激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法

技术领域

本申请涉及一种遥感图像的路况分析方法，特别涉及一种激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，属于遥感图像路况分析方法技术领域。

背景技术

激光标刻的运用范围广，其加工稳定性强、效果好，在很多领域，激光标刻已取代传统的手工、机械和喷印标刻。激光标刻可适用于半导体材料、玻璃材料、一些非金属材料以及全部的金属材料，并且在其表面留下具有防伪功能的不易仿造和修改的长期标记，被普遍运用到各种机械零部件、金属器皿、电子元件、电脑键盘、汽车部件、美术广告、箱包、钮带等商品的商标、生产批次、保质期及条形码的标刻，商品经过标刻后会变得更加高端大气，同时其市场竞争力也得以提升。

相比于传统的手工、机械和喷印标刻，激光标刻有着很多不可比拟的显著特征，主要表现在它是一种非接触性技术，不褪色无污染，抗磨损性强。它标刻速度快，并且字迹清晰，还能永久保持，操作方便，具有很强的防伪性。激光标刻用计算机来控制，加工起来速度很快，利用标刻软件也容易改变和调整标记内容，灵活性好。激光标刻是一种无接触的加工技术，标刻时不需要与工件接触，不会对工件造成直接冲击，因而没有机械变形，很好的维持了工件的固有精度。标记后不需要进一步制作和精加工，可以直接作为制作和生产过程的最后一道工序，大幅提高了加工效率。激光标刻的形式并不固定呆板，且没有污染源，对环境不造成任何污染，同时除了激光以外，不需要任何其他耗材。又因为激光标刻的标刻内容具有永久性，很难对其进行仿制或修改，所以利用激光标刻来防伪其效果非常好。用激光标刻出来的产品精细美观，所刻文字端正工整，不会产生失真，有很好的视觉效果和很高的审美价值。

激光标刻如今已是许多生产包装和印刷领域中生机勃勃的技术之一，但现有的各种运用中大部分是功能性标刻而不是美化装饰，还有很多标记是为了服务消费者，比如在汽车底部和计算机键盘上标刻高清字符。上述应用都标刻出的是对比度非常高的单色标记。如果采用基质来对相干光进行有选择吸收导致物体发生热化学反应，在基质的表面就将出现一块脱色印记，在基质中加入各种颜料，从而达到出现各颜色的标记的目的。将不同的颜料、树脂和各种其他添加剂按一定方式配在一起，可以标刻五颜六色的印记，由于这种原因使得激光标刻在表面装饰领域也占据不容忽视的地位。与喷墨标刻和记录针点的喷射标刻打造二维码的技术对比，激光标刻体系形成的码最小，并且码里面各个单元的大小与激光光斑的大小一致。激光标刻目前已获得很好的声誉，消费群体越来越大，激光器材的稳定性和实用性也越来越好，激光标刻已迈进一个前所未有的迅猛发展期。

激光标刻技术中的关键是标刻方法，它决定了整个标刻过程中的扫描路径，对标刻的速度和效率以及最终质量有很大影响，扫描方式因成形工艺而异，现有技术有两种主流扫描方式：一种是行扫描，一种是轮廓扫描。行扫描方式是一行一行的在被标刻物体表面扫描，每一段扫描路径之间相互平行，包括了X/Y连贯扫描、双向式X/Y扫描以及分片域X/Y扫描三种方式。行扫描方法实现起来简单，方法可靠性比较高,并且路径生成的速度也较快，便于实时加工，但因为它产生数量很大的扫描线，会增加光笔的跳转次数和跳转总长度，导致标刻效率下降，光开启和关闭的次数也很多，器件的受损率也会增大，长期使用会存在许多不可控风险。

轮廓扫描是按照与图形的轮廓平行的指向进行扫描，也就是走待标刻图形每一条边的等距线。采用轮廓扫描法时需要计算出轮廓的等距线，现有技术是利用轮廓不断向内部以相等的距离紧缩构成等距线，需要针对每一段等距线采取相应的很繁琐的处理，以除去部分等距线构成的多余环。轮廓扫描虽然很好的改善了行扫描中出现的不足，然而轮廓扫描的路径规划和计算复杂，因此实现较复杂。现有技术轮廓扫描大致可划分四类：三角剖分扫描法、Voronoi图剖分扫描法、等距线扫描法、基于数学形态学的扫描法。前二种方法属于局部的轮廓扫描法，而后两种属于整体的轮廓扫描法，但它们都采用的是轮廓平行的扫描路径，其扫描路径是由待扫描图形的原始轮廓的一连串偏置线构成。轮廓扫描的扫描路径具有很好的连续性因而可以减少跳转次数和光开关次数，减小工件变形的可能性，但轮廓扫描中偏置线的计算很复杂，路径生成过程复杂，方法效率不高。三角剖分扫描法和基于数学形态学扫描法处理的对象都只能是多边形而不能是曲线类图形。Voronoi图剖分扫描法的计算量大且耗时长，硬件开销大，难以实现，而且对单连通区域对象和多连通区域对象的处理方法各不相同，无法合并。等距线扫描法的程序结构复杂，方法实现效率低下。

