一种动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统和方法
专利汇可以提供一种动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统和方法，系统包括 激光器 、 控制器 、人头像摄取装置、指纹采集仪、扫描光学系统及 计算机系统 。首先通过电脑输入卡证身份人的基本信息和由 数码相机 、指纹采集仪身份人头像、指纹等个性化信息，然后通过 软件 系统处理成一定的格式和大小的8位灰阶图像，生成含个人信息的二维码，自动合成卡证的雕刻信息文件，最后由电脑控制激光器的 开关 信号 、激光脉冲的强弱或长短及X、Y两维振镜扫描系统及F－Theta扫描聚焦透镜得到聚焦光束在卡证材料上 刻蚀 ，实现卡证的快速、防伪制作。本发明具有结构简单、体积小、寿命长及不需要 水 冷等特点，可制成便携式，具有实时制作和不易模仿的特点，适用于社会信息管理、出入境、社保等办公系统使用。，下面是一种动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统和方法专利的具体信息内容。
1.一种动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统，包括激光器、控制器、扫描光学系 统和计算机系统，其特征在于，所述的扫描光学系统由准直透镜、XY两维振镜 扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜组成；激光器采用高重复频率半导体泵浦全固 态激光器；所述的计算机系统还包括人头像数码相机、指纹采集仪；由人头像数 码相机摄的身份人的头像图像、指纹采集仪采集身份人的指纹及二维码个性化信 息输入到计算机中，由计算机控制半导体泵浦全固态激光器的开关信号、激光脉 冲的强弱或长短及X、Y两维振镜扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜得到聚焦光 束在卡证材料上刻蚀，实现卡证的快速、防伪制作；所述的计算机系统还包括：
a)卡证个性化信息输入模块：用于卡证身份人的头像、指纹图像和二维码的 个性化信息输入；
b)图像数据预处理模块：消除数码相机成像和指纹采集过程中引入的显微 图像噪声；改善由于欠曝光、过曝光引起图像模糊、失真、不清晰的效果；
c)图像格式转换与缩放处理模块：实现数码相机所摄取的图像转化为激光 雕刻机所识别的图像，以实现卡证制作过程信息的兼容性，缩放处理是为 了满足特定雕刻区域所要求的图像尺寸，用图像处理实现图像无失真大小 变换，满足图像的尺寸要求；
e)图像加网模块：实现图像调频加网技术，目的是卡证制作过程中，将灰 阶图转化为二值图像并对图像的像素布局进行调频处理，使卡证的质量得 到优化、提高打标速度，主要采用RIP技术实现灰阶图的半色调处理；
f)卡证信息与格式合成处理模块：根据输入的个性化图像信息和基本卡证信 息生成卡证雕刻的格式文件，控制激光雕刻机在给定的卡片上雕刻。
2.一种由上述系统实现的动态灰阶图卡证激光雕刻制作方法，主要包括下列步骤： 1)启动系统进行初始化，利用灰阶板对灰阶雕刻系统进行测试并对结果进 行综合分析，提示调整参数并显示检测结果，并退出测试系统；
2)信息输入：输入卡证身份人的基本信息和由计算机控制输入卡证身份人 的个性化图像信息包括人头像、指纹及二维信息码；
3)对输入的图像进行格式转换与缩放处理：通过图像格式转换与缩放处理 模块将数码相机所摄取格式为JPG图像转化转化为灰阶图像并扩缩成卡 证要求的图像尺寸大小；
4)对输入的图像信息进行预处理：通过图像数据预处理模块，采用中值和 均值滤波像结合的算法，包括对消除数码相机成像和指纹采集过程中引 入的显微图像噪声和由于欠曝光、过曝光引起图像模糊、失真、不清晰 的效果进行处理；
