)不明顯，線激光測頭2產(chǎn)生的測量誤差較小，從而利用色差效應(yīng)識別藝術(shù)字5邊界的能力將減弱。測量開始前將寫有藝術(shù)字5的紙張6平鋪在三坐標(biāo)測量機的工作臺上，使藝術(shù)字 5沿X軸方向展開，并保證紙張6的平整，可以用膠布將紙張6固定在測量機工的作臺上。二、調(diào)整線激光測頭2方向
調(diào)整線激光測頭2的方向，使紙張6上的入射激光線4垂直于三坐標(biāo)測量機的X軸。驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，調(diào)整激光測頭2的空間位置，使激光線4對準(zhǔn)紙張6的左上角。適當(dāng)調(diào)節(jié)三坐標(biāo)測量機Z軸的高度，使寫有藝術(shù)字5的紙張6在線激光測頭2的量程范圍內(nèi)。三、沿士X軸方向掃描
驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，使線激光測頭2沿+X軸方向掃描，到達(dá)紙張6右端后沿-Y軸方向進給Zl y (Zl y取激光線4有效長度的3/4)，然后沿-X軸方向繼續(xù)掃描。以上過程反復(fù)進行，直至完成對整個紙張6的掃描。如圖3所示，是線激光測頭2對“大”字進行士X軸向掃描的效果示意圖。從圖3 中可知，當(dāng)線激光測頭2沿士X軸方向往復(fù)掃描時，激光線4與被測文字中呈橫向分布的筆畫存在充分多的交點，而與呈豎直分布的筆畫構(gòu)成的交點不多，甚至沒有交點，這不利于構(gòu)建準(zhǔn)確、完整的文字輪廓。為了充分獲得各式筆畫上的邊界點，下面將改變線激光測頭2的方向，對被測藝術(shù)字5進行二次測量。四、改變線激光測頭2方向
改變線激光測頭2的方向，使紙張6上產(chǎn)生的入射激光線4平行于三坐標(biāo)測量機的X 軸。驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，調(diào)整激光測頭2的空間位置，使激光線4
對準(zhǔn)紙張6的左上角。適當(dāng)調(diào)節(jié)三坐標(biāo)測量機Z軸的高度，使寫有藝術(shù)字5的紙張6 在線激光測頭2的量程范圍內(nèi)。五、沿士Y軸方向掃描驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，使線激光測頭2沿-Y軸方向掃描，到達(dá)紙張6底端后沿+X軸方向進給Zl χ (Zl χ取激光線4有效長度的3/4)，然后沿+Y軸方向繼續(xù)掃描。以上過程反復(fù)進行，直至完成整個紙張6的掃描。如圖4所示，是線激光測頭2對“大”字進行士Y軸向掃描的效果示意圖。從圖4 中可知，當(dāng)線激光測頭2沿士Y軸方向往復(fù)掃描時，激光線4與被測文字中呈豎直分布的筆畫也構(gòu)成充分多的交點，與沿士X軸向往復(fù)掃描的結(jié)果相結(jié)合，就可以獲得完整的邊界數(shù)據(jù)。六、記錄激光掃描數(shù)據(jù)
在線激光測頭2掃描過程中，系統(tǒng)按逐個激光線4的形式記錄掃描數(shù)據(jù)。如圖5所示， 設(shè)之、Λ、Λ…厶是掃描過程中的激光線4，以In為例，掃描數(shù)據(jù)的記錄方式為設(shè)A、B為激光線4有效長度的起點與終點，直線AB由緊密排列的采樣點組成。系統(tǒng)從A點開始，沿-Y 軸方向逐點記錄采樣點的三維坐標(biāo)值。如圖5所示，記錄數(shù)據(jù)的文檔每行有三個元素，分別表示采樣點的坐標(biāo)值在X、Y、Z軸上的分量。記錄完B點的坐標(biāo)值后，系統(tǒng)插入一個“end” 標(biāo)識符，表示完成了對一條激光線4采樣數(shù)據(jù)的保存。然后以同樣的方式保存后面激光線 4上的采樣數(shù)據(jù)。七、處理掃描數(shù)據(jù)