现有技术缺少可靠的激光标刻扫描方法，本申请的难点和待解决的问题主要集中在以下方面：

第一，现有技术的主流扫描方式采用行扫描，一行一行的在被标刻物体表面扫描，每一段扫描路径之间相互平行，包括了X/Y连贯扫描、双向式X/Y扫描以及分片域X/Y扫描三种方式，行扫描因为它产生数量很大的扫描线，会增加光笔的跳转次数和跳转总长度，导致标刻效率下降，光开启和关闭的次数也很多，器件的受损率也会增大，长期使用会存在许多不可控风险；

第二，现有技术的轮廓扫描是按照与图形的轮廓平行的指向进行扫描，需要计算出轮廓的等距线，现有技术是利用轮廓不断向内部以相等的距离紧缩构成等距线，需要针对每一段等距线采取相应的很繁琐的处理，以除去部分等距线构成的多余环，造成轮廓扫描的路径规划和计算复杂，因此实现较复杂，轮廓扫描中偏置线的计算很复杂，路径生成过程复杂，方法效率不高，三角剖分扫描法和基于数学形态学扫描法处理的对象都只能是多边形而不能是曲线类图形，Voronoi图剖分扫描法的计算量大且耗时长，硬件开销大，难以实现，而且对单连通区域对象和多连通区域对象的处理方法各不相同，无法合并，等距线扫描法的程序结构复杂，方法实现效率低下；

第三，激光标刻技术中的关键是扫描方法，决定了标刻过程中的路径择取，直接影响标刻的速度、效率和最终标刻效果，扫描方式因成形工艺而异，现有技术的激光标刻方法实现起来复杂，标刻速度慢、时间长、效率低，空行距离长，计算复杂度大，标刻过程中产生的扫描线多，跳转次数多，跳转总长度大，光开关的次数多，器件受损坏的概率也大，现有技术缺少一种好的能长期有效运行的激光标刻扫描方法，标刻过程中的路径无法缩短辅助移动距离和时间，制约标刻效率，主观质量和客观评价指标都比较差，无法达到高效工业化应用的标准。

发明内容

本申请在现有技术扫描方法的基础上，总结提出扫描方法的三个主要目标分别是提高制作精度、减小器件翘曲变形和减少激光器扫描过程中的空走距离从而提高标刻速度和效率，首先将复杂的多连通区域图元剖分为多个单连通区域图元，将一个复杂多连通区域图元的标刻转化为若干个简单的单连通区域的图元来标刻，然后将凹连通区域进行凸剖分，主要是将带有凹点的单连通区域图元剖分为多个单调多边形图元，以适应文字标刻的复杂情况，接着再对单调多边形进行标刻，最后用智能路径方法选取最优最短的扫描路径；本申请的激光标刻方法实现起来简单，标刻速度快、时间短、效率高，空行距离短，计算复杂度小，标刻过程中产生的扫描线少，跳转次数少，跳转总长度小，光开关的次数少，器件受损坏的概率也小，申请在保证了跳转次数和跳转距离尽量小的情况下，大幅缩短了路径生成时间，提高了标刻的速度和效率。

为实现以上技术特征，本申请所采用的技术方案如下：

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，提出扫描的三个目标分别是提高制作精度、减小器件翘曲变形和减少激光器扫描过程中的空走距离以提高标刻速度和效率，首先将复杂的多连通区域图元剖分为多个单连通区域图元，将一个复杂多连通区域图元的标刻转化为若干个简单的单连通区域的图元来标刻，然后将凹连通区域进行凸剖分，主要是将带有凹点的单连通区域图元剖分为多个单调多边形图元，以适应文字标刻的复杂情况，接着再对单调多边形进行标刻，最后用智能路径方法选取最优最短的扫描路径；

多连通区域图形剖分包括选取轮廓关联矩阵和可连轮廓组分片，智能路径优化又分为局部路径优化和图形全局优化布局；

路径自动分片轮廓智能扫描方法在完成图形的标刻路径主要包括四步：

第1步：复杂多连通区域图形的分片，将输入的单个的多连通的待扫描图形剖分成若干个单连通区域的图形，将一个复杂的多连通区域图元的标刻问题简化为多个简单的单连通区域图元的标刻；

第2步，凹单连通区域的凸剖分，对带有凹顶点的单连通区域图形进行凸剖分，以得到多个单调多边形，凹连通域图形的凸剖分以适应诸如文字之类的复杂图形的标刻；

第3步，采用轮廓扫描方法对单调多边形实行标刻；

第4步，再采用智能路径优化方法选取最优最短的扫描路径。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法的调用流程为：在调用测试工程应用程序中导入待标刻的原始图元文件后，执行MultiRegiomDivide()函数并多次递归得到一系列的单连通区域图元，然后对每个单连通区域的图元进行凸剖分PolygomComvexDecom()，将带有凹点的单连通区域图形剖分为凸的单调多边形再进行标刻，最后对每个凸多边形执行Path()函数来得到实际的标刻路径，并对标刻路径进行智能优化。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，选取轮廓关联矩阵：针对截面图形的各个轮廓，通过分辨它们两两之间的位置关系来构造轮廓关联矩阵，假设某个截面图形上有m个轮廓，用变量T(i,j)(i和j互不相等且都是从1到m)来表示轮廓的包含关系，则有：