5)进行图像的调频加网处理：通过图像加网模块，采用一种基于自适应误 差扩散调频挂网方法，对二值化像素在图像中的布局进行调频处理即： 进行灰阶图的半色调处理，使图像能根据要求兼顾雕刻速度与质量的关 系，实现卡证制作优化；
6)进行卡证信息合成处理生成控制激光雕刻机雕刻的卡证格式文件；
7)根据生成的卡证制作文件，由计算机精确控制光纤激光器激光脉冲的强 弱、X、Y两振镜扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜得到聚焦光束在卡证 材料上进行快速刻蚀，进行卡证生成；
8)根据要求判断是否需要再次雕刻制作同一卡证，若是并返回步骤7)；
9)是否需要继续卡证制作，若是并返回步骤2)，否则退出制作系统。
3.根据权利要求2所述的动态灰阶图卡证激光雕刻制作方法，其特征在于，用 软件方法制作标准的灰阶板，其灰度级从0-255共256级。
技术领域
本发明属于激光精细加工技术应用领域，它涉及一种动态灰阶图卡证激光雕 刻制作系统和方法。
背景技术
科技的飞速发展，伴随着社会的消费力的攀升，人像证卡经历了厂房里大规 模的印刷到街头各种形式的卡证专营店的制作变革，都显示了人们消费需求逐渐 转变为个性化和特色差异化。人像卡证制作是为一个应用领域非常广泛的产业， 如何在卡证的制作实现美观、个性化及具有防伪特性，一直是卡证制作技术追求 的目标。将激光精细雕刻技术应用于卡证制作是激光标刻应用的一个重要的发展 方向。基于灰阶图像的卡证制作在形成新产品时，首先侧重于产品设计一种美观、 富有视觉冲击力的效果，其次要求其带有个人身份个性化信息的防伪措施的独特 性。例如，为了增强卡证本身的易识别和防伪特性，要求卡证图案清晰、逼真、 层次分明、高分辨率。此外，还要满足行业产业化、市场竞争要求，即市场反应 速度，也就是卡证制作速度、时间和总体质量。为了达到和面对新的市场竞争格 局，本发明提出了一种灰阶图激光卡证制作系统和方法，它可以快速实现卡证的 防伪和个性化快速制作，该技术对加快发展具有我国自主知识产权的激光数码全 息卡证制造产业，共同开拓市场前景非常广阔的全息卡证制作产业和应用市场具 有重要的意义。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动态灰阶图卡证激光雕刻 制作系统，包括激光器、控制器、扫描光学系统和计算机系统，其特征在于，所 述的扫描光学系统由准直透镜、XY两维振镜扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜 组成；激光器采用光纤激光器；所述的计算机系统还包括人头像数码相机、指纹 采集仪；由人头像数码相机摄的身份人的头像图像、指纹采集仪采集身份人的指 纹及二维码个性化信息输入到计算机中，由计算机控制光纤激光器的开关信号、 激光脉冲的强弱或长短及X、Y两维振镜扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜得到 聚焦光束在卡证材料上刻蚀，实现卡证的快速、防伪制作；所述的计算机系统还 包括：
a)卡证个性化信息输入模块：用于卡证身份人的头像、指纹图像和二维码的 个性化信息输入；
b)图像数据预处理模块：消除数码相机成像和指纹采集过程中引入的显微 图像噪声；改善由于欠曝光、过曝光引起图像模糊、失真、不清晰的效果；
c)图像格式转换与缩放处理模块：实现数码相机所摄取的图像转化为激光 雕刻机所识别的图像，以实现卡证制作过程信息的兼容性，缩放处理是为 了满足特定雕刻区域所要求的图像尺寸，用图像处理实现图像无失真大小 变换，满足图像的尺寸要求；
e)图像加网模块：实现图像调频加网技术，目的是卡证制作过程中，将灰 阶图转化为二值图像并对图像的像素布局进行调频处理，使卡证的质量得 到优化、提高打标速度，主要采用RIP技术实现灰阶图的半色调处理；
