基于OpenCV灰度图像转GCode的斜向扫描实现

基于OpenCV灰度图像转GCode的斜向扫描实现基于OpenCV灰度图像转GCode的斜向扫描实现 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GCode5. 保存生成的GCode6. 灰度图像斜向扫描代码示例 总结

系列文章

⭐深入理解G0和G1指令：C++中的实现与激光雕刻应用⭐基于二值化图像转GCode的单向扫描实现⭐基于二值化图像转GCode的双向扫描实现⭐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⭐基于OpenCV灰度图像转GCode的单向扫描实现⭐基于OpenCV灰度图像转GCode的双向扫描实现⭐基于OpenCV灰度图像转GCode的斜向扫描实现⭐基于OpenCV灰度图像转GCode的螺旋扫描实现

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基于OpenCV灰度图像转GCode的斜向扫描实现

双向斜向扫描

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的斜向扫描，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的斜向扫描。

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。以下是斜向扫描生成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 k /*diagonal*/ = 0; k < image.rows + image.cols - 1 /*cond = height + width - 1*/; ++k) { if((k & 1) == 0) { // even for(int i = std::min(k, image.rows - 1); i >= 0; --i) { int j = k - i; if(i < image.rows && j < image.cols) { internal(image, j, i); } } } else { // odd for(int j = std::min(k, image.cols - 1); j >= 0; --j) { int i = k - j; if(i < image.rows && j < image.cols) { internal(image, j, i); } } } }

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。

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. 灰度图像斜向扫描代码示例 #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 Power Engraving, // 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 here diagonalStrategy(); } void internal(cv::Mat &image, auto x /*width*/, auto y /*height*/) { auto pixel = image.at<cv::uint8_t>(y, x); if(pixel == 255) { command.emplace_back(G0(x / resolution, y / resolution, std::nullopt)); } else { auto power = static_cast<int>((1.0 - static_cast<double>(pixel) / 255.0) * 1000.0); command.emplace_back(G1(x / resolution, y / resolution, power)); } } // 双向斜向扫描 // Bidirectional oblique scanning void diagonalStrategy() { cv::Mat image; cv::resize(mat, image, cv::Size(static_cast<int>(width * resolution), static_cast<int>(height * resolution))); for(int k /*diagonal*/ = 0; k < image.rows + image.cols - 1 /*cond = height + width - 1*/; ++k) { if((k & 1) == 0) { // even for(int i = std::min(k, image.rows - 1); i >= 0; --i) { int j = k - i; if(i < image.rows && j < image.cols) { internal(image, j, i); } } } else { // odd for(int j = std::min(k, image.cols - 1); j >= 0; --j) { int i = k - j; if(i < image.rows && j < image.cols) { internal(image, j, i); } } } } } // // Define additional strategy functions here private: 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/mm ScanMode 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 cmd std::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/mm handle.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的斜向扫描方法。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。