得到一个m×m阶的轮廓关联矩阵，根据得到的轮廓关联矩阵把截面轮廓划分为若干个可连轮廓组，可连轮廓组由一个外轮廓和它里面含有的下一层的若干个内轮廓构成。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，可连轮廓组分片：得到可连轮廓组之后，接下来针对这些可连轮廓组展开分片，消除可连轮廓组的所有内轮廓使其成为仅含外边界构造的独立轮廓，倘若多边形的某些顶点刚好在它的外接矩形的某条边上，这样的顶点为该多边形的极值顶点，如果多边形的外接矩形的某一条边包含不止一个的极值顶点，选取当中Y坐标或X坐标值最小的那一点当作参考极值顶点，外接矩形的四条边上的极值顶点分为设为LeftU、RightU、HighU和LowU点，然后将可连轮廓组分片，分片后的每个区域都不再存在内轮廓区域，可连轮廓组分片的具体操作为：

第一步，计算可连轮廓组的数目M，若M等于0，那么分片到此为止，若M不等于0，就依照先后次序寻求多边形图形的首个可连轮廓组，其特征是最外面轮廓多边形的极值点的X坐标值是最小的，若存在不只一个有相同的极小值点的轮廓，就在这些极小值点中选取Y坐标最大的点的轮廓作为首个可连轮廓组，记作SRc；

第二步，沿X轴正方向按照顺序寻求首个内轮廓所在的多边形EJS，其特征是X坐标值最小，倘若存在不只一个有相同的极小值点的内轮廓，就在求得的极值点中选取纵坐标值最大的那个点对应的轮廓组作为首个可连轮廓组，找到EJS的左极限点LeftU点和右极限点RightU点；

第三步，由LeftU点往左作一条水平直线，这条直线同内轮廓或外轮廓相交在某个点，保存这个点；

第四步，同理，从RightU点向右作一条水平线，如果该水平线和图形的其他内轮廓相交，则采用此内轮廓取代原来的EJS，采用它们的交点取代原来的LeftU点，同时寻到这个内轮廓的极大值点并用它取代RightU点，跳到第四步，如果不存在其他的内轮廓，则跳到第五步；

第五步，从新的RightU点往右作一条水平直线，这条直线同外轮廓相交在某个点，则保存这个点；

第六步，以LeftU点与RightU点的连线作为分界线把原来的可连轮廓组划分成上下两可连轮廓组，再按照位置关系将没有参加划分的内轮廓分别存入上下两可连轮廓组里面，然后去掉原来的SRc，转到第一步中继续执行，直到多连通完全划分为单连通。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，多连通区域图元剖分基本流程为：

流程一，进入函数里面之后，首先判定图组中所存储的环的个数，如果只有一个环，则直接进入标刻方法，不需要进行多连通区域图元剖分为单连通区域图元的处理，若有两个或两个以上的环，则需要把这个多连通区域图元剖分为若干个单连通区域图元；

流程二，最先处理内环中的第一个环，即找到该环x坐标最小点和最大顶点；

流程三，最小顶点向左做射线相交于外环，记下该交点，最大点向右做射线，如果该环的右侧有环则射线交于右环，然后找到右环的最大x坐标点再往右做射线，直到交于外环；

流程四，根据这些交点跟环的走势将多个参与相交的环分为上下二个新环，然后判断没有参与相交的环是否包含在新生成的两个环中，如果是则将该环与包含该环的新环作为一组；

流程五，最后进行不停的迭代，直至多连通区域完全被剖分为单连通区域。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，凹多边形的凸剖分：采用凹连通区域的凸剖分过程根据顶点可见性来实现，具体的实现步骤为：

步骤一，寻找多边形中的凹点,假如多边形中不含凹点，就可以直接进行标刻，否则就把寻求出的凹点作为可视顶点；

步骤二，搜索可视顶点的可见点串CA、CB和CC；

步骤三，倘若CA不只包含一个凹点，且可视顶点也落在CA的某些个凹点的区域内，就把这些个凹点保存到集合CP里面；如果CA多个凹点，而可视顶点不在这些凹点的区域内，就将CA所有可见点保存到集合CP中；

步骤四，如果集合CP中只有一个顶点，就将它作为剖分点，否则就取CP中所有顶点的权值最小者作为剖分点；选取多边形区域凹顶点的角平分线上的点当作剖分点并用它引剖分线，这样获得的凸多边形的形状最佳；

