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钻石原石计算机辅助设计系统的研究

余悠  
【摘要】:钻石具有优秀的光学特性和物理特性,摩氏硬度达到天然矿物的最高等级10,折射率为2.417左右,色散值高达0.044.这些物理特性,让钻石成为了当之无愧的宝石之王。但是,钻石并不是一开采出来就展示了其全部的美丽,只有经过琢磨加工的钻石,才能完全展示出它的特征,实现钻石所特有的亮光、火彩与闪烁。 钻石的开采和加工历史久远,最早始于印度,大约在14世纪传入欧洲的威尼斯、布鲁日、佛兰德、安特卫普等地。在不同时期、不同的区域,钻石的加工方式也从纯手工到机械化、自动化,逐渐的变迁。但不论是哪个时期,钻石加工的基本原理都是类似的,即用钻石琢磨加工钻石,通常有磨、劈、锯、车等工艺过程。 钻石原石的设计是钻石加工流程中最为重要的一个环节,它关系到一枚钻石原石的最终产出成品质量。传统工艺流程中通过人工的方式对钻石原石进行设计,虽然简单可行,但是,这一工序不仅需要经验丰富的师傅,也会由于师傅的微小差异而导致钻石成品率的下降。“钻石原石计算机辅助设计系统”借助于计算机的三维图像、高速运算和高准确度,更加直观地观察设计的效果,计算出成品率,判别设计的优劣,从而提高钻石原石设计的效率,对钻石的加工生产具有重要的意义,受到钻石加工业的欢迎。目前,国际上只有少数机构,如以色列的Sarin,美国的OGI,掌握了钻石原石计算机辅助设计的技术,我国的钻石加工企业只能通过高昂的代价进口引进使用,制约了我国钻石加工业的发展。 1.传统钻石加工工艺流程的局限与不足。 钻石原石的形态通常都是近似的八面体或者其他不规则形状,在八面体方向({1,1,1})有完全解理发育,对钻石原石的设计,涵盖了切割面方向设计、切割数量设计、成品钻石琢型选择、包裹体位置、避开解理面等多重复杂因素的考量。在传统的钻石加工工艺中,人们通过加工者的丰富经验,借助简单的工具,对钻石原石进行切割方案的设计,并手工在钻石上做设计标线来指示原石的劈开方向、台面位置、包括体位置等,然后再进入后续的加工环节。 因几乎完全依赖于人们的经验,即便是经验十分丰富的切磨工匠,在面对一枚形状不规则的钻石原石的时候,仍然不可避免的会产生较高的损耗比例。其次,对于一些形状规则的晶体,如生长较好的八面体,经验丰富的工匠尚可以在较短的时间内完成方案设计,但对于较大的晶体,或者形状较为不规则的晶体,则需要工匠反复的研究和设计,甚至是制作1:1的晶体模型来模拟后续的切磨流程,其过程非常的冗长。此外,不同方案之间难以比较:虽然在设计阶段可以产生多套切割设计方案,但最终只能选择一种方案来实施。一种方案的最终效果,只有在后续加工流程全部完成之后,才可通过4c分级等评估模式进行可量化的衡量,因而无法对其他未被采用的设计方案进行横向比较。 此外传统钻石加工流程还存在成本过高的问题:因设计流程的限制,需要较多的工人工作较长的时间,因此所需要的人工成本很高;受计算精度和人工经验不足的限制,造成的损耗率相对较高,进而增加了成品钻石所附加的原始成本。 2.钻石原石计算机辅助设计系统的国内外研究现状: 近年来以计算机技术为代表的高科技新技术发展迅速,一些新的方法与设备逐渐被引入到了宝石加工的环节当中来。钻石作为宝石之王,自然备受关注,不论是钻石的鉴定、评估、研究,还是加工与开采,都能看到新型设备以及现代技术的身影。“钻石原石计算机辅助设计系统”是一种计算机辅助设计(Computer-Aided Design,CAD)系统,它发挥了计算机高运算速度、高计算精度的特点,自动、精确的构建钻石原石的三维模型,并能快速辅助设计者设计出符合工业生产要求以及成品价值最大的切割方案。作为一种方便有效的设计手段,钻石原石的计算机辅助设计激发了珠宝行业的研究兴趣,并在以色列、美国等国家率先研发出了适合工业应用的产品,这些产品有些已经在珠宝行业内得到了应用,如OGI公司Scanox Marker HD和以色列Sarin公司的设备"DiaExpert"等。而国内由于计算机技术和宝石学研究的起步都较晚,近年来仍然没有在原石的计算机辅助设计上进行相关的科学研究。目前国外虽然已有相对成熟产品出现,但在测量精度、使用方便性上仍然有一定的不足和改进空间。 3.对钻石原石的快速三维重建进行的研究: 三维重建是钻石原石计算机辅助设计的核心功能,需要首先对钻石原石进行高精度、高速度的三维重建之后,才可对其进行计算机辅助设计。三维重建虽然在医学cT扫描、文物扫描等其他学科领域有了成熟和广泛的应用,但在宝石学研究方向上,却没有针对宝石研究特点而开发的三维重建方式。作者对钻石原石的特点进行了广泛的研究分析,针对钻石原石对三维重建的方式进行了优化与重构的研究: 首先研究了基于windows.net平台下的图形学程序模块,并用C#语言开发了基本的图形程序库;引入C#平台下的OpenGL库CSGL并对其进行了拓展与封装。本课题的三维显示部分均是使用拓展的CSGL类库。 研究了基于面识别的三维重建方法。介绍了半边数据结构以及以半边数据结构为基础的三维模型表现方法,并编写了多面体欧拉操作的程序,用于快速构建三维模型。