CN103473021B - 一种基于二维图像的三维打印系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维图像的三维打印系统和方法，系统包括三维自动重构模块、三维打印数据自动处理及交换接口模块和三维打印机。在不同位置的两台照相机拍摄或一台经过移动或旋转拍摄两幅同一场景的图像，获得图像对，然后系统通过对图像对中的特征信息进行提取，再根据对特征信息的计算，系统建立在图像对中两个图像的特征信息的对应关系，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应，最后系统根据匹配对应后的成像模型中的时差与深度的几何关系，对成像模型进行深度计算。本发明大大降低了人工成本和时间成本。且本方法实现方式简单且系统成本低廉，符合未来3D打印的发展趋势。

Description

一种基于二维图像的三维打印系统和方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其是指一种基于二维图像的三维打印系统和方法。

背景技术

在设计活动和设计成果充斥人们生活各个环节、各个领域的今天，设计的目的已经由功能实现转向艺术化、情感化、体验化生活方式的实现，设计活动已经成为大众化的活动。过去标准化的市场已经开始发生变化，个性化、定制式产品和服务的需求必将成为一种趋势，大批量的工业生产将退出某些领域。提供个性化、定制化的产品和服务使消费者更了解自己的需求。

以往的产品设计开发周期较为漫长，涉及到产品成本的投入、生产工艺条件的限制、产品质量控制等众多因素。3D打印技术改变了原来传统的机械制造手段，为设计者直接实现设计概念提供了十分便捷的途径，解决了单个产品生产的问题，使产品制造变得更为自由。虽然近年来现有的3D打印技术在基础硬件方面取得了很大的进展，但仍然存在着一些缺陷使其难以普及，如现有的三维建模软件对设计人员专业技能要求很高，普通人群难以掌握；同时，建立三维模型往往需要较长的时间，人工成本很高；此外，目前市面主流的三维建模工具并不支持3D打印机的直连打印，需要进行一系列的转换过程才能够完成打印成型工作。

中国专利公开号CN102982579A，公开日2013年3月20日，名称为“图像三维(3D)建模”的发明专利中公开了一种用于创建图像的三维模型的技术和系统。可以接收包括诸如沿路径的位置的一系列图像的图像数据。该图像数据可以包括第一图像元素的第一图像元素位置，其中第一图像元素位置可以对应于图像中的三维点，诸如图像中具有距离观察点的深度的位置。第一图像元素可以使用第一图像元素位置而被划分至第一立面平面。第一立面平面可以与第二立面平面相融合，生成图像的三维模型。第二立面平面可以包括第二图像元素，其中图像数据包括第二图像元素的第二图像元素位置。不足之处在于，该三维建模的过程较为复杂，且三维图像不能直接通过三维打印机打印。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中三维打印系统需要依赖三维建模软件，而三维建模软件对设计人员专业技能要求高，造成时间和人工的成本较高，且三维建模软件不支持与三维打印机直连打印的缺陷，提供一种基于二维图像的三维打印系统和方法，通过二维图像便可重构出三维立体图像数据，时间和人工的成本较低。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

一种基于二维图像的三维打印方法，基于三维打印系统，包括以下步骤：

第一步，在不同位置的两台照相机拍摄或一台经过移动或旋转拍摄两幅同一场景的图像，获得图像对；

第二步，系统通过对图像对中的特征信息进行提取；

采用边缘提取的方法来确定图像中所包含的特有属性，图像中的边缘就是图像中灰度信息明显和周围不同的一些像素点的集合。因此通过寻找图像中非连续的灰度信息来确定图像的边缘信息。寻找图像中非连续的灰度信息的方法为通过梯度算子来进行边缘检测，设一个连续的图像函数为f(x，y)，则该图像函数的梯度可表示成一个矢量：

$\▿\stackrel{\‾}{f}={[G_x,G_y]}^T={\left[\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δx}}\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δy}}\right]}^T$

幅度和方向角分别为：

$\▿f(x,y)=[{\left(\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δx}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δy}}\right)}^2]$

$\mathrm{\θ}(x,y)=\arctan \left[\frac{G_x}{G_y}\right]$

使用卷积模板来计算方向差分，不同算子对应不同的卷积模板。

第三步，根据对特征信息的计算，系统建立在图像对中两个图像的特征信息的对应关系，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应；

第四步，系统根据匹配对应后的成像模型中的时差与深度的几何关系，对成像模型进行深度计算，基于深度信息，得到环境的三维信息，进行三维重构；

对人类视觉系统的研究中可以知道，人类对于三维场景的识别时由于两只眼睛同时观察物体，由于双目之间具有视觉差异，这种差异信息经过大脑的处理就会还原出真实的三维场景，本发明中的三维重构即基于上述原理来进行三维立体模型的数据计算，其具体步骤包含三维坐标计算和深度图生成两个步骤。