步骤五，如果CA中没有剖分点，则选取CB区域中的最后一个点和CC区域的第一个点所组成的线段与区域A的平分线的交点作为剖分点；

步骤六，从凹点向剖分点引剖分线，根据多边形的走势将原来的图形剖分成两个崭新的小多边形，然后再进行反复迭代，直到将多边形中不含凹点。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，凹多边形的凸剖分函数处理的基本步骤为：单连通图形在进入该函数之后，首先判断多边形中是否含有凹点，若不含凹点，则直接进行标刻填充，若含有凹点，先求得凹点跟凹点的前一点和后一点，根据这三点组成的两条直线将平面区域划分为四个区域，分别为CA、CB、CC和CD，在CA区域中寻找剖分点，若CA区域无剖分点，则选取CB区域中的最后一个点和CC区域的第一个点所组成的线段与区域A的平分线的交点作为剖分点，找到凹点跟剖分点之后，从凹点向剖分点引剖分线，根据多边形的走势将原来的多边形剖分成两个新的多边形，然后再进行反复迭代，直到将多边形内不再含有凹点，则凹多边形的凸剖分完成。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，单调多边形的扫描路径生成：经过凹单连通区域凸剖分之后，带有凹顶点的单连通区域图形就被剖分成了多个单调多边形，接下来采用普通的轮廓扫描方法对单调多边形实行标刻，单调多边形的标刻路径函数处理基本流程为：

流程1，根据输入的环的点数判定是否结束程序，当点数小于三个时，无法构成闭合形状，程序结束；

流程2，当环的点数大于等于三个时，依次计算出距离相邻两点组成的线段的距离为标刻间距的平行线；

流程3，以计算出的紧密相连的各条平行线相交的点构成的轮廓当作下次循环的输入；

流程4，然后把此环保存到输出变量中，直至组成环的点数小于3个时，程序结束。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，局部路径优化：恰当优化图形起始点位置能够提升局部优化效果；

(1)闭合图形选取起始点

闭合图形首尾点重合，图形起始点取图形中任意一点做为起始点，起始点的选取通过计算其跳转距离最短来得到；

(2)不闭合图形起始点优化

不闭合图形起始点只能取其首点或尾点，而不能取图形其他点，故通过对比取首点还是尾点跳转距离最短来确定起始点。

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法，进一步的，图形全局优化布局：通过全局布局方法将所有图形顺序重新进行排列，使图形全局走向能逼近或达到全局布局有最佳效果，对各个待扫描图进行考察：当图形一左轮廓LeftU大于图形二左轮廓LeftU，图形一右轮廓RightU小于图形二右轮廓RightU，图形一上轮廓HighU小于图形二上轮廓HighU，图形一下轮廓LowU大于下轮廓LowU时，图形一和图形二存在包含关系，即图形一包含在图形二内；

智能路径优化的函数方法基本流程为：

第(1)步：求解待扫描图形的X坐标值最小的点与最大的点以及Y坐标值最小的点与最大的点，把求得的这些点按照Y坐标极值HighU从大到小依次排列；

第(2)步：将所有存在包含关系的图形放到同一个图形集合M中，这样将所有图形划分为一个个图形集合，按照贪婪方法对图形集合M进行局部优化，重新排列M中图形顺序；

第(3)步：取所有图形集合的首图形按顺序放入图形集合W中；

第(4)步：对W中所有图形按分行规则分为多行，分行规则为：如果图形一上轮廓HighU大于等于图形二下轮廓LowU，即判定图形一与图形二为同一行，同时判定如果图形二下轮廓LowU大于图形一下轮廓LowU，将图形一下轮廓LowU值赋予图形二下轮廓LowU，即扩展图形二下轮廓，以便将更多的图形放入同一行；

第(5)步：对所有同一行图形按照图形左轮廓LeftU的大小，按照从小到大的顺序排列；

第(6)步：连接相邻两行图形按照尾首相连或尾尾相连；

第(7)步：将图形集合M中的其他图形加入到各自外轮廓图形之后,对图形根据局部优化方法进行局部优化，最终得出图形的整体布局路径。

与现有技术相比，本申请的创新点和优势在于：

第一，针对简单图元、复杂组合图元以及标准测试PLT图元文件的进行扫描测试的结果表明，本申请方法克服了Voronoi图剖分扫描法的对单连通区域对象和多连通区域对象的处理方法无法统一的不足，能够同时处理单连通区域图元和多连通区域图元，并且也能克服三角剖分扫描法和基于数学形态学的扫描法处理的对象都只能是多边形而不能是曲线类图形的这一缺点；针对分片轮廓扫描与行扫描进行对比实验的结果表明，对于尺寸较大的图元，本申请分片轮廓扫描方法在路径计算这一步骤的耗时要明显少于水平单向填充方法，用标准测试PLT图元文件进行了本申请智能路径优化与原有的智能优化在加填充线和未加填充线的情况下的图形测试对比试验的结果表明，本申请在保证了跳转次数和跳转距离尽量小的情况下，大幅缩短了路径生成时间，提高了标刻的速度和效率，而且图形愈大愈复杂，提升的效果愈是显著；

第二，本申请通过研制出一种简单高效的激光标刻扫描方法，然后输入一组从有图元模块的形状数据中提取出来的专门提供给方法转换的数据对象，这组数据对象中包含了方法模块所需要的一切数据，对物体材料的表面上的各种中文汉字、英文字符、数字、图案以及条形码等信息进行相应地处理，再控制激光打标机器对物体材料作加工处理，以完成对中文汉字、英文字符、数字、图案以及条形码等的烧结；由于设计扫描方式和扫描路径的优化是标刻应用中非常重要的一环，激光标刻技术中的关键就是扫描方法，它决定了标刻过程中的路径择取，直接影响标刻的速度、效率和最终标刻效果，本申请是一种好的能长期有效运行的激光标刻扫描的方法，通过标刻过程中的路径的优化有效缩短了辅助移动距离和时间，从而提高标刻的效率，具有巨大的实际意义和广泛的应用前景；