f)卡证信息与格式合成处理模块：根据输入的个性化图像信息和基本卡证 信息生成卡证雕刻的格式文件，控制激光雕刻机在给定的卡片上雕刻。
一种由上述系统实现的动态灰阶图卡证激光雕刻制作方法，主要包括下列 步骤：
1)启动系统进行初始化，利用灰阶板对灰阶雕刻系统进行测试并对结果进 行综合分析，提示调整参数并显示检测结果，并退出测试系统；
2)信息输入：输入卡证身份人的基本信息和由计算机控制输入卡证身份人 的个性化图像信息包括人头像、指纹及二维信息码；
3)对输入的图像进行格式转换与缩放处理：通过图像格式转换与缩放处理 模块将数码相机所摄取格式为JPG图像转化转化为灰阶图像并扩缩成卡 证要求的图像尺寸大小；
4)对输入的图像信息进行预处理：通过图像数据预处理模块，采用空域滤 波的中值和均值滤波像结合的算法，包括对消除数码相机成像和指纹采 集过程中引入的显微图像噪声和由于欠曝光、过曝光引起图像模糊、失 真、不清晰的效果进行处理；
5)进行图像的调频加网处理：通过图像加网模块，采用一种基于自适应误 差扩散调频挂网方法，对二值化像素在图像中的布局进行调频处理即： 进行灰阶图的半色调处理，使图像能根据要求兼顾雕刻速度与质量的关 系，实现卡证制作优化；
6)进行卡证信息合成处理生成控制激光雕刻机雕刻的卡证格式文件；
7)根据生成的卡证制作文件，由计算机精确控制光纤激光器激光脉冲的强 弱、X、Y两振镜扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜得到聚焦光束在卡证 材料上进行快速刻蚀，进行卡证生成；
8)根据要求判断是否需要再次雕刻制作同一卡证，若是并返回步骤7)；
9)是否需要继续卡证制作，若是并返回步骤2)，否则退出制作系统。
本发明的有益效果：激光雕刻人像卡证，解决关键的问题是“防伪识别安全 机制”，卡片上的防伪技术，不单是指卡片的表面的防伪设计，而且实现本体综 合一体化的防伪技术。本发明所述的方法，不仅可以在输出设备分辨率较低的激 光雕刻机下，实时快速地实现卡证高质量的制作，而且采用该方法制作的卡证还 能实现视觉防伪和仪器识别防伪，满足社会对卡证制作高质量的技术要求。
附图说明
图1为动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统结构原理图；
图2为计算机系统软件框图；
图3为动态灰阶图卡证激光雕刻制作方法流程图；
图4自适用动态误差扩散过程示意图；
图5双向扫描方法示意图。
具体实施方式
由图1所示，一种动态灰阶图卡证激光雕刻制作系统，包括激光器1、控制 器2、扫描光学系统和计算机系统3，其特征在于，所述的扫描光学系统由准直 透镜4、XY两维振镜扫描系统5及F-Theta扫描聚焦透镜6组成；激光器采用光 纤激光器；所述的计算机系统还包括人头像数码相机7、指纹采集仪8；由人头 像数码相机7摄得身份人的头像图像、指纹采集仪8采集身份人的指纹及二维码 个性化信息输入到计算机系统3中，由计算机控制光纤激光器1的开关信号、激 光脉冲的强弱或长短及X、Y两维振镜扫描系统5及F-Theta扫描聚焦透镜6得 到聚焦光束在卡证材料上刻蚀，实现卡证的快速、防伪制作。由图2所示，所述 的计算机系统还包括：卡证个性化信息输入模块、图像数据预处理模块、图像格 式转换与缩放处理模块、图像加网模块和卡证信息与格式合成处理模块。