三维坐标计算步骤：设点P和点P₁，P₂的坐标分别为(X，Y，Z)，(u₁，v₁)和(u₂，v₂)，则根据中心射影的比例关系可以得到P点的坐标为：

$x_1=\frac{b(u_0-u_1)}{u_1-u_2}$

$y_1=\frac{{\mathrm{ba}}_x(v_1-v_0)}{a_y(u_1-u_2)}$

$z_1=\frac{{\mathrm{ba}}_x}{u_1-u_2}$

深度图生成的步骤为：

设C₁，C_r分别为两张照片拍摄位置的光学中心位置，距离为b，照相机焦距为f，则由三角形相似定理可得到景深为

由此可以得到物体的三维坐标和景深，三维模型重构完成。

第五步，三维打印机根据三维重构得出的图像信息，进行三维打印。

作为一种优选方案，第二步的特征信息包括点、边缘、线条、角点和拐点。

作为一种优选方案，第三步的具体步骤为：

a.选择匹配特征；

选择匹配的特征包括特征点、边缘、块。

b.寻找正确的匹配出的图像特征的本质，使用图像之间的本质确定两个图像的匹配算法；

定义左右两幅图像为f_L(x，y)和f_R(x，y)，匹配模版为T，模版T的大小定义为m*n，设模版T在匹配过程中的覆盖区域为S_k，k为匹配次数。定义T与S_k之间差别的测度为：

$D(T,S_k)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[S_k(i,j)-T(i,j)]}^2$

当D(T，S_k)达到最小时，T与S_k达到最佳匹配。

c.根据匹配算法，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应。

作为一种优选方案，第五步的具体步骤为：将图像信息切片，切片后的图像信息转换到打印位图数据，打印机再将打印区域的位图数据进行排版，对彩色图像进行分色处理，最后打印机将图像三维立体打印成形。

一种基于二维图像的三维打印系统，包括三维自动重构模块、三维打印数据自动处理及交换接口模块和三维打印机，三维自动重构模块与三维打印数据自动处理及交换接口模块相连接，三维打印数据自动处理及交换接口模块和三维打印机相连接。三维自动重构模块用于接受普通用户或者平面设计师从不同角度对物品对象进行描述的平面图像信息(可以是照片，也可以是平面设计图)，经过一系列的转换后，构建出该对象物体的三维数据模型。三维打印数据自动处理及交换接口模块用于处理软件与3D打印机之间的数据交换过程，简化数据转换流程，实现三维建模软件与打印程序的直连。3D打印机，用于接受3D打印数据交换接口模块下发的数据，进行实物打印。

作为一种优选方案，三维自动重构模块包括图像获取单元、特征提取单元、立体匹配单元和三维重构单元，图像获取单元与特征提取单元相连接，特征提取单元和立体匹配单元相连接，立体匹配单元和三维重构单元相连接。本发明的有益效果是，通过二幅二维平面图像便可转换为三维立体图像数据，三维立体图像数据可通过数据接口实现快速三维打印，大大降低了人工成本和时间成本。且本方法实现方式简单且系统成本低廉，符合未来3D打印的发展趋势。

附图说明

图1是本发明的一种系统原理连接图；

图2是本发明三维坐标计算的示意图；

图3是本发明深度图生成的示意图。

其中：1、三维自动重构模块，2、三维打印数据自动处理及交换接口模块，3、三维打印机，11、图像获取单元，12、特征提取单元，13、立体匹配单元，14、三维重构单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

实施例：一种基于二维图像的三维打印系统，其系统原理连接图如图1所示，包括三维自动重构模块1、三维打印数据自动处理及交换接口模块2和三维打印机3，三维自动重构模块与三维打印数据自动处理及交换接口模块相连接，三维打印数据自动处理及交换接口模块和三维打印机相连接。三维自动重构模块包括图像获取单元11、特征提取单元12、立体匹配单元13和三维重构单元14，图像获取单元与特征提取单元相连接，特征提取单元和立体匹配单元相连接，立体匹配单元和三维重构单元相连接。

