СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ РАСТРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
METHOD FOR APPLICATION OF RASTER IMAGE

Изобретение может быть использовано в системах лазерной маркировки и гравировки в промышленности, для художественных применений, для аутентификации и персонификации изделий и документов, как альтернативный метод в фотографии и полиграфии.
Известен «Способ улучшения цифровых изображений» [патент РФ №2298226]. Он состоит в том, что выполняют фильтрацию шумов, осуществляют коррекцию глобального контраста, извлекают из цветного изображения яркостную компоненту как максимальную из R, G, В составляющих, определяют параметры локальной коррекции темных и светлых тонов, выполняют билатеральную фильтрацию яркости изображения и корректируют темные и светлые тона в канале яркости.
Этот метод не предназначен для обработки изображений подлежащих нанесению на какие-либо материалы с помощью лазерного излучения. Данный метод не учитывает свойства материалов подложки, инструмента нанесения изображения и особенностей процессов их взаимодействия.
Известен «Способ лазерной маркировки» [патент РФ №2146200].
Он заключается в том, что с помощью воздействия лазерного луча с изменяющейся плотностью энергии лазерного излучения формируют видимое изображение на модифицирующем слое. Изображение, сформированное лазером в разных слоях аппликации, может составлять как единое целое, так и в виде независимого изображения для каждого слоя и гравировки на стекле. Лазерный луч при маркировке удаляет встречающиеся слои и прорезает подложку насквозь и гравирует изделие.
В большинстве случаев качество полученного изображения неудовлетворительное.
Известен «Способ адаптивного растрирования полутонового оригинала и устройство для его осуществления» [патент РФ №2308167]. Он заключается в том, что двухмерный сигнал тона изображения, состоящий из многоуровневых значений сигнала тона участков оригинала, преобразуют в двухмерный сигнал растровой копии, состоящий из двухуровневых значений тона ее печатных и пробельных элементов. Для этого формируют два типа двухмерных сигналов весовых значений элементов. В первом из них весовые значения распределяют между элементами в любом порядке, не зависящем от характера изменения тона, а во втором - с учетом геометрии его контуров. Двухуровневый сигнал тона растровой копии формируют с учетом его значения по результату сравнения значений сигнала участков оригинала с весовыми значениями обоих типов. Второй тип двухуровневого сигнала размещают внутри пространственных интервалов, положение которых определяют путем формирования сигнала трассы контура, а границы сегментов устанавливают в зависимости от количества окрестных элементов.
Данный метод требует длительного ручного подбора параметров настройки оборудования и обработки изображения. Метод не позволяет получить изображения на поверхности различных материалов с качеством, сравнимым с фотографическим.
Известно «Устройство для нанесения полутонового изображения на плоскую поверхность полированного изделия», в котором реализован способ нанесения изображения, выбранный за прототип [патент РФ №2121444].
Способ заключается в следующем: в компьютер вводят изображение оригинала с помощью сканера. Преобразуют изображение оригинала в растровый массив чисел. В растровом массиве данных содержится информация о количестве строк в растровой развертке, а также информация о геометрических размерах переносимого изображения, яркостных и механических характеристиках данного вида материала. Меняют координаты рабочего органа (ударного инструмента), одновременно приводя его в действие. Наносят с помощью рабочего органа механическим путем точки на поверхность обрабатываемого изделия, причем размер и расположение этих точек определяется свойствами изображения оригинала.
Недостатками являются небольшая рабочая скорость, небольшой ресурс оборудования за счет интенсивного механического взаимодействия рабочего органа с материалом обрабатываемого изделия, возможность обработки только плоских поверхностей, низкая разрешающая способность полученных изображений за счет большого размера получаемых точек.
Задачей является повышение качества нанесенного изображения, увеличение ресурса оборудования, повышение скорости нанесения изображения, расширение области материалов, пригодных к нанесению изображений.
Предложен способ нанесения растрового изображения, который заключается в том, что предварительно в компьютер загружают тестовое изображение, представляющее собой растровый массив чисел и на поверхность пробного образца из того же материала что и основной материал наносят тестовое изображение, оценивают полученный результат, выбирают параметры лучшего изображения. В качестве рабочего органа используют лазерное излучение и в соответствии с выбранными параметрами настраивают его свойства. Далее вводят оригинальное изображение, преобразуют это изображение в растровый массив чисел, производят многоступенчатую фильтрацию массива чисел, после чего проводят маркировку отфильтрованного изображения оригинала на изделие.