介绍了自主研发的转台图像采集平台以及用该平台实现关键面的自动识别方法,并结合半边数据结构,编写了基于面试识别的三维重建模块。 研究了非多面体(即钻石原石等不规则物体)的三维重建方法:主要通过DEXEL射线数据结构来存储物体的三维空间信息;介绍了DEXEL数据结构的优点与特点,编写了DEXEL射线模块的程序代码,包含DEXEL三维模型的布尔运算函数、DEXEL射线的三维模型数据累DexelData, DEXEL射线与普通多面体的相交算法、DEXEL射线sTL格式的相互转换问题等。以及与此相关的辅助运算模块;研究了通过转台图像采集平台进行图像的采集与分析;研究出针对钻石晶体形态特点的“隧道”包围三维重建的方法,并运用于基于DEXEL射线数据结构的三维模型中,实现对钻石原石的计算机快速三维重建。 4.基于约束条件下的钻石原石最优切割方案算法: 成品钻石与钻石原石虽然都是多面体,但因成品钻石所具有的对称性要素,以及钻石原石加工流程中的一些经验原理,论文对约束条件进行了分析、总结与汇总,并对各个条件数字化和公式化,使其在程序运算过程中作为降低运算自由度的要素出现,减少计算机处理器(CPU)的工作运行时间,提升运算效率。 钻石的晶体主要分为:规则晶型、变形晶型、劈理晶型、双晶、薄片、六边形等几大类,在实际加工过程中,遇到的大多数晶体都是八面体或者其他规则晶型,以及一部分的随形钻石晶体块。这些主要的形态,绝大多数属于凸多面体,即无光学死角或者光学死角较小,对三维重建的整体效果影像不大。因绝大多数钻石原石都具有大块的晶面以及一部分不规则区域,因此在三维重建阶段,采用DEXEL模型记录其整体三维数据,同时用基于面试别的三维重建算法,记录其主要的晶面。 约束的条件主要包括圆明亮琢型的特点,包括8次旋转对称特性、冠角与亭角范围通常不超过20-40度、亭深与冠高相对于钻石半径的常见比例范围、八面体钻石晶体在传统钻石加工流程中的经验公式、不同尺寸钻石原石基于人工经验的预设切割方案等。并提供了可选的人工干预模式,即操作者可优先根据自身的经验,快速将切割面确定在一个较小的三维空间内,那么程序就可以只在该空间内进行的自由度的搜索运算模式,得出优质的局部最优解。 研究了“触探渐进式局部搜索算法”:介绍了基于缩放、旋转和平移的最大包含物算法,研究了一维、二维、三维空间中最优解算法的机理,并针对钻石原石及成品钻石的形状特点优化了该算法和编写了相关的计算机程序;研究了局部最优解与全局最优解的原理和局部最优解的跳出机制,避免了程序算法在非全局最优解的局部最优解中结束运算。 5.钻石原石计算机辅助设计系统的上位机程序: 数据与运算模块作为程序的底层实现,发挥着重要的作用,他们在程序后面完成各个运算逻辑,并返回运算结果。数据与运算模块的研究包括:三维模型数据模块、图像处理数据模块、三维重建模块、最优解算法模块与其他辅助运算模块等。作者对这些模块进行了程序封装,使其能应用于不同的场合中。 图形用户界面模块:(Graphic User Interface,GUI)是重要的人机交互模块,通过GUI模块,用户可以在计算机显示器上通过鼠标与键盘的操作,控制程序的运转和指挥硬件设备的动作。作者为人机交互编写了丰富和易操作的图形用户界面系统,提供图形化的友好操作方式。主要编写了钻石原石辅助设计系统的综合操作模块、钻石琢型编辑器、摄像头视频图形预览窗口、基于关键面识别的三维重建操作窗口,以及若干测试模块,包括多面体切割实验模块等。 6.钻石原石计算机辅助设计系统的下位机模块: 使用51单片机拓展版与STC89C52单片机作为核心的IO操作单元,设计了特殊格式的I/O输入输出指令,以指令为基础搭建了上位机与硬件设备通信的桥梁。上位机程序通过发送指定格式的字符串到单片机程序中,单片机程序可解析字符串指令的合法性,并根据指令传输不同的内容到硬件设备中,控制步进电机、激光器等设备的运转。硬件设备在运转过程中会产生状态参数,单片机系统能够通过电频信号获取这些状态参数,并通过串口返回给上位机,上位机程序可以根据需要获取硬件设备的运行状态。 7.可选择多种切割方案的设计模式: 原石加工方案并不唯一,同一枚钻石晶体,即可以用来加工圆明亮琢型,也可以是其他异型琢型,或者将钻石台面选取在不同的方向上。传统的钻石加工流程中,因为加工过程的不可逆性,一个设计方案只有在产出成品之后才能评估该方案的质量,因此很难在设计阶段就对各种方案进行量化指标的考核。而计算机程序则可以在设计阶段模拟成品钻石的切割,并计算出成品产出率以及钻石原石的损耗率,方便设计多种切割方案,并将他们进行量化指标考核。在计算机程序内进行多方案的选择,加工者可以直观的比较多种加工方案的优缺点,并选择符合预期的切割方案,进行后续的操作。多方案的设计模式,是对基于约束条件的钻石原石最优切割方案的拓展,使切割目的可以不限制在圆明亮琢型上,如祖母绿琢型或者其他花式琢型等。 综上所述,本课题研究了钻石原石的自动设计模式,开发了钻石原石计算机辅助设计系统的下位机模块和整体硬件模块,编写了上位机程序,包括底层运算程序模块以及图形用户界面系统。该课题的研究目前处于国际先进,国内领先,能有效的解决国内钻石加工行业的需求,提供可操作的解决方案。


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