3D打印数据自动处理及交换接口模块主要包括以下处理过程：

(1)切片：基于STL文件切片模块；

(2)数据处理：具有切片模块到打印位图数据的转换，打印区域的位图排版；对于彩色打印还需要对彩色图像进行分色处理；

(3)工艺规划：具有打印控制方式，打印方向控制等模块；

(4)安全监控：设备和打印过程故障自诊断，故障自动停机保护。

(5)底层控制软件：主要用于下位机控制各个电机，以完成铺粉辊的平移和自转、粉缸升降、打印小车系统的X、Y平面运动。

(6)接口驱动单元：主要完成上位机与下位机接口部分驱动。

基于二维图像的三维打印方法，包括以下步骤：

第一步，在不同位置的两台照相机拍摄或一台经过移动或旋转拍摄两幅同一场景的图像，获得图像对。

第二步，系统通过对图像对中的特征信息进行提取，特征信息包括点、边缘、线条、角点和拐点。

采用边缘提取的方法来确定图像中所包含的特有属性，图像中的边缘就是图像中灰度信息明显和周围不同的一些像素点的集合。因此通过寻找图像中非连续的灰度信息来确定图像的边缘信息。寻找图像中非连续的灰度信息的方法为通过梯度算子来进行边缘检测，设一个连续的图像函数为f(x，y)，则该图像函数的梯度可表示成一个矢量：

$\▿\stackrel{\‾}{f}={[G_x,G_y]}^T={\left[\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δx}}\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δy}}\right]}^T$

幅度和方向角分别为：

$\▿f(x,f)=[{\left(\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δx}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\δf}}{\mathrm{\δy}}\right)}^2]$

$\mathrm{\θ}(x,y)=\arctan \left[\frac{G_x}{G_y}\right]$

第三步，根据对特征信息的计算，系统建立在图像对中两个图像的特征信息的对应关系，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应。

具体步骤为：

a.选择匹配特征；

选择匹配的特征包括特征点、边缘、块。

b.寻找正确的匹配出的图像特征的本质，使用图像之间的本质确定两个图像的匹配算法；

定义左右两幅图像为f_L(x，y)和f_R(x，y)，匹配模版为T，模版T的大小定义为m*n，设模版T在匹配过程中的覆盖区域为S_k，k为匹配次数。定义T与S_k之间差别的测度为：

$D(T,S_k)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[S_k(i,j)-T(i,j)]}^2$

当D(T，S_k)达到最小时，T与S_k达到最佳匹配。

c.根据匹配算法，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应。

第四步，系统根据匹配对应后的成像模型中的时差与深度的几何关系，对成像模型进行深度计算，基于深度信息，得到环境的三维信息，进行三维重构。具体步骤为：将图像信息切片，切片后的图像信息转换到打印位图数据，打印机再将打印区域的位图数据进行排版，对彩色图像进行分色处理，最后打印机将图像三维立体打印成形。

三维坐标计算的示意图如图2所示，其步骤为：设点P和点P₁，P₂的坐标分别为(X，Y，Z)，(u₁，v₁)和(u₂，v₂)，则根据中心射影的比例关系可以得到P点的坐标为：

$x_1=\frac{b(u_0-u_1)}{u_1-u_2}$

$y_1=\frac{{\mathrm{ba}}_x(v_1-v_0)}{a_y(u_1-u_2)}$

$z_1=\frac{{\mathrm{ba}}_x}{u_1-u_2}$

深度图生成的示意图如图3所示，其步骤为：

设C₁，C_r分别为两张照片拍摄位置的光学中心位置，距离为b，照相机焦距为f，则由三角形相似定理可得到景深为

由此可以得到物体的三维坐标和景深，三维模型重构完成。

第五步，三维打印机根据三维重构得出的图像信息，进行三维打印。

Claims (2)

1.一种基于二维图像的三维打印方法，基于三维打印系统，其特征是，包括以下步骤：

第一步，在不同位置的两台照相机拍摄或一台经过移动或旋转拍摄两幅同一场景的图像，获得图像对；

第二步，系统通过对图像对中的特征信息进行提取；

第三步，根据对特征信息的计算，系统建立在图像对中两个图像的特征信息的对应关系，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应；

第四步，系统根据匹配对应后的成像模型中的时差与深度的几何关系，对成像模型进行深度计算，基于深度信息，得到环境的三维信息，进行三维重构；

第五步，三维打印机根据三维重构得出的图像信息，进行三维打印；

所述的第二步的特征信息包括点、边缘、线条、角点和拐点；

所述的第三步的具体步骤为：

a.选择匹配特征；

b.寻找正确的匹配出的图像特征的本质，使用图像之间的本质确定两个图像的匹配算法；

c.根据匹配算法，将同一个控件的物理点在不同图像中的映像点匹配对应。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维图像的三维打印方法，其特征是，所述的第五步的具体步骤为：将图像信息切片，切片后的图像信息转换到打印位图数据，打印机再将打印区域的位图数据进行排版，对彩色图像进行分色处理，最后打印机将图像三维立体打印成形。