基于图像处理的弦丝画机器人设计

杜 明，王中宝

(吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021)

0 引言

弦丝画发源于19世纪末，被称为“数字与艺术的舞蹈”，其制作方式是在一个钉满钉子的木板上，按照图案的明暗交接用绕线的方式组成图案轮廓，然后用线在钉子之间缠绕，组成几何图形或画，因其上手简单又极具艺术美感，使得弦丝画手工艺品越发流行。2018年，维也纳某科研团队研发了一种计算机算法，利用该算法能够让机器人用绕线的形式重新创造出各种图案。与国外相比，国内虽然存在能够生成绕线顺序的软件，但尚未见到自动绕线的机器。现有的绘制流程地解算需要付费使用，且代码不开源，应用受限。另外，采用人工方式进行绘制，消耗时间长，容易出错。综上所述，本文设计了一套能够自动绕线的绘画机器人，具有自动识图、解算及绘制功能[4]。

1 构弦丝画机器结构及传动控制

1.1 系统组成

弦丝画控制系统主要由上位机与下位机两个部分组成。上位机负责弦丝画步骤的解算、绘制步骤的储存。下位机则是绘制部分的机械平台，由3个步进电机进行驱动，分别构成X轴、Y轴以及Z轴3个方向。系统流程与系统结构如图1和图2所示。

图1 系统流程

图2 系统结构

1.2 传动系统控制

传动系统主要由下位机控制实现，通过STM32F10 3C8T6单片机接收上位机发送的位置信息，控制各步进电机进行绕线。各轴步进电机传动控制结构如图3所示。

图3 步进电机传动控制结构

2 图像处理算法及轨迹形成

2.1 生成钉子位置

首先通过一张1 000×1 000像素的空白图片，用来模拟弦丝画的背景板。以点O(X0,Y0)为圆心，以R为半径，坐标如图4所示。

由图4可得圆周上某点的极坐标方程为：

图4 圆的极坐标

(1)

可见，根据公式(1)可以求出圆上任意一点的位置，推导出公式(2)：

(2)

式中：n为弦丝画上总的钉子数，ni为从角度位置到时钉子的排序。

在作图时，由于像素点的原因不能求出小数，所以,需要对求得的坐标(X,Y)取整最后绘图得到坐标生成效果,如图5所示。

图5 坐标生成效果

2.2 加载图片

使用OpenCV中cv2.imread()函数加载图片，该函数的形式如式(3)所示：

cv2.imread(Path,Flags)

(3)

式(3)中输入参数Path是图片的路径；Flags是图片的加载方式。cv2.cvtColor()方法用于将图像从一种颜色空间转换为另一种颜色空间。该函数的形式如式(4)所示：

cv2.cvtColor(Stc,Code

[,Dst[,DstCn]])

(4)

式(4)中输入参数Stc是需要转化空间颜色的图像；Code是色彩空间转换代码；Dst是与Src图像大小和深度相同的输出图像；DstCn是目标图像中的频道数。

使用公式img = cv2.imread(‘XSH.png’,0)加载图片，img_gray=cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)将所加载的图片转化为灰度图。灰度图转化形式如式(5)所示：

gray(x,y)=0.299×r(x,y)+

0.587×g(x,y)+0.114×

b×(x,y)

(5)

使用OpenCV读取图片的时候，默认使用的是BGR来读取图片，原始读取的图片是3通道的，经过转换之后变成了单通道。灰度图对应8位灰度取值，有256种取值，0表示黑色，255表示白色[5-6]。

2.3 计算两点所在直线上的像素坐标集合

采用Brezenham算法，Bresenham的输入为两个点A(X1,Y1),B(X2,Y2)。根据这两个点能够计算出两点之间的“距离”。

(6)

根据y=kx+b

则有

(7)

Δyx-Δxy-C=0

(8)

在上述公式中

(9)

设直线的斜率为k，当|k| <=1时，x方向为主步进方向；当|k| >1时，y方向为主步进方向。

3 系统实验

上位机部分使用python3.8版本的编译环境，调用tkinterUi设计模块，OpenCV-python 4.4.0版本的计算机视觉库，numpy 1.18.1版本的科学计算库以及pyserial 3.4版本的通信模块等。上位机界面如图6所示。

图6 上位机界面

下位机采用STM32F103单片机作为主控模块，3个Tb6600步进电机驱动器分别对应X，Y，Z轴的驱动部分，实现3个维控制。绘制结果如图7所示。

图7 绘制结果

4 结语

针对弦丝画装置的需求研发了弦丝画机器人，系统采用上、下位机结构，上位机负责图像处理、期望位置坐标生成，下位机负责位置控制。经过仿真实验和实际运行，验证了设备运行稳定、定位精确、绘制图案美观，生产效率高，可满足弦丝画工艺的需求，具有良好的工程应用价值。