- 基于OpenCV灰度图像转GCode的双向扫描实现
- 引言
- 激光雕刻简介
- OpenCV简介
- 实现步骤
- 1.导入必要的库
- 2. 读取灰度图像
- 3. 图像预处理
- 4. 生成GCode
- 1. 简化版的双向扫描
- 2. 优化版的双向扫描
- 5. 保存生成的GCode
- 6. 灰度图像双向扫描代码示例
- 总结
系列文章
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- ⭐基于二值化图像转GCode的斜向扫描实现
- ⭐基于二值化图像转GCode的螺旋扫描实现
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基于OpenCV灰度图像转GCode的双向扫描实现
引言
激光雕刻技术作为一种创新的制造方法,近年来在艺术、制作和教育领域崭露头角。本文将介绍如何使用OpenCV库实现灰度图像到GCode的双向扫描,为激光雕刻提供更灵活、更精细的图案生成方法。同时,我们将分享关键的代码片段,帮助读者理解并应用这一技术。
激光雕刻简介
激光雕刻是一种通过激光束切割或去除材料表面的工艺,通常用于制作艺术品、装饰品和原型。通过控制激光束的运动路径,可以在各种材料上创造出精细而复杂的图案。在这篇博客中,我们将使用OpenCV实现一种激光雕刻的图案生成方法,具体来说是灰度图像到GCode的双向扫描。
OpenCV简介
OpenCV是一个开源的计算机视觉库,广泛应用于图像处理、机器学习和计算机视觉领域。其强大的功能和易用性使得它成为实现图像处理任务的理想选择。在本文中,我们将使用OpenCV来处理灰度图像,并将其转换为GCode。
实现步骤
1.导入必要的库
首先,我们需要导入必要的库,包括OpenCV和一些用于图像处理的辅助库。以下是关键的CMake代码片段:
# 指向 OpenCV cmake 目录
list(APPEND CMAKE_PREFIX_PATH "~/opencv/build/x64/vc16/lib")find_package(OpenCV REQUIRED)
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS})
link_libraries(${OpenCV_LIBS})
把上述内容添加到 cmake 中,此时我们已经可以在 C++ 中使用 OpenCV 库
2. 读取灰度图像
使用OpenCV读取一张灰度图像,我们将其用于后续的处理。以下是代码片段:
cv::Mat mat = cv::imread(R"(~/ImageToGCode/image/tigger.jpg)", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
确保替换 ~/ImageToGCode/image/tigger.jpg
为你自己的图像文件路径。
3. 图像预处理
在进行激光雕刻之前,我们需要对图像进行一些预处理,以确保得到清晰而准确的结果。这可能包括图像平滑、二值化、边缘检测等步骤,具体取决于你的图像和需求。以下是一个简单的翻转和二值化处理的代码片段:
cv::flip(mat, mat, 0);
cv::threshold(mat,mat,128,255,cv::ThresholdTypes::THRESH_BINARY);
4. 生成GCode
有了预处理后的图像,我们可以开始生成GCode了。GCode是一种机器语言,用于控制激光雕刻、数控机床和3D打印机等设备。
1. 简化版的双向扫描
以下是简化版的双向扫描生成GCode的代码片段:
cv::Mat image;
cv::resize(mat, image, cv::Size(static_cast<int>(width * resolution), static_cast<int>(height * resolution)));
for(int y = 0; y < image.rows; ++y) {bool isEven = !(y & 1);int start = isEven ? 0 : image.cols - 1;int end = isEven ? image.cols : -1;int step = isEven ? 1 : -1;command.emplace_back(G0 {std::nullopt, y / resolution, std::nullopt});for(int x = start; x != end; x += step) {if(auto const pixel = image.at<cv::uint8_t>(y, x); pixel == 255) {command.emplace_back(G0 {x / resolution, std::nullopt, std::nullopt});} else {auto power = static_cast<int>((1.0 - static_cast<double>(pixel) / 255.0) * 1000.0);command.emplace_back(G1(x / resolution, std::nullopt, power));}}
}
这个函数将生成一个包含GCode指令的列表,你可以将其保存到文件中,用于控制激光雕刻机器。
2. 优化版的双向扫描
以下是优化版的双向扫描生成GCode的代码片段:
cv::Mat image;
cv::resize(mat, image, cv::Size(static_cast<int>(width * resolution), static_cast<int>(height * resolution)));bool leftToRight {false};
bool rightToLeft {false};for(int y = 0; y < image.rows; ++y) {bool isEven = !(y & 1);int start = isEven ? 0 : image.cols - 1;int end = isEven ? image.cols : -1;int step = isEven ? 1 : -1;for(int x = start; x != end; x += step) {if(auto const pixel = image.at<cv::uint8_t>(y, x); pixel == 255) {// 偶数从左到右扫描// 奇数从右到左扫描if(isEven) {// 从左到右寻找连续的G0// |----->int length {0};while(++x < end && image.at<cv::uint8_t>(y, x) == 255) {length++;}--x;// 使用 do{}while(false) 结构,最后统一判断是否会更好// findif(length) {// 起点存在连续G0if(x - length == 0) {// 此时需要把奇数行延迟的Y轴移动进行上移操作if(rightToLeft) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));rightToLeft = false;} else {// 偶数从左到右在起点永远不会向上移动,所以这里不需要 ycommand.emplace_back(G0 {x / resolution, std::nullopt, std::nullopt});}continue;}// 终点存在连续G0if(x == image.cols - 1) {// 终点需要向上移动,但这个移动我们放在奇数行处理,所以这里只需要做好标记即可。leftToRight = true;command.emplace_back(G0((x - length) / resolution, std::nullopt, std::nullopt));continue;}// 中间段存在连续从左到右方向的G0// 中间段不需要向上移动command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));} else {// 没有找到连续的G0// 终点唯一的G0,需要向上移动,这里做标记放到奇数行移动。