CN103954223B - 基于双摄像头毫米级生物3d打印机出丝宽度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双摄像头毫米级生物3D打印机出丝宽度测量方法。在完成机械安装之后，用户启动生物3D打印机，测量系统利用双摄像头实时采集图像，再进行深度图像处理，经过滤波、锐化及边缘提取、二值化和计算后能够得到较为准确的打印出丝宽度。两路摄像头处理性能优势明显，不仅克服了单摄像头图像采集存在图像视觉死角的缺点，而且在一定程度上补偿了光源造成的视觉误差，实时计算获得出丝的宽度，一改原有生物3D打印设备缺少反馈的缺点。且该发明专利硬件可移植性强，能够作为辅助工具应用于绝大部分3D打印机。产品具有广阔的前景与市场。

Description

基于双摄像头毫米级生物3D打印机出丝宽度测量方法

技术领域

本发明属于生物3D打印快速成形领域，具体涉及一种基于双摄像头毫米级生物3D打印机出丝宽度测量方法。

背景技术

3D打印技术逐渐进入各个下游应用领域，生物3D打印是最前沿的研究领域。作为一项前沿制造技术，“3D打印”已经逐步应用于航天军工，模具制造，动漫制作、文化创意等多个领域，随着技术的发展，它的应用领域还在不断扩展。生物3D打印技术是使用3D打印的方法成型生物材料，特别是细胞材料，用来制造人工的组织、器官等一系列生物医疗领域的产品。它是3D打印研究中最前沿的领域。现阶段，生物3D打印的应用主要包括：细胞打印、组织工程支架和植入物打印。

组织工程支架和植入物的生物3D打印逐渐成熟，骨组织的打印市场空间巨大。生物3D打印借助CT、ECT技术获取人体模型器官模型，其技术牵涉到3D模型的建立，有限元的分析等。最后指导3D打印设备喷射生物相容性材料，形成所需要的结构。3D打印在构建植入物的微观结构方面相对传统工艺有很明显的优势。在美国，仅骨移植修复材料的市场空间就达200亿美金。此外，一些血管支架等领域的应用也在逐渐发展。

生物3D打印现在桌面级别的通常是采用热熔堆积技术，即将塑料先融化然后挤压，经过一个零点几毫米的喷口挤出，按照电脑设计好的轨迹运动，最后成型。专业的打印机，能够保证吐丝匀称性，但造型时间长。高速生物3D打印机，在提高打印速度的同时损失了打印质量，尤其对于拐角的打印，由于机械结构的原因，出丝宽度大于正常值。

保证打印质量是增材制造的核心，而打印质量和硬件软件都有着密切的关系。现市场上同类仪器产品，均采用了开环成型控制系统，这就意味着，但即使精度再高的生物3D打印机，打印时都是无法实时控制出丝的宽度，更谈不上通过测量实际丝的宽度来修正这一系统误差。

目前市场上同类产品针对这一无法避免的系统误差，一般采取如下手段进行修正克服：

1.大数据修正，即将获各组数据与实际测量宽度进行比较，推导生成经验修正公式加以修正。修正公式基于大量的测量数据之上，工程量巨大，且该修正公式普适性较差。

2.模型简化法，即将复杂的行程转换为简单的行程，降低打印难度。一般需要打印质量精细点的通常设置层高为0.3mm，如果需粗糙的可以设置成0.4mm，如此以来，其在提高打印出丝宽度的同时损失了物品的逼真度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于双摄像头毫米级生物3D打印机出丝宽度测量方法，利用两个彩色高清摄像头OV7670，进行对出丝过程进行实时拍摄，同时获得实时出丝宽度数据。

本发明方法具体是：

步骤一：以打印机喷头工作原点建立xyz三维坐标轴，即在初始状态下，喷头中心与z轴重合，x轴与工作台平面短边共线，y轴与工作台平面长边共线；两个摄像头将安装在成型室工作台导轨上，第一摄像头在zoy平面，其拍摄方向对准喷头，与xoy平面平行的平面保持θ₁的工作角度，25°≤θ₁≤35°；第二摄像头在zox平面，其拍摄方向对准喷头，与xoy平面平行的平面保持θ₂的工作角度，25°≤θ₂≤35°；喷头在x轴的运动分量在第一摄像头中能观测到；喷头在y轴的运动分量在第二摄像头中能观测到；成型工作台面在初识状态下距离成型室底面500mm，其后在成型过程中，随着每一层成型结束，成型工作台面将下降固定高度，但其在成型过程中始终和xoy平面保持平行；