第三，本申请在现有技术扫描方法的基础上，总结提出扫描方法的三个主要目标分别是提高制作精度、减小器件翘曲变形和减少激光器扫描过程中的空走距离从而提高标刻速度和效率，首先将复杂的多连通区域图元剖分为多个单连通区域图元，将一个复杂多连通区域图元的标刻转化为若干个简单的单连通区域的图元来标刻，然后将凹连通区域进行凸剖分，主要是将带有凹点的单连通区域图元剖分为多个单调多边形图元，以适应文字标刻的复杂情况，接着再对单调多边形进行标刻，最后用智能路径方法选取最优最短的扫描路径；本申请的激光标刻方法实现起来简单，标刻速度快、时间短、效率高，空行距离短，计算复杂度小，标刻过程中产生的扫描线少，跳转次数少，跳转总长度小，光开关的次数少，器件受损坏的概率也小。

附图说明

图1是激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法的调用流程图。

图2是选取轮廓关联矩阵的截面轮廓分组后的轮廓图。

图3是可连轮廓组分片的多边形的极限顶点的表示图。

图4是可连轮廓组分片SRc和EJS的选取示意图。

图5是可连轮廓组分片的截面轮廓分区示意图。

图6是可连轮廓组分片后的独立轮廓示意图。

图7是多连通区域图元剖分流程图。

图8是凹多边形的凸分解的函数处理流程图。

图9是凸分解获得单调多边形的示意图。

图10是单调多边形的扫描路径生成示意图。

图11是局部路径优化的闭合图形路径优化图。

图12是局部路径优化的不闭合图形路径优化图。

图13是智能路径优化的函数处理流程图。

图14是图形全局优化布局路径效果图。

图15是复杂组合图元的分片轮廓扫描与行扫描对比图。

图16是标准测试PLT图元文件的分片轮廓扫描与行扫描对比图。

具体实施方法

下面结合附图，对本申请提供的激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本申请并能够予以实施。

各种制造业加工技术中，与以往的机械、手工和喷印标刻相比，激光标刻是一种无需接触被刻物体的技术，不褪色无污染，抗磨损性强，它标刻的速度很快，并且字迹也很清晰，还能永久保持，操作起来也方便，具有很强的防伪性，被广泛运用到机械、电子、汽车和美术广告等各种行业。

激光标刻技术中的关键是扫描方法，决定标刻过程中的扫描路径，对标刻的效率和最终质量有很大的影响。本申请在现有技术扫描方法的基础上，总结提出扫描方法的三个主要目标分别是提高制作精度、减小器件翘曲变形和减少激光器扫描过程中的空走距离从而提高标刻速度和效率，本申请首先将复杂的多连通区域图元剖分为多个单连通区域图元，将一个复杂多连通区域图元的标刻转化为若干个简单的单连通区域的图元来标刻，然后将凹连通区域进行凸剖分，主要是将带有凹点的单连通区域图元剖分为多个单调多边形图元，以适应文字标刻的复杂情况，接着再对单调多边形进行标刻，最后用智能路径方法选取最优最短的扫描路径。

一、方法整体架构

路径自动分片轮廓智能扫描方法在完成图形的标刻路径主要包括四步：

第1步：复杂多连通区域图形的分片，将输入的单个的多连通的待扫描图形剖分成若干个单连通区域的图形，将一个复杂的多连通区域图元的标刻问题简化为多个简单的单连通区域图元的标刻；

第2步，凹单连通区域的凸剖分，对带有凹顶点的单连通区域图形进行凸剖分，以得到多个单调多边形，凹连通域图形的凸剖分以适应诸如文字之类的复杂图形的标刻；

第3步，采用轮廓扫描方法对单调多边形实行标刻；

第4步，再采用智能路径优化方法选取最优最短的扫描路径；

激光标刻路径自动分片轮廓智能扫描方法的调用流程如图1所示，在调用测试工程应用程序中导入待标刻的原始图元文件后，执行MultiRegiomDivide()函数并多次递归得到一系列的单连通区域图元，然后对每个单连通区域的图元进行凸剖分PolygomComvexDecom()，将带有凹点的单连通区域图形剖分为凸的单调多边形再进行标刻，最后对每个凸多边形执行Path()函数来得到实际的标刻路径，并对标刻路径进行智能优化。

二、多连通区域图形剖分

多连通区域的图形问题并不仅仅是把几个单连通区域的图形问题简单地加在一起，它还涉及到图形外轮廓与其内轮廓之间以及两个内轮廓之间的关系的如何处理的问题，方法较难实现因为存在着很多不确定因素，所以要把它剖分成单连通区域图形来进行标刻。

(一)选取轮廓关联矩阵

分层得到的截面轮廓是封闭的多边形，然而多边形的复杂程度却各不相同，有可能是一个或者多个多边形，多边形的形状可能是凸的也可能是凹的，多边形所包含的区域可能是单连通的也可能是多连通，然而多边形之间的关系却可以确定，要么是包含和被包含的关系要么是相互独立的关系，但是它们之间不可能存在交叉的情况。