if(x == image.cols - 1) {leftToRight = true;} else if(x == start) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));rightToLeft = false;continue;}command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));}} else {// <-----|// 从右到左寻找连续的G0 此时起点在右边,终点在左边int length {0};while(--x > end && image.at<cv::uint8_t>(y, x) == 255) {length++;}++x;if(length) {// 起点存在连续的G0if(x + length == start) {// 此时需要把偶数行延迟的Y轴移动进行上移操作if(leftToRight) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));leftToRight = false;} else {// 标记command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));}continue;}// 终点存在连续的G0if(x == 0) {rightToLeft = true;continue;}command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));} else {// 没有找到连续的G0// 终点需要向上移动if(x == 0) {rightToLeft = true;} else if(x == start) {// 起点也需要处理上一行的y轴移动if(leftToRight) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));leftToRight = false;}continue;}command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));}}} else {auto power = static_cast<int>((1.0 - static_cast<double>(pixel) / 255.0) * 1000.0);// 处理G1 开头和结尾情况if(isEven) {// 从左到右if(x == start) {if(rightToLeft) {command.emplace_back(G0 {x / resolution, y / resolution, power}); // 最大激光功率 S=1000rightToLeft = false;continue;}} else if(x == image.cols - 1) {// 终点需要标记leftToRight = true;}command.emplace_back(G1 {x / resolution, std::nullopt, power}); // 最大激光功率 S=1000} else {// 从右到左if(x == start) {if(leftToRight) {command.emplace_back(G0 {x / resolution, y / resolution, power}); // 最大激光功率 S=1000leftToRight = false;continue;}} else if(x == 0) {// 终点需要标记rightToLeft = true;}command.emplace_back(G1 {x / resolution, std::nullopt, power}); // 最大激光功率 S=1000}} // end if G0} // end for x
} // end for y
这个函数将生成一个包含GCode指令的列表同时不包含非必要G0,你可以将其保存到文件中,用于控制激光雕刻机器。
5. 保存生成的GCode
最后,我们将生成的GCode保存到文件中:
std::fstream file;
file.open(fileName, std::ios_base::out | std::ios_base::trunc);
if(!file.is_open()) {return;
}
for(auto &&v: command | std::views::transform([](auto item) { return item += "\n"; })) {file.write(v.c_str(), v.length());
}
return;
确保替换 ‘fileName’ 为你自己想要保存的文件路径。
6. 灰度图像双向扫描代码示例
#pragma once
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <fstream>
#include <print>
#include <vector>
#include <optional>
#include <ranges>struct G0 {std::optional<float> x, y;std::optional<int> s;std::string toString() {std::string command = "G0";if(x.has_value()) {command += std::format(" X{:.3f}", x.value());}if(y.has_value()) {command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());}if(s.has_value()) {command += std::format(" S{:d}", s.value());}return command;}explicit operator std::string() const {std::string command = "G0";if(x.has_value()) {command += std::format(" X{:.3f}", x.value());}if(y.has_value()) {command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());}if(s.has_value()) {command += std::format(" S{:d}", s.value());}return command;}
};struct G1 {std::optional<float> x, y;std::optional<int> s;std::string toString() {std::string command = "G1";if(x.has_value()) {command += std::format(" X{:.3f}", x.value());}if(y.has_value()) {command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());}if(s.has_value()) {command += std::format(" S{:d}", s.value());}return command;}explicit operator std::string() const {std::string command = "G1";if(x.has_value()) {command += std::format(" X{:.3f}", x.value());}if(y.has_value()) {command += std::format(" Y{:.3f}", y.value());}if(s.has_value()) {command += std::format(" S{:d}", s.value());}return command;}
};class ImageToGCode
{