步骤二：打开系统电源按钮，初始化各个模块；

步骤三：调节两个彩色高清摄像头的焦距，调节至画面最佳状态，将实时拍摄图像显示在3.5寸TFT液晶屏上；

步骤四：启动生物3D打印机，喷头在伺服电机的带动下开始运动成型，此时喷头开始出丝；由于喷头在工作台面的轨迹运动，在液晶屏中将会产生相对的移动；

步骤五：将图像用傅立叶变换、沃尔什变换进行预处理；

步骤六：将步骤五处理后的图像再进行深度图像处理，处理步骤包括滤波、锐化及边缘提取、二值化和计算；

滤波：拍摄的图像边缘具有一定的模糊性，在边缘提取之前，对图像进行中值滤波的处理，较好地去除图像中的噪声并避免了图像模糊的加剧；

锐化及边缘提取：经过滤波处理后的图像，采用基于梯度的边缘检测法，其一阶微分算子采用Roberts交叉微分算子，二阶微分算子采用Laplacian算子和Wallis算子；

二值化：在对图进行完边缘提取后，在基于整幅图像的灰度值统计平均的基础上选择一个阈值Th来对提取的边缘图片进行二值化处理，将图像边缘赋值为黑色并进行存储；

计算：将得到的照片数据传入控制器进行处理；生物3D打印机在造型时，会打印正方形的支撑支架；在分析过程中将牵涉到四个量：第一个量，待测丝直径图像上的像素距离：其中x_a表示图像上待测丝边缘上点A的x轴坐标，y_a表示图像上待测丝边缘上点A的y轴坐标；同理，x_b表示图像上待测丝边缘上点B的x轴坐标，y_b表示图像上待测丝边缘上点B的y轴坐标，该量通过图像分析获得；第二个量，正方形支架边长图像像素距离，其中x_c表示A、B点所在的正方形支架的一个顶点C的x轴坐标，y_c表示正方形支架顶点C的y轴坐标；同理，x_d表示点C相邻的正方形支架顶点D的x轴坐标，y_d表示顶点D的y轴坐标；第三个量，正方形支架边长实际距离R_CD，该量是受上位机软件控制，故其准确值是已知的；第四个量，即我们所测量出丝的宽度R_AB；根据比例关系：

$\frac{L_{\mathrm{AB}}}{R_{\mathrm{AB}}}=\frac{L_{\mathrm{CD}}}{R_{\mathrm{CD}}}.$

本发明的有益效果在于：两路摄像头处理性能优势明显，不仅克服了单摄像头图像采集有死角的缺点，而且在一定程度上补偿了光源造成的视觉误差，能够实时计算获得出丝的宽度，一改原有生物3D打印设备缺少反馈的缺点。且该发明专利硬件可移植性强，能够作为辅助工具应用于绝大部分3D打印机。产品具有广阔的前景与市场。

附图说明

图1是本发明使用流程图；

图2是摄像头、喷头物理位置关系与安装图；

图3是经过图像滤波后的图像；

图4是经过多次滤波后用于计算的图像。

具体实施方式

本专利着重偏重于基于双摄像头毫米级生物3D打印机出丝宽度测量方法的硬件实现部分和简单的软件算法，详细的软件提取算法将在另一专利中做详细说明阐述。下面结合附图对本发明作进一步描述。如图1所示，本发明方法具体步骤是：

步骤一：以打印机喷头工作原点建立xyz三维坐标轴，即在初始状态下，喷头3中心与z轴重合，x轴与成型室门垂直，y轴与成型室门平行。两个摄像头将安装在成型室工作台导轨5上，第一摄像头1在zoy平面，其拍摄方向对准喷头，且与经过喷头、与xoy平面平行的平面保持θ₁的工作角度，25°≤θ₁≤35°；第二摄像头2在zox平面，其拍摄方向对准喷头，且与经过喷头、与xoy平面平行的平面保持θ₂的工作角度，25°≤θ₂≤35°；喷头在x轴的运动分量在第一摄像头1中能观测到；喷头在y轴的运动分量在第二摄像头2中能观测到；成型工作台4面在初识状态下距离成型室底面500mm，其后在成型过程中，随着每一层成型结束，成型工作台面将下降固定高度，但其在成型过程中始终和xoy平面保持平行。该步骤为机械安装步骤，在今后的设备使用中可以不需要重复该步骤。具体安装示意图见图2。

步骤二：打开系统电源按钮，初始化各个模块，将实时拍摄图像显示在3.5寸TFT液晶屏上。

步骤三：调节两个彩色高清摄像头的焦距，调节至画面最佳状态。

步骤四：启动生物3D打印机，喷头在伺服电机的带动下开始运动成型，此时喷头开始出丝。由于喷头在工作台面的轨迹运动，在液晶屏中将会产生相对的移动。

步骤五：将图像用傅立叶变换、沃尔什变换进行预处理。

步骤六：将步骤五处理后的图像再进行深度图像处理，处理步骤包括滤波、锐化及边缘提取、二值化和计算。

滤波：拍摄的图像边缘具有一定的模糊性，在边缘提取之前，对图像进行中值滤波的处理，较好地去除图像中的噪声并避免了图像模糊的加剧，如图3所示。

锐化及边缘提取：经过滤波处理后的图像，采用基于梯度的边缘检测法，其一阶微分算子采用Roberts交叉微分算子，二阶微分算子采用Laplacian算子和Wallis算子。