针对截面图形的各个轮廓，通过分辨它们两两之间的位置关系来构造轮廓关联矩阵，假设某个截面图形上有m个轮廓，用变量T(i,j)(i和j互不相等且都是从1到m)来表示轮廓的包含关系，则有：

得到一个m×m阶的轮廓关联矩阵，根据得到的轮廓关联矩阵把截面轮廓划分为若干个可连轮廓组，可连轮廓组由一个外轮廓和它里面含有的下一层的若干个内轮廓构成，图2是截面轮廓分组后的轮廓图。

(二)可连轮廓组分片

得到可连轮廓组之后，接下来针对这些可连轮廓组展开分片，消除可连轮廓组的所有内轮廓使其成为仅含外边界构造的独立轮廓，倘若多边形的某些顶点刚好在它的外接矩形的某条边上，这样的顶点为该多边形的极值顶点，如果多边形的外接矩形的某一条边包含不止一个的极值顶点，选取当中Y坐标或X坐标值最小的那一点当作参考极值顶点。如图3所示，外接矩形的四条边上的极值顶点分为设为LeftU、RightU、HighU和LowU点，然后将可连轮廓组分片，分片后的每个区域都不再存在内轮廓区域，可连轮廓组分片的具体操作为：

第一步，计算可连轮廓组的数目M，若M等于0，那么分片到此为止，若M不等于0，就依照先后次序寻求多边形图形的首个可连轮廓组，其特征是最外面轮廓多边形的极值点的X坐标值是最小的，若存在不只一个有相同的极小值点的轮廓，就在这些极小值点中选取Y坐标最大的点的轮廓作为首个可连轮廓组，记作SRc。在图4中，应该选取e作为首个可连轮廓组；

第二步，沿X轴正方向按照顺序寻求首个内轮廓所在的多边形EJS，其特征是X坐标值最小，倘若存在不只一个有相同的极小值点的内轮廓，就在求得的极值点中选取纵坐标值最大的那个点对应的轮廓组作为首个可连轮廓组，找到EJS的左极限点LeftU点和右极限点RightU点。如图4中，EJS应该选取A；

第三步，由LeftU点往左作一条水平直线，这条直线同内轮廓或外轮廓相交在某个点，保存这个点；

第四步，同理，从RightU点向右作一条水平线，如果该水平线和图形的其他内轮廓相交，则采用此内轮廓取代原来的EJS，采用它们的交点取代原来的LeftU点，同时寻到这个内轮廓的极大值点并用它取代RightU点，跳到第四步，如果不存在其他的内轮廓，则跳到第五步；

第五步，从新的RightU点往右作一条水平直线，这条直线同外轮廓相交在某个点，则保存这个点；

第六步，以LeftU点与RightU点的连线作为分界线把原来的可连轮廓组划分成上下两可连轮廓组，再按照位置关系将没有参加划分的内轮廓分别存入上下两可连轮廓组里面，然后去掉原来的SRc，转到第一步中继续执行，直到多连通完全划分为单连通。

在上述的第三步中，在第一次循环时，从LeftU点向左作一条水平线，该直线同多边形的外轮廓有交点，然而后面的循环里，该直线也许会同多边形的另外的内轮廓有交点，如下图5所示。

利用上述步骤对前面图2中的可连轮廓组进行分片，获得如图6所示的独立轮廓。多连通区域图元剖分流程图如图7所示，方法基本流程为：

流程一，进入函数里面之后，首先判定图组中所存储的环的个数，如果只有一个环，则直接进入标刻方法，不需要进行多连通区域图元剖分为单连通区域图元的处理，若有两个或两个以上的环，则需要把这个多连通区域图元剖分为若干个单连通区域图元；

流程二，最先处理内环中的第一个环，即找到该环x坐标最小点和最大顶点；

流程三，最小顶点向左做射线相交于外环，记下该交点，最大点向右做射线，如果该环的右侧有环(不是外环)则射线交于右环，然后找到右环的最大x坐标点再往右做射线，直到交于外环；

流程四，根据这些交点跟环的走势将多个参与相交的环分为上下二个新环，然后判断没有参与相交的环是否包含在新生成的两个环中，如果是则将该环与包含该环的新环作为一组；

流程五，最后进行不停的迭代，直至多连通区域完全被剖分为单连通区域。

三、凹多边形的凸剖分

凹多边形的凸剖分把前面所求的可连轮廓组经由分片后得到的单连通的轮廓全部剖分为单调多边形，若任意一条水平线穿过一个多边形与该多边形的有效交点不超过两个，符合这样条件的多边形为单调多边形。本申请采用凹连通区域的凸剖分过程根据顶点可见性来实现，具体的实现步骤为：

步骤一，寻找多边形中的凹点,假如多边形中不含凹点，就可以直接进行标刻，否则就把寻求出的凹点作为可视顶点；

步骤二，搜索可视顶点的可见点串CA、CB和CC；

步骤三，倘若CA不只包含一个凹点，且可视顶点也落在CA的某些个凹点的区域内，就把这些个凹点保存到集合CP里面；如果CA多个凹点，而可视顶点不在这些凹点的区域内，就将CA所有可见点保存到集合CP中；