由图3所示，在系统进行初始化，进行卡证灰阶雕刻测试并对结果进行综合 分析，显示，智能化提醒是否要进行系统调整。在系统输入卡证身份人的基本信 息后，由计算机控制输入卡证身份人的个性化图像信息包括人头像和指纹等，并 进行图像的格式转换及图像灰度化处理。为了消除数码相机成像过程和指纹采集 过程中引入的图像噪声和改善由于欠曝光、过曝光引起图像模糊、失真、不清晰 的效果，对输入的图像信息进行预处理，并进行无失真大小缩放处理，满足特定 卡证雕刻区域所要求的图像尺寸。其次对图像进行调频加网处理。采用RIP技术 实现灰阶图的半色调处理，使图像能根据要求兼顾雕刻速度与雕刻质量的关系， 对图像的像素布局进行调频处理；最后进行卡证信息合成处理，生成控制激光雕 刻机雕刻的卡证格式文件；根据生成的卡证制作文件，由计算机精确控制光纤激 光器激光脉冲的强弱、X、Y两振镜扫描系统及F-Theta扫描聚焦透镜得到聚焦 光束在卡证材料上进行快速刻蚀，进行卡证生成。在卡证的制作过程中，首先在 软件系统界面上输入卡证身份人的基本信息，再由计算机控制图像获取设备在预 先设定的位置摄取人头图像和指纹等个性化信息，并输入到计算机中。由于成像 环境和条件的不同，从图像的获取、传输到处理的各个环节都会有噪声的干扰。 因此在对图像进行处理前必须对图像进行滤波预处理，它是进行卡证高质量制作 的前提和保证。由于频域滤波是通过滤掉图像的高频成份而去掉噪声，它在去除 噪声的同时也会丢失图像的细节信息，使图像变模糊，另外频域变换运算量较大。 所以在这里采用空域滤波的均值和中值滤波相结合的方法对图像进行预处理，去 除图像的噪声。
均值滤波是最常用的一种线性滤波方法，由于线性滤波的缺点是在降低噪声 的同时也模糊了整个图像，特别是图像的边缘和细节，因此直接使用均值滤波不 利于边缘的提取。本发明提出一种改进的均值滤波的算法对图像进行处理。
一般来说均值滤波是依次取操作像素点邻域的均值而使图像模糊，如果我们 不取均值而是有条件的保留原来像素点的值，即只有当像素点的值比邻域均值大 于某一阈值时，才取邻域均值为该点的值，否则该点的值保持不变，这样图像就 不会模糊又去除了噪音。
同样的，由于中值滤波取其滤波窗口内经过排序后的中间像素的值，而与原 来像素点的值没什么必然的联系。所以如果图像中某些细节，排序后在图像中将 会没有像素点排在中间，那么滤波后这些细节就会被腐蚀甚至消失。所以我们在 进行中值滤波操作时先设一个阈值，当只有该点的值与邻域中值的差大于阈值时 才取邻域的中值，否则就保留该点的值。这样的话，如果是噪声点，它和邻域的 中值就会相差较大，就可以把它去掉。对卡证的个性化信息，邻域中还有细节本 身的点，所以邻域的中值和该点的值就不会相差太大，只要我们设置合适的阈值， 就可以保留该点的值，而使处理后的图像既滤除了噪声又保证了图像的清晰和层 次丰富。
由于灰阶图像激光雕刻涉及方方面面的工艺和技术，为了对系统进行测试和 评判不同灰度像素点的激光雕刻效果，在系统中用软件的方法制作了标准的灰阶 板，其灰度级从0-255共256级，且系统软件能对灰度板的大小根据所需比例进 行缩放，满足卡证制作前对系统的测试和调整要求。
在图像的预处理过程中，考虑到数码相机拍摄的像片均为彩色影像，成像系 统及拍摄过程环境对图像会有影响，如偏色、欠曝光、过曝光及图像反差及直方 图分布不均衡等，本发明所提出的软件处理系统对图像进行转换成标准的8bit 灰阶图后，编制灰阶图的点运算算法，能实现图像的灰度线性变换、窗口灰度变 换、灰度拉伸及灰度均衡等，改善8bit灰阶图的质量，使图像处理能达到明显 改善由于欠曝光、过曝光引起图像模糊、失真、不清晰的效果。
对于激光雕刻的二值设备，所处理的图像均为二值图，为了提高卡证的制作 速度和质量须用加网的方法对其处理。调幅网与调频网点各有其优缺点。调幅网 点由于自身具有一定的网点大小和特定的规则网，因此在实际图像半色调处理 中，图像色调的再现很有规律，不会产生纹理，雕刻的图像显得很干净，尤其对 于中间层次的表现尤为突出，但是也正是由于其具有网目数和网角的特性，在实 际处理中，不同网角，以及网目数略有差异的半色调图像如果相互叠加就会很容 易产生光学上的干涉现象，称为“龟纹”或“撞网”，同时调幅网点由于也具有 网点形状的特性，在连续图像灰度层次变化的过程中，网点形状也会随着网点大 小的变化而变化，很容易造成连续灰度层次的跳变和丢失现象。这些常见的“龟 纹”与层次跳变现象在实际应用中都是尽量避免和不允许发生。