public:// 激光模式enum class LaserMode {Cutting, // 切割 M3 Constant PowerEngraving, // 雕刻 M4 Dynamic Power};// 扫描方式enum class ScanMode {Unidirection, // 单向Bidirection, // 双向Diagonal, // 斜向Spiral, // 螺旋Block, // 分块 根据像素的灰度级别进行扫描,例如255像素分8个级别,那么0-32就是一个级别,32-64就是另外一个级别,以此类推。// (Block scanning is performed based on the gray level of the pixels. For example, 255 pixels are divided into 8 levels, then 0-32 is one level, 32-64 is another level, and so on.)};struct kEnumToStringLaserMode {constexpr std::string_view operator[](const LaserMode mode) const noexcept {switch(mode) {case LaserMode::Cutting: return "M3";case LaserMode::Engraving: return "M4";}return {};}constexpr LaserMode operator[](const std::string_view mode) const noexcept {if(mode.compare("M3")) {return LaserMode::Cutting;}if(mode.compare("M4")) {return LaserMode::Engraving;}return {};}};ImageToGCode() = default;~ImageToGCode() = default;auto &setInputImage(const cv::Mat &mat) {this->mat = mat;return *this;}auto &setOutputTragetSize(double width, double height, double resolution = 10.0 /* lin/mm */) {this->width = width;this->height = height;this->resolution = resolution;return *this;}auto &builder() {command.clear();try {matToGCode();} catch(cv::Exception &e) {std::println("cv Exception {}", e.what());}std::vector<std::string> header;header.emplace_back("G17G21G90G54"); // XY平面;单位毫米;绝对坐标模式;选择G54坐标系(XY plane; unit mm; absolute coordinate mode; select G54 coordinate system)header.emplace_back(std::format("F{:d}", 30000)); // 移动速度 毫米/每分钟(Moving speed mm/min)header.emplace_back(std::format("G0 X{:.3f} Y{:.3f}", 0.f, 0.f)); // 设置工作起点及偏移(Set the starting point and offset of the work)header.emplace_back(std::format("{} S0", kEnumToStringLaserMode()[laserMode])); // 激光模式(laser mode)if(airPump.has_value()) {header.emplace_back(std::format("M16 S{:d}", 300)); // 打开气泵(Turn on the air pump)}std::vector<std::string> footer;footer.emplace_back("M5");if(airPump.has_value()) {footer.emplace_back("M9"); // 关闭气泵,保持 S300 功率(Turn off air pump and maintain S300 power)}command.insert_range(command.begin(), header);command.append_range(footer);return *this;}bool exportGCode(const std::string &fileName) {std::fstream file;file.open(fileName, std::ios_base::out | std::ios_base::trunc);if(!file.is_open()) {return false;}for(auto &&v: command | std::views::transform([](auto item) { return item += "\n"; })) {file.write(v.c_str(), v.length());}return true;}auto setLaserMode(LaserMode mode) {laserMode = mode;return *this;}auto setScanMode(ScanMode mode) {scanMode = mode;return *this;}private:void matToGCode() {assert(mat.channels() == 1);assert(std::isgreaterequal(resolution, 1e-5f));assert(!((width * resolution < 1.0) || (height * resolution < 1.0)));// different conversion strategy functions are called herebidirectionOptStrategy();}// 双向扫描// Bidirectional scanningvoid bidirectionStrategy() {cv::Mat image;cv::resize(mat, image, cv::Size(static_cast<int>(width * resolution), static_cast<int>(height * resolution)));for(int y = 0; y < image.rows; ++y) {bool isEven = !(y & 1);int start = isEven ? 0 : image.cols - 1;int end = isEven ? image.cols : -1;int step = isEven ? 1 : -1;command.emplace_back(G0 {std::nullopt, y / resolution, std::nullopt});for(int x = start; x != end; x += step) {if(auto const pixel = image.at<cv::uint8_t>(y, x); pixel == 255) {command.emplace_back(G0 {x / resolution, std::nullopt, std::nullopt});} else {auto power = static_cast<int>((1.0 - static_cast<double>(pixel) / 255.0) * 1000.0);command.emplace_back(G1(x / resolution, std::nullopt, power));}}}}// 双向扫描优化// Bidirectional scanning optimizationvoid bidirectionOptStrategy() {cv::Mat image;cv::resize(mat, image, cv::Size(static_cast<int>(width * resolution), static_cast<int>(height * resolution)));bool leftToRight {false};bool rightToLeft {false};// 可以使用 C++ 迭代器查找距离// https://en.cppreference.com/w/cpp/iterator/advance// https://en.cppreference.com/w/cpp/iterator/prevfor(int y = 0; y < image.rows; ++y) {bool isEven = !