В компьютер с помощью программы управления лазерного оборудования загружают тестовое изображение. В рабочую зону маркирующего лазерного оборудования размещают заготовку из того же материала и с таким же состоянием поверхности, как и изделие, на которое требуется нанести изображение. Настраивают лазерное оборудование и наносят тестовое изображение с помощью программы управления лазерным оборудованием. При этом происходит перемещение рабочей точки фокуса лазерного излучения по поверхности заготовки в соответствии с программой. Одновременно с перемещением точки фокуса излучения меняются параметры лазерного излучения во времени, благодаря чему меняется воздействие лазерного излучения на поверхность заготовки. С помощью микроскопа или лупы визуально оценивают полученный результат маркировки. Из различных элементов тестового изображения выбирают те, чья контрастность наибольшая при одновременном отсутствии следов обугливания, плавления или изменения формы поверхности заготовки. Записывают параметры лазерного излучения и расстояние между точками, при которых получен выбранный элемент тестового изображения. В программу управления лазерным оборудованием вводят эти параметры. В случае необходимости измеренные параметры со ссылкой на тип материала записывают в технологическую базу данных для использования в будущем без повторного нанесения тестового изображения на заготовку. Также в программу управления лазерным оборудованием вводят оригинальное растровое цветное или полутоновое изображение, которое требуется нанести на поверхность изделия. Производят автоматическую обработку - многоступенчатую фильтрацию изображения по специальному многоступенчатому алгоритму с одновременным переводом в битональный формат по известной методике [Прэтт У. «Цифровая обработка изображений» М.: Мир, 1982]. Размещают в рабочее поле лазерного оборудования изделие для нанесения на нем требуемого изображения и производят маркировку изображения на поверхность изделия. В результате маркировки лазерный луч обходит последовательно все точки наносимого изображения, формируя на поверхность заготовки видимое полутоновое изображение.
Изображение оригинала, нанесенное на поверхность изделия, за счет предварительного определения свойств взаимодействия лазерного излучения с выбранным материалом и за счет многоступенчатой фильтрации обладает повышенным качеством, а именно максимальной достоверностью полученного изображения. Применение рабочего органа - лазерного излучения вместо ударного органа позволяет увеличить ресурс оборудования, повысить скорость нанесения изображения и расширить область материалов, пригодных к нанесению изображений.
В качестве примера рассмотрим процесс нанесения фотографического изображения на пластину из черненого алюминия. Для нанесения изображения применяли лазерный маркирующий комплекс DMark-06RL компании ООО «ЦЛТ» Санкт-Петербург с длиной излучения 1064 нм, средней мощностью 6Вт, рабочим полем 110×110 мм.
1. Нанесение тестового изображения. В рабочую зону лазерного оборудования располагали пластину из черненого алюминия. В компьютер в управляющую программу загружали предварительно подготовленное тестовое изображение в виде набора точек, расположенных в узлах линейных сеток с различным шагом от 20 мкм до 1 мм (Фиг.1). Программа запускается на выполнение. При этом на поверхность пластины лазерным лучом переносится тестовое изображение. (Фиг.2)
2. Оценка параметров тестового изображения. Оператор рассматривает полученное тестовое изображение как невооруженным глазом, так и с помощью мощной лупы или микроскопа. Выбирают элемент тестового изображения, который удовлетворяет условия максимального значения параметра контраста без признаков обугливания или расплава материала. (Фиг.3) Соответствующие выбранному элементу параметры сетки (шаг сетки, диаметр элементарной точки) и настроек лазерного оборудования (мощность излучения, частота модуляции, количество импульсов на одну точку) оператор сохраняет для последующего использования в процессе обработки исходного изображения и для настройки лазерного оборудования.
3. Полученные параметры - шаг сетки 50 мкм, диаметр точки 50 мкм передают в программный модуль (фильтр). Одновременно по полученным параметрам - мощность излучения 48% от максимального, частота модуляции 70 кГц, количество импульсов на одну точку - 1 настраивают лазерное оборудование.
4. Проводят автоматическую многоступенчатую фильтрацию исходного изображения (Фиг.4) при помощи программного модуля (в настоящее время является частью программы М-Script), производящего следующие операции:
Промежуточные результаты обработки показаны для наглядности процесса обработки.
4.1. Производят предварительную коррекцию яркости и контраста изображения. При необходимости уничтожается информация о цвете (формат изображения переводится из цветного в градации серого).
4.2. Вычисляется энтропия изображения и из него удаляется лишняя информация.
4.3. Производится повторная коррекция яркости и контраста изображения (масштабирование гистограммы).
4.4. С учетом измеренных с помощью тестового изображения параметров, производится усиление контуров изображения.
4.5. Изображение переводится в битональный формат.
4.6. Производится прореживание и зашумление изображения. Полученное изображение (Фиг.5) готово к нанесению с помощью лазерного оборудования.
5. Производят нанесение изображения. В рабочую зону лазерного комплекса располагают пластину, на которую будет нанесено изображение. Обработанное изображение загружают в программу управления оборудованием и производят маркировку для получения конечного изображения в виде полутонового растрового изображения (Фиг.6).
6. Оценка качества полученного изображения. Полученное изображение воспринимается достаточно хорошо как фотография среднего качества. Иногда удается несколько улучшить результат за счет дополнительного подбора в небольших пределах параметров лазерного излучения. Изображение слева получено методом лазерной маркировки путем перевода изображения в битональный формат стандартными средствами без предварительной обработки. Изображение справа получено методом лазерной маркировки с применением рассматриваемого здесь алгоритма, учитывающим свойства процесса взаимодействия лазерного излучения с материалом. Полученные изображения оригинала обладают хорошим качеством, близким к фотографическим.