亚像素定位在基于逆向工程的数控雕刻技术中的研究

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当前，随着机械设备的空前发展，以及 自动化水平的提升，使得针对于工件的加工从传统中的过多手工参与逐渐向由机器代替发展。

针对于仿古家具的加工，如在完成名人字画雕刻，或屏风雕刻方面，对于此类产品，特别是字画的仿制，由于本身没有任何凹凸信息出现，其与外界的分界面只为拓本或纸的平面，因此利用逆向工程中三维重建的方法，根本不能将上边的有效文字或图像信息单独提取出来，根本不可能完成此类雕刻加工任务。而采用传统的手工加工方式，费用高，效率低下，并且不能保障原有字画的艺术风格 。采用-般 的边缘提取方法算法，不能最大限度的保障待加工产品的原始风格，因此，需要探索-种能够克服以上诸多缺点的加工方法。

1 研究方案概况本项目采用VC6.0进行实现，主要包含为三个部分，首先为信息获取部分，其中需要驱动相关的图像采集设备，对待加工物品进行成像、调整和相应处理；其次，要完成对待雕刻部分信息的有效定位和提取，定位出加工轮廓；最终，通过曲线拟合算法，完成加工曲线的生产，并最终自动转化为数控代码，直接实现加工。

2 定位的实现对于待加工文字的边缘定位，是最终加工后能否体现原件的原始艺术风格的决定因素 ，因此，在定位过程中，要力求达到最大的精确度。

2.1定位中的问题在利用机器视觉的光学非接触技术进行成像后，对于后续边缘提取中的定位精度影响的因素主要包括：1)图像采集系统的分辨率；2)摄像系统的标定和误差修正精度；3)图像中目标的定位精度n。提高工业相机的分辨率是改善系统定位精度的最直接有效的方法，然而，该方法受到硬件的限制，很难做进-步的提升，因此，从算法处理角度进行考虑，成为另-个突破方向，于是，有众多研究人员把重点放在图像的高精度定位算法研究上，其中，亚像素级定位被作为其中的经典技术之-，得到了广泛的应用和发展。

在硬件分辨率不变的情况下，如果把定位精度提高到l/n个像素级别，从理论上来说，相当于把测量系统的分辨率提高了n倍，因此对亚像素定位技术的研究具有十分重要的理论价值和实际意义 。

2.2亚像素技术的基本原理像素是组成图像的基本单位 (即图像分辨率)，而亚像素的精度要高于图像分辨率，也就收稿日捌：2012-08-31基金J冥目：河北省自然科学基金钢铁联合基金 (F2012209015)作者简介：张建 (1978-)，河北唐山人，男，讲师，硕士，研究方向为模式识别和人工智能。

52 第35卷 第1期 2013-01(下) 、l 甸 化是需要将像素这-基本单位再进行细分，目标的特征主要分为三类：几何特征、灰度分布特征以及几何特征与灰度特征的耦合，边缘检测就是利用预知的目标特征，对图像目标进行处理分析、识别并确定与 目标特征最吻合的位置，在目标定位过程中，采用浮点运算，可以实现优于整像素精度的目标定位口。

亚像素检测算法是在经典边缘检测算法的基础上发展起来的，首先，利用经典的边缘定位算法粗略确定图像边缘像素的位置，然后，再利用周围像素的灰度值作为判断边缘的补充信息，通过插值、拟合等方式，以确定边缘的更精确的位置。

通过分析，针对于本研究中边缘类型，可采用阶跃边缘处理，在所获得的图像中，经过灰度化后，可以把明暗相间的部分看做为阶跃边缘的模型，对于理想的阶跃边缘，可以表示为：) ) (1) 现今，经过众多研究人员针对于亚像素边缘定位在不同领域的应用，可供选择的定位方法包括矩法、插值法、拟合法等。而针对于阶跃边缘的亚像素定位，通成采取以灰度为基础的矩法和以多项式曲线为基础的拟合法。

从理论上分析，矩法具有在对灰度进行缩放和平移的过程中不变性的特征，并且其边缘序列点长度对定位影响小，因此，其相对拟合法可获得更好的定位效果，本研究采用矩法完成亚像素级边缘提龋2.3 以灰度为基础的矩法原理在数字图像处理技术范畴，矩通过统计灰度直方图的特征量来表现，也可以认为矩是在新的坐标空间内展开的原图像函数，即用矩族可唯-表示-个分段连续有界函数。

而由Tababai等提出的基于灰度的矩法，是利用前三阶灰度矩对边缘进行亚像素定位的算法H 。

- 维理想阶跃边缘模型可认为是由-系列灰度为h与灰度为h 的像素连接形成的，理想模型如图l所示。此-维模型边缘由边缘位置k、比那远两侧的灰度h 和h：这3个参数决定。

Ehl图1灰度矩理想模型假设有理想阶跃函数U(X)，则-维理想边缘函数可表示为：E。(X)(h：-h。)u(x-k)h (2)若灰度值分别为h。和h 的像素点，其数量在整个边缘上所占有的比重分别记作P。和P ，则二者必然满足如下关系：P1p2l (3)假设有单调序列gj(j1，2，&，n)，分别表示为实际边缘点的灰度值，则此序列的前三阶灰度矩应满足方程： Zpjh 。 (i1，2，3) (4)n .gJjl J式中，n为其中实际边缘所占的像素总数，因此有P k/n。

可见，上述的3个等式中，有3个未知数，分别为P 、h。和h：，联立式 (2)、式 (3)和 (4)可得：l h -m1～h ～其中，- - 1o m 2m I： 喜 学--3由式 (5)可得到边缘位置为：七 - 兰(5) (6)23 亚像素定位的应用及实现对于上述所讨论的算法，利用VC6.0进行编第35卷 第1期 2013-01 CF) [531辱