測量結(jié)束后，系統(tǒng)導(dǎo)出線激光測頭2獲得的掃描數(shù)據(jù)，并按逐個激光線4的順序進行處理，找出每條激光線數(shù)據(jù)中的跳躍點，并保存為邊界輪廓點。具體方法為在獲得的掃描數(shù)據(jù)中按順序取點，直到“end”標(biāo)識符結(jié)束取點，然后逐個考察取出的點的坐標(biāo)值，將Z軸坐標(biāo)值發(fā)生突變的點記為跳躍點。接著用同樣的方法處理后面的點。Z軸坐標(biāo)值發(fā)生突變的點即為邊界輪廓點的依據(jù)是如圖6所示，設(shè)PpP2、…、P,.、 Pi+1、Pi+2、Pi+3、…、PpP^1、P7.+2、…、為激光線4有效長度上的采樣點，其中Pi、P2、…、Pi 和Ρ7.+1、Ρ7.+2、···、？/3位于紙張6無字背景區(qū)域，？/+1、？/+2、？/+3、…、Py位于藝術(shù)字5區(qū)域。下面從P1到ΡΛ依次分析采樣點的Z軸坐標(biāo)值變化情況，P1^ P2>…、Pi在紙張6無字背景區(qū)域，從P1到Pi線激光測頭2接收到的漫反射光不會發(fā)生明顯變化，從而P” P2、…、Pi的Z 軸坐標(biāo)值也不會發(fā)生明顯變化。從Pi+1開始測點進入藝術(shù)字5區(qū)域，由于黑色的藝術(shù)字
5吸收光能多，使漫反射光能大幅度降低，傳感器誤認(rèn)為是測點遠(yuǎn)離引起，所以測點的 Z軸坐標(biāo)值向-Z軸方向發(fā)生突變，Pi+1即視為藝術(shù)字5的邊界點。Pi+1、Pi+2、Pi+3、…、P,位于藝術(shù)字5區(qū)域內(nèi)，從Pi+1到Py線激光測頭2接收到的漫反射光不會發(fā)生明顯變化，從而 P,.+1、P,.+2、P,.+3、…、P/的Z軸坐標(biāo)值也不會發(fā)生明顯變化。從Pf1開始測點由藝術(shù)字5區(qū)域回到紙張6無字背景區(qū)域，由于白色的紙張6無字背景區(qū)域吸收光能少，而反射光能多，使漫反射光大幅度增強，傳感器誤認(rèn)為是測點靠近引起，所以測點的Z軸坐標(biāo)值向+Z軸發(fā)生突變，P,+1即視為藝術(shù)字5的邊界點。P^1 J,、…、ΡΛ在紙張6區(qū)域，從P,到Pfl線激光測頭2接收到的漫反射光不會發(fā)生明顯變化，從而P,4，、…、ΡΛ的Z軸坐標(biāo)值也不會發(fā)生明顯變化。如圖7所示，是用線激光測頭2對藝術(shù)字“浙江大學(xué)”進行掃描，然后對掃描數(shù)據(jù)進行邊界點提取后的結(jié)果。八、B樣條曲線擬合
將邊界點擬合成B樣條曲線前，首先使用鄰近點搜索法對獲得的邊界點進行排序。如圖8所示，設(shè)Vp V2、-",Yn為獲得的藝術(shù)字5邊界點，則排序方法如下所述。①開辟堆棧Sp SdfVpVy…、Vfl壓入堆棧S1;
②在S1中任取一點如V1為種子點與起始點，并將V1壓入S2，在S1中刪除V1；
③在S1中尋找與點V1距離最近的點V2,然后將V2壓入S2，在S1中刪除V2；
④以V2為起始點，在S1中尋找距離V2最近的點V3,然后將V3壓入S2，在S1中刪除V3；
⑤以V3為起始點，循環(huán)④，直至起始點的后點為種子點V1,說明S2中的測點已形成一個獨立的封閉區(qū)域；
⑥開辟新的堆棧S3,循環(huán)② ⑤直至S1為空。經(jīng)過步驟① ⑥，獲得堆棧S2、S3、…、，每一個堆棧中的測點都獨立地構(gòu)成一個封閉區(qū)域。最后以各個堆棧中的有序邊界點為基礎(chǔ)，用最小二乘法將邊界點擬合成各個封閉的B樣條曲線，從而獲得藝術(shù)字5的邊界輪廓。