(y & 1);int start = isEven ? 0 : image.cols - 1;int end = isEven ? image.cols : -1;int step = isEven ? 1 : -1;for(int x = start; x != end; x += step) {if(auto const pixel = image.at<cv::uint8_t>(y, x); pixel == 255) {// 偶数从左到右扫描// 奇数从右到左扫描if(isEven) {// 从左到右寻找连续的G0// |----->int length {0};while(++x < end && image.at<cv::uint8_t>(y, x) == 255) {length++;}--x;// 使用 do{}while(false) 结构,最后统一判断是否会更好// findif(length) {// 起点存在连续G0if(x - length == 0) {// 此时需要把奇数行延迟的Y轴移动进行上移操作if(rightToLeft) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));rightToLeft = false;} else {// 偶数从左到右在起点永远不会向上移动,所以这里不需要 ycommand.emplace_back(G0 {x / resolution, std::nullopt, std::nullopt});}continue;}// 终点存在连续G0if(x == image.cols - 1) {// 终点需要向上移动,但这个移动我们放在奇数行处理,所以这里只需要做好标记即可。leftToRight = true;command.emplace_back(G0((x - length) / resolution, std::nullopt, std::nullopt));continue;}// 中间段存在连续从左到右方向的G0// 中间段不需要向上移动command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));} else {// 没有找到连续的G0// 终点唯一的G0,需要向上移动,这里做标记放到奇数行移动。if(x == image.cols - 1) {leftToRight = true;} else if(x == start) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));rightToLeft = false;continue;}command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));}} else {// <-----|// 从右到左寻找连续的G0 此时起点在右边,终点在左边int length {0};while(--x > end && image.at<cv::uint8_t>(y, x) == 255) {length++;}++x;if(length) {// 起点存在连续的G0if(x + length == start) {// 此时需要把偶数行延迟的Y轴移动进行上移操作if(leftToRight) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));leftToRight = false;} else {// 标记command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));}continue;}// 终点存在连续的G0if(x == 0) {rightToLeft = true;;continue;}command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));} else {// 没有找到连续的G0// 终点需要向上移动if(x == 0) {rightToLeft = true;} else if(x == start) {// 起点也需要处理上一行的y轴移动if(leftToRight) {command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt));leftToRight = false;}continue;}command.emplace_back(G0(x / resolution, std::nullopt, std::nullopt));}}} else {auto power = static_cast<int>((1.0 - static_cast<double>(pixel) / 255.0) * 1000.0);// 处理G1 开头和结尾情况if(isEven) {// 从左到右if(x == start) {if(rightToLeft) {command.emplace_back(G0 {x / resolution, y / resolution, power}); // 最大激光功率 S=1000rightToLeft = false;continue;}} else if(x == image.cols - 1) {// 终点需要标记leftToRight = true;}command.emplace_back(G1 {x / resolution, std::nullopt, power}); // 最大激光功率 S=1000} else {// 从右到左if(x == start) {if(leftToRight) {command.emplace_back(G0 {x / resolution, y / resolution, power}); // 最大激光功率 S=1000leftToRight = false;continue;}} else if(x == 0) {// 终点需要标记rightToLeft = true;}command.emplace_back(G1 {x / resolution, std::nullopt, power}); // 最大激光功率 S=1000}} // end if G0} // end for x} // end for y}// // Define additional strategy functions hereprivate:cv::Mat mat; // 灰度图像double width {0}; // 工作范围 x 轴double height {0}; // 工作范围 y 轴double resolution {0}; // 精度 lin/mmScanMode scanMode {ScanMode::Bidirection}; // 默认双向LaserMode laserMode {LaserMode::Engraving}; // 默认雕刻模式std::optional<int> airPump; // 自定义指令 气泵 用于吹走加工产生的灰尘 范围 [0,1000]// add more custom cmdstd::vector<std::string> command; // G 代码
};int main() {cv::Mat mat = cv::imread(R"(~\ImageToGCode\image\tigger.jpg)", cv::IMREAD_GRAYSCALE);cv::flip(mat, mat, 0);cv::threshold(mat,mat,128,255,cv::ThresholdTypes::THRESH_BINARY);ImageToGCode handle;// 50x50 mm 1.0 line/mmhandle.setInputImage(mat).setOutputTragetSize(50,50,2).builder().exportGCode(R"(~\ImageToGCode\output\001.nc)");
}
总结
通过使用OpenCV库,我们成功实现了从灰度图像到GCode的双向扫描方法。这为激光雕刻提供了一种更加灵活、精细的图案生成方式。通过理解和应用上述代码片段,你可以根据自己的需求进一步调整和优化,实现更复杂的图案生成。激光雕刻的应用不仅仅局限于艺术品制作,还可以在教育和创客领域发挥巨大的创造力。希望这篇博客能够为你在激光雕刻领域的探索提供一些有用的指导。