而对于调频网点，由于调频网点的网点大小固定(一般是输出设备像素点大 小，无网目数)，网点分布是随机抖动性的，因此它完全避免了调幅网点所特有 的“龟纹”和层次跳变的弊端，但是随之而来会产生另外一些问题，主要体现在 随机网点的分布特性上，由于调频网点的分布是完全随机的，对图像具有锐化的 效果，在连续调图像的中间层次上容易产生随机效应的纹理，而在浅调层次和深 调层次上会产生“蠕虫”纹理，这些纹理是随机性所难以回避的，同时由于调频 网点的点子大小大多数情况下是单个物理设备点，因此，在输出物理设备状态不 好的情况下，很容易丢掉网点，尤其在浅调和深调层次上，调频网在层次再现上 就会丢失层次，无法很好的还原图像。针对这些特点本发明提供一种基于自适应 误差扩散调频挂网方法。该方法能够在输出设备分辫率较低的情况下，也能有效 地解决了网点层次容易丢失的问题，并能同时降低因随机分布特性所带来的纹 理，因而可以使激光雕刻的半色调图像充分表示灰度层次丰富的灰度图像。
利用传统的误差扩散方法，获得的抖动图像在阶调再现以及分辨力方面都比 较满意，灰度过渡比较自然，但也存在以下缺点：在50％网点附近出现龟纹；和 处理方向有关的滞后现象出现在高光和暗调部位；界面和边界部位出现过渡和伪 轮廓现象。分析其中的原因，发现传统的误差分散算法采用FS滤波器系数把量化 误差按照固定的比例进行分配，而固定的误差系数容易造成图像的细节损失、图 像畸变、图像颗粒度增加等现象，这样忽略了图像的轮廓信息，容易导致伪轮廓 的产生。因此本发明从改变滤波器的特性上进行设计，根据图像像素的变化，动 态地改变滤波器的比例分配系数，提出了一种自适应的动态误差扩散算法。
该算法的实质与误差扩散法是一样的，也是把当前的误差像素按一定的比例 分配系数扩散到相邻的像素上去，但是它的扩散系数是不断变化的，如图4表示 其扩散的过程，其中xm，n表示当前的灰度值，假如我们按照传统的误差扩散方法， 在当前灰度值的水平和垂直方向上误差扩散比例系数总是最大，如果xm，n的水平 邻像素xm+1，n和其垂直邻像素xm，n+1本来已经足够大时，如果再把大部分的误差扩 散到它们的上面去，这样就会造成伪轮廓，引起图像失真。本发明做如下处理：
e1＝|xm+1，n-xm，n|
e2＝|xm+1，n+1-xm，n|
e3＝|xm，n+1-xm，n|
e4＝|xm-1，n+1-xm，n| 其中e1，e2，e3，e4表示当前像素xm，n与其相邻的四像素xm+1，n，xm+1，n+1，xm，n+1， xm-1，n+1的差值绝对值，根据检测到的差值来分配各个方向上的扩散系数，差值最 大的方向采用最小的扩散系数，相反，差值最小的方向采用最大的扩散系数。假 如检测到e1≥e2≥e3≥e4，则取误差分散系数h(1，0)＝1/16，h(1，1)＝3/16， h(0，1)＝5/16，h(-1，1)＝7/16，这样就完成了自适应的动态误差扩散。
这里扫描原像素数据时，为避免由于扫描方向与随机分布的网点频率产生 干涉现象，采取双向扫描的方法，如图5所示。
在实施过程中，采用下列器材：
(1)数码相机型号为：300万像素以上的市售数码相机，Nikon 5400；
(2)指纹采集系统为：ck600指纹采集仪；
(3)激光器为：高重复频率、半导体泵浦固体激光器1064nm或532nm， 功率大于6瓦，高光束质量M2＜2；
(4)计算机系统：联想启天M4880(P4631 512s80VN(XP))处理器类型： Pentium 4 631标称主频(MHz)：3000配置内存容量(MB)：512硬盘容量： 80GB显示器类型：显示器尺寸：17英寸。
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