如圖9所示，是將如圖7所示的藝術(shù)字邊界點擬合成封閉B樣條曲線后的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法，其特征在于該方法的步驟如下1)將寫有藝術(shù)字的紙張平鋪在三坐標(biāo)測量機的工作臺上；2)將線激光測頭安裝在三坐標(biāo)測量機的Z軸上，并使線激光測頭的激光線垂直于三坐標(biāo)測量機的X軸，然后調(diào)節(jié)三坐標(biāo)測量機Z軸的高度，使寫有藝術(shù)字的紙張在線激光測頭的量程范圍內(nèi)；3)驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，使線激光測頭沿士X軸方向來回掃描，直至完成對整個紙張的掃描；4)調(diào)整線激光測頭的方向，使線激光測頭的激光線平行于三坐標(biāo)測量機的X軸，然后調(diào)節(jié)三坐標(biāo)測量機Z軸的高度，使寫有藝術(shù)字的紙張在線激光測頭的量程范圍內(nèi)；5)驅(qū)動三坐標(biāo)測量機，使線激光測頭沿士Y軸方向來回掃描，直至完成對整個紙張的掃描；6)在線激光測頭掃描過程中，測量系統(tǒng)按逐個激光線的形式記錄掃描數(shù)據(jù)；7)測量結(jié)束后，導(dǎo)出線激光測頭獲得的掃描數(shù)據(jù)，并按逐個激光線的順序進行處理，找出每條激光線數(shù)據(jù)中的跳躍點，并保存為邊界輪廓點；8)將獲得的邊界輪廓點擬合成封閉的B樣條曲線，獲得藝術(shù)字的輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法，其特征在于所述的藝術(shù)字是指用毛筆或用書寫筆書寫在白色紙張上的黑色藝術(shù)字。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法，其特征在于所述的線激光測頭的基準(zhǔn)距為95mm，有效測量寬度為60mm，可測深度為60mm;線激光測頭的輸出為激光線上測點的三維坐標(biāo)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法，其特征在于所述的測量系統(tǒng)按逐個激光線的形式記錄掃描數(shù)據(jù)，具體方法為從激光線的起始端逐個記錄測點的坐標(biāo)值直到激光線的結(jié)束端，然后插入一個結(jié)束標(biāo)識符“end”;接著按同樣的方法記錄下一條激光線的掃描數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法，其特征在于所述的找出每條激光線數(shù)據(jù)中的跳躍點，具體方法為在獲得的掃描數(shù)據(jù)中按順序取點，直到“end”標(biāo)識符結(jié)束取點，然后逐個考察取出的點的坐標(biāo)值，將Z軸坐標(biāo)值發(fā)生突變的點記為跳躍點；接著用同樣的方法處理后面的掃描數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于線激光測頭色差效應(yīng)的藝術(shù)字輪廓提取方法。該方法將寫有藝術(shù)字的紙張平鋪在三坐標(biāo)測量機的工作臺上，由線激光測頭對紙張進行全面掃描。當(dāng)激光線由紙張無字背景區(qū)域進入藝術(shù)字所在區(qū)域時，由于紙張無字背景與藝術(shù)字之間存在色差，線激光測頭會因為對不同顏色的敏感程度不同而產(chǎn)生色差效應(yīng)，使測量值在色差變化處發(fā)生跳躍。系統(tǒng)記錄這些跳躍點，存為邊界輪廓點，然后將邊界輪廓點擬合成封閉的B樣條曲線，獲得被測藝術(shù)字的輪廓。該方法利用線激光測頭在測量過程中存在色差效應(yīng)的特點實現(xiàn)二維藝術(shù)字輪廓提取，過程簡單，易于實現(xiàn)，拓展了線激光測頭的應(yīng)用范圍。
文檔編號G01B11/24GK102175173SQ20111002430
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月22日
發(fā)明者盧科青, 吳堯鋒, 王文, 陳子辰, 高曙明 申請人:浙江大學(xué)