步骤四，如果集合CP中只有一个顶点，就将它作为剖分点，否则就取CP中所有顶点的权值最小者作为剖分点；选取多边形区域凹顶点的角平分线上的点当作剖分点并用它引剖分线，这样获得的凸多边形的形状最佳；

步骤五，如果CA中没有剖分点，则选取CB区域中的最后一个点和CC区域的第一个点所组成的线段与区域A的平分线的交点作为剖分点；

步骤六，从凹点向剖分点引剖分线，根据多边形的走势将原来的图形剖分成两个崭新的小多边形，然后再进行反复迭代，直到将多边形中不含凹点。

如图8所示，凹多边形的凸剖分函数处理的基本步骤为：单连通图形在进入该函数之后，首先判断多边形中是否含有凹点，若不含凹点，则直接进行标刻填充，若含有凹点，先求得凹点跟凹点的前一点和后一点，根据这三点组成的两条直线将平面区域划分为四个区域，分别为CA、CB、CC和CD，在CA区域中寻找剖分点，若CA区域无剖分点，则选取CB区域中的最后一个点和CC区域的第一个点所组成的线段与区域A的平分线的交点作为剖分点，找到凹点跟剖分点之后，从凹点向剖分点引剖分线，根据多边形的走势将原来的多边形剖分成两个新的多边形，然后再进行反复迭代，直到将多边形内不再含有凹点，则凹多边形的凸剖分完成。对图2进行凸剖分后得到的单调多边形如图9所示。

四、单调多边形的扫描路径生成

经过凹单连通区域凸剖分之后，带有凹顶点的单连通区域图形就被剖分成了多个单调多边形，接下来采用普通的轮廓扫描方法对单调多边形实行标刻，单调多边形的标刻路径函数处理流程图如图9所示，基本流程为：

流程1，根据输入的环的点数判定是否结束程序，当点数小于三个时，无法构成闭合形状，程序结束；

流程2，当环的点数大于等于三个时，依次计算出距离相邻两点组成的线段的距离为标刻间距的平行线；

流程3，以计算出的紧密相连的各条平行线相交的点构成的轮廓当作下次循环的输入；

流程4，然后把此环保存到输出变量中，直至组成环的点数小于3个时，程序结束；

单调多边形的扫描路径生成具体的实现步骤分为：

步骤1，输进一个待扫描的原始多边形，如果不是一个多边形而是含有曲线的图形，就要将它拟合成一个多边形；

步骤2，用直径为2T的圆形结构元素沿图形移动产生图形各边的运动场区域，求解全体的运动场区域并集内两两相交后的外围闭合轮廓线的数目，将构成这些轮廓的点保存；

步骤3，判断这些外围轮廓线在原始多边形内部的条数M是否为零，如果是，则轮廓扫描结束，否则保留M，并使T自增，继续重复上述步骤。

单调多边形的扫描路径生成如图10所示。

五、智能路径优化

对于扫描过程中的路径进行智能优化，以缩短扫描线生成时间、减少跳转次数和总的跳转距离，智能路径优化又分为局部路径优化和图形全局优化布局。

(一)局部路径优化

各种图形分为首尾点重合的闭合图形和首尾点不重合的不闭合图形，加之图形的首尾点在图形位置选取上是随机的，这些都会影响局部路径优化，针对这些情况，恰当优化图形起始点位置能够提升局部优化效果。

(1)闭合图形选取起始点

闭合图形首尾点重合，图形起始点取图形中任意一点做为起始点，起始点的选取通过计算其跳转距离最短来得到。

在图形起始点未优化之前，起始点位置如图11(a)所示，跳转路径长度为54.03毫米，在对图形起始点优化之后，起始点位置如图11(b)所示，跳转路径长度为44.95毫米；

(2)不闭合图形起始点优化

不闭合图形起始点只能取其首点或尾点，而不能取图形其他点，故通过对比取首点还是尾点跳转距离最短来确定起始点。

在图形起始点未优化之前，起始点位置如图12(a)所示，跳转路径长度为43.93毫米，在对图形起始点优化之后，起始点位置如图12(b)所示,跳转路径长度为15.89毫米。

(二)图形全局优化布局

通过全局布局方法将所有图形顺序重新进行排列，使图形全局走向能逼近或达到全局布局有最佳效果，对各个待扫描图进行考察：当图形一左轮廓LeftU大于图形二左轮廓LeftU，图形一右轮廓RightU小于图形二右轮廓RightU，图形一上轮廓HighU小于图形二上轮廓HighU，图形一下轮廓LowU大于下轮廓LowU时，图形一和图形二存在包含关系，即图形一包含在图形二内。

智能路径优化的函数流程图如图13所示，方法基本流程为：

第(1)步：求解待扫描图形的X坐标值最小的点与最大的点以及Y坐标值最小的点与最大的点，把求得的这些点按照Y坐标极值HighU从大到小依次排列；

第(2)步：将所有存在包含关系的图形放到同一个图形集合M中，这样将所有图形划分为一个个图形集合，按照贪婪方法对图形集合M进行局部优化，重新排列M中图形顺序；

第(3)步：取所有图形集合的首图形(即外轮廓图形)按顺序放入图形集合W中；

第(4)步：对W中所有图形按分行规则分为多行，分行规则为：如果图形一上轮廓HighU大于等于图形二下轮廓LowU，即判定图形一与图形二为同一行，同时判定如果图形二下轮廓LowU大于图形一下轮廓LowU，将图形一下轮廓LowU值赋予图形二下轮廓LowU，即扩展图形二下轮廓，以便将更多的图形放入同一行；

