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1、华中科技大学 硕士学位论文 灰度图像激光标记算法设计与系统实现 姓名：凌绍凤 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：刘玉 20071104 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 激光标记因其牢固永久、精美清晰、定位准确、不接触加工材料、可在多种材料 和多种形状表面打标的优点，在生产制造行业得到了广泛的应用；而灰度图像标记 的表现能力很强，更是有着广阔的应用前景。 影响灰度图像标记效果的关键为数字半色调技术。 本文对数字半色调技术基本原 理进行了详细的介绍，分析了误差分散法、抖动法、区域分割法和模式法几个常用
2、 半色调算法。结合 Bayer 抖动矩阵，本文提出了改进的模式法，该方法较好的解决 了原方法由于模式选取过于集中而使处理后图像易产生颗粒感的缺点，取得较好的 处理效果；结合区域分割法的思想，提出了基于路径的误差扩散算法，该算法以接 近抖动法的处理速度达到了接近误差分散法的处理效果。 本文详细介绍了灰度图像激光标记系统的实现过程。 对光斑点位置和点间距控制 的实现，保证了图像的准确标记；对系统数据存储和访问方式的改进，提高了系统 的运行效率，降低了资源消耗。本系统实现的灰度图像标记，打标样件图像逼真， 效果较好；而且由于采用调频半色调算法，不需要实时改变光斑点大小，对于当前 国内多数受限于激光控
3、制方法、不能实时控制光斑大小的激光标记机，本系统具有 很好的普适性，所以有较好的推广价值。 论文所做的工作对灰度图像标记行业的技术提升具有参考价值， 对激光标记行业 的产品升级也有推广意义。有关成果正在产品化过程中。 关键词：关键词： 灰度图像标记，激光标记系统，数字半色调，误差分散，模式法，模式选 取，误差扩散路径 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract For the merits of permanence, clear, precise, no contact with the material, and
4、that can mark in the surface of a variety of materials and shapes, laser marking has been widely used in the manufacturing industry. The gray image marking has broad application prospects for its excellent performance. The key of gray image marking is digital halftone technology. This paper will int
5、roduce the principles of digital halftone technology in detail, and analysis several commonly used halftone methods, such as error diffusion, dithering, regional division and model method. Considering with Bayer dither matrix, this paper presents an improved model method, which can ease the grain ef
6、fect produced by the models concentration in original method. The combination of error diffusion and regional division makes the error diffusion based on special diffusion path, which can process image as fast as dithering and reach the effect of error diffusion nearly. This paper introduces the imp
7、lementation of gray image laser marking system in detail. The precise control of the location and distance of marking spot make sure the accuracy of the marking images; the improvement of datas storage and access advance the systems efficiency and reduce the consumption of resources. The systems mar
8、king effect of gray image has achieved a high level. Because of the use of FM halftone algorithm, the system can be used widely for the laser marking machines that can not control the marking spots size on real time. Therefore, this system is valuable for promotion. This paper is valuable for the up
9、grading of gray image marking industry. The products are in the process. Keywords: gray image marking, laser marking systems, digital halftone, error diffusion, model, model selection, error diffusion path 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研
10、究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密?，在 年解密后适用本授权书。 不保密?。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月
11、日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 数字半色调技术介绍数字半色调技术介绍 如果我们仔细观察打印出来的灰度图像，便会发现许多的小黑点，黑点越多、越 细密，图像细节表现越清晰；黑点越少、越粗糙，图像细节表现越模糊，如图 1-1。 图 1-1 黑白打印出的灰度效果 其中最左边的是原图，为 256 级灰度图，另外三张图都是黑白二值图。 这种通过二值点表现灰度图像的方法便是数字半色调技术12，它通过调整点的 大小和密度来模拟颜色的浓淡，以表达原图的灰度信息。本文将讨论数字半色调技 术在激光标记
12、中的实现及其改进方法。 1.2 激光标记介绍激光标记介绍 激光标记也称激光打标34，是通过聚焦高能量的激光束作用于物品表面，使物 体表面发生物理或化学的变化，从而形成一个图案的过程。和机械刻画、喷墨、腐 蚀等传统标记方法相比，激光标记有以下一些优点： ? 加工过程中对要加工的物品不需物理接触，因此特别适合用于精密零件和外 要求较高的工艺品，不会因受力而变形； ? 标记的印迹深入材料内部，具有永久性，不易磨损； ? 激光光点可以聚集到很小，加上对位置的精确控制，可实现高精度标记； ? 适用材料广泛，几乎可以在所有材料上使用。包括木制品、塑胶、石材、玻 璃、皮革、金属制品等； ? 可在多种形状表面
13、（平面、柱形、球形等）标记，可实现三维标记，无污染。 由于诸多优点，激光打标已经在许多行业得到了广泛的应用，如汽车机械行业、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 电子通讯行业、五金器材行业、饰扣标牌行业等。如图 1-2 为激光标记应用的几个 例子。 图 1-2 激光打标的一些应用 1.3 振镜式激光标记机工作原理振镜式激光标记机工作原理 振镜式激光标记机56主要由工控部分（含 PC 机、 “DA 板卡” 、振镜伺服电机驱 动板）和标记部分（含振镜、激光器、标记平台）组成。如图 1-3 为一台 YAG 激光 标记机。 图 1-3 振
14、镜式激光标记机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 由 PC 处理得到的标记数据通过“DA 板卡”输出，控制振镜的运动方式和激光 信号的有无。由其结构示意图如图 1-4。 图 1-4 典型振镜式激光标记机结构示意图 系统工作时，激光束经过折返镜的反射，经透镜聚焦，标记在物体上。控制板 通过控制折返镜角度，使激光束发生偏转；同时 Q 开关控制激光的有无，这两部分 协调工作，便能标记出要求的形状。如图 1-5 为振镜部分工作原理。 图 1-5 振镜工作原理 振镜的输入信号与振镜的偏转角度成正比，f透镜能保证振镜偏转角度与激 光光束在标
15、记幅面上的偏转距离成正比7。 另外， 由于振镜本身采用检流计原理工作， R y x f透镜 Y X Z 焦平面 控制机柜 PCI 总线 控制板 激光器 标记平台 扫描头 振镜伺服电机驱动板 X Y Z Q 开关驱动器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 其运动存在着惯性，因此，若输入给它的信号存在大幅度变化时，振镜有可能振荡， 这会严重影响标记质量。 激光的有无是通过声光 Q 开关89控制的， 其原理是利用声光衍射作用控制激光 谐振腔建立与阻断，射频信号加到压电换能器上后，超声波馈入声光材料，声光材 料的折射率发生周期变化，对相对声波方向以某一角度传播的光波来说，相当于一 个相位光栅1011。于是，在超声场中光波发生衍射，改变传播方向。将声光器件置 于光腔内构成声光 Q 开关激光器，在最初施加声场时，腔内光束将偏折出光腔，相 当 Q 开关关闭，光腔损耗呈低 Q 状态，不能形成振荡。当反转粒子数积累到最大值 时，突然撤去声场，光束不发生偏折顺利通过声光介质，相当于 Q 开关打开，光腔 呈低损耗高 Q 状态，形成激光巨脉冲输出12，如 图 1-6。 图 1-