第(5)步：对所有同一行图形按照图形左轮廓LeftU的大小，按照从小到大的顺序排列；

第(6)步：连接相邻两行图形按照尾首相连或尾尾相连(连接方法按照哪种连接路径最短)；

第(7)步：将图形集合M中的其他图形加入到各自外轮廓图形之后,对图形根据局部优化方法进行局部优化，最终得出图形的整体布局路径。

按照上述步骤得到的图形的整体布局路径如图14所示，粗线条表示图形轮廓路径，细线条表示跳转路径。

六、实验结果分析

针对本申请方法，主要做了两类对比测试：一类是分片轮廓扫描与行扫描的对比测试，另一类是本申请的智能路径优化与原有的智能路径优化的对比实验。

(一)测试指标说明

1.方法衡量指标：

(1)填充线生成时间：表示对图元进行填充时生成填充线的时间；

(2)路径计算时间：表示方法在标刻过程中计算扫描路径所耗用的时间；

(3)PT生成指标：表示填充线生成时间和路径计算时间之和。

2.计算结果指标：

(1)跳转次数：在进行标刻时，如果标刻路径段超过了一定的长度或遇到连接中断的路径时就将引发一次光笔的跳转，而跳转的次数愈多表示方法耗费的时间就愈多；

(2)跳转距离：在跳转过程中的那段距离，跳转距离与耗时成正比，当跳转距离小于1毫米时可忽略不计；

(3)QT(方法质量评测时间)：跳转延时的时间和跳转时间之和，采用下面的计算式求解：

跳转延时＝跳转次数×340/1000(单位是毫秒)

跳转时间＝跳转距离/跳转速度×1000(单位是毫秒)

QT＝跳转延时(ms)+跳转时间(ms)。

(二)分片轮廓扫描和行扫描的对比实验

本申请适用的对象包括各种单连通区域图形和多连通区域图形，比如数字、英文字母、复杂文字、条形码、各种图元的混合图形以及标准测试PLT图元文件，以下对简单图元、复杂组合图元及标准PLT图元文件等对象进行了分片轮廓扫描和行扫描的测试对比实验，从主观效果和客观指标两方面对实验结果作对比与分析。

(1)主观质量

对四个字组成的简单图元进行了分片轮廓扫描与行扫描得出，本申请方法克服了Voronoi图剖分扫描法的对单连通区域对象和多连通区域对象的处理方法无法统一的不足，能够同时处理单连通区域图元和多连通区域图元并且扫描效果清晰工整美观。

由图15可以看出，这个图元不仅包含了单连通区域图元和多连通区域图元，而且还有直线图形与曲线图形以及两种条形码，这就表明本申请方法可以克服三角剖分扫描法和基于数学形态学的扫描法处理的对象都只能是多边形而不能是曲线类图形的这一缺点。本申请方法还能够对标准测试PLT图元文件进行扫描，其分片轮廓扫描和行扫描的效果及对比图如下图16所示。

(2)客观指标对比

对上一部分给出的简单图元、复杂组合图元及标准PLT图元文件的测试指标进行对比看出，本申请的方法相比于行扫描方法，具有更短的扫描线生成时间，其跳转次数大约是行扫描的3/5倍，跳转总长度大约是行扫描的1/5到1/4，而且图元越复杂，本申请方法所呈现出的优势就越大。同时还针对不同的尺寸的同一图形进行了对比测试，着重对比了扫描线的生成时间：当测试图很小的时候，在计算扫描路径这一步骤上面，本申请方法效率和行扫描效率差别不是很大，但对于放大后的图元，本申请方法在路径计算这一步骤的耗时要明显低于行扫描的耗时，扫描路径的计算效率分别提升了28％和52％，同时图元愈大，提升的幅度愈显著。

(三)本申请智能路径与原有路径的对比实验

本申请的智能路径优化是在原有的质量路径优先方法和计算速度优先方法的基础上改进的，在保证标刻质量的前提下大幅地提高了标刻的速度。针对图16中的标准测试PLT图元文件，分别进行了本申请智能路径优化与原有路径优化在加填充线和未加填充线的情况下的图形测试对比试验，其实验结果可以看出，本申请的智能路径优化比现有两种智能路径优化具有更快的速度，在保证跳转次数和跳转总距离远小于计算速度优先的方法时，其扫描路径生成时间却是它的的5到6倍，虽然本申请方法的跳转次数和跳转总长与质量路径优先方法差不多，但是本申请方法的速度却能达到它的的几十倍甚至几百倍，具体数字因测试图形而异，由此得出，本申请的智能路径优化在保证了跳转次数和跳转总距离尽量小的情况下，大幅地缩短了路径生成时间，提升了标刻的速度和效率，而且图形越复杂，提升效果越明显。