二值化：在对图进行完边缘提取后，在基于整幅图像的灰度值统计平均的基础上选择一个阈值Th来对提取的边缘图片进行二值化处理，将图像边缘赋值为黑色并进行存储；

锐化及边缘提取：经过滤波处理后的图像，存在一定程度的模糊，需要对图像进行锐化处理，可以采用基于梯度的边缘检测法，其一阶微分算子可采用Roberts交叉微分算子、Sobel算子和Priwitt微分算子，二阶微分算子可采用Laplacian算子、Wallis算子。锐化处理主要是加强图像的边缘，便于将图像从背景中准确地提取出来。

计算：将得到的照片数据传入控制器进行处理。生物3D打印机在造型时，会打印正方形的支撑支架。在分析过程中将牵涉到四个量：第一个量，待测丝宽度图像像素距离：其中x_a表示图像上待测丝边缘上点A的x轴坐标，y_a表示图像上待测丝边缘上点A的y轴坐标；同理，x_b表示图像上待测丝边缘上点B的x轴坐标，y_b表示图像上待测丝边缘上点B的y轴坐标，该量通过图像分析获得。第二个量，正方形支架边长图像像素距离，其中x_c表示图像上正方形支架顶点C的x轴坐标，y_c表示图像上正方形支架顶点C的y轴坐标；同理，x_d表示图像上与点C相邻的正方形支架顶点D的x轴坐标，y_d表示图像上与点C相邻的正方形支架顶点D的y轴坐标，该量通过图像分析获得。

第三个量，正方形支架边长实际距离R_CD，该量是受上位机软件控制，故其准确值是已知的。第四个量，即我们所测量出丝的宽度R_AB。结合处理后的图像图4，根据计算公式，可得：

待测丝宽度图像像素距离：

$L_{\mathrm{AB}}=\sqrt{{(x_a-x_b)}^2+{(y_a-y_b)}^2}=\sqrt{{(1781-1377)}^2+{(1489-1101)}^2}=560.14$

正方形支架边长图像像素距离：

$L_{\mathrm{CD}}=\sqrt{{(x_c-x_d)}^2+{(y_c-y_d)}^2}=\sqrt{{(2297-925)}^2+{(861-1642)}^2}=1575.22$

支架间隙实际距离R_CD可通过上位机修改，一般取2.5mm。

根据比例公式：

$\frac{L_{\mathrm{AB}}}{R_{\mathrm{AB}}}=\frac{L_{\mathrm{CD}}}{R_{\mathrm{CD}}}$

计算得R_AB＝0.88mm。经过实际测试，该方法的测量精度误差在10％。

Claims (1)

1.基于双摄像头毫米级生物3D打印机出丝宽度测量方法，其特征在于,该方法具体包括以下步骤：

步骤一：以打印机喷头工作原点建立xyz三维坐标轴，即在初始状态下，喷头中心轴线与z轴重合，x轴与成型室工作台短边共线，y轴与成型室工作台长边共线；两个彩色高清摄像头将安装在成型室工作台导轨上，第一彩色高清摄像头在zoy平面，其拍摄方向对准喷头，与xoy平面平行的平面保持θ₁的工作角度，25°≤θ₁≤35°；第二彩色高清摄像头在zox平面，其拍摄方向对准喷头，与xoy平面平行的平面保持θ₂的工作角度，25°≤θ₂≤35°；喷头在x轴的运动分量在第一彩色高清摄像头中能观测到；喷头在y轴的运动分量在第二彩色高清摄像头中能观测到；成型室工作台在初始状态下距离成型室底面500mm，其后在成型过程中，随着每一层成型结束，成型室工作台将下降固定高度，但其在成型过程中始终和xoy平面保持平行；

步骤二：打开系统电源按钮，初始化各个模块；

步骤三：调节两个彩色高清摄像头的焦距，调节至画面最佳状态，将实时拍摄图像显示在3.5寸TFT液晶屏上；

步骤四：启动生物3D打印机，喷头在伺服电机的带动下开始运动成型，此时喷头开始出丝；由于喷头在成型室工作台的轨迹运动，在液晶屏中将会产生相对的移动；

步骤五：将图像用傅立叶变换、沃尔什变换进行预处理；

步骤六：将步骤五处理后的图像再进行深度图像处理，处理步骤包括滤波、锐化及边缘提取、二值化和计算；

滤波：拍摄的图像边缘具有一定的模糊性，在边缘提取之前，对图像进行中值滤波的处理，较好地去除图像中的噪声并避免了图像模糊的加剧；

锐化及边缘提取：经过滤波处理后的图像，采用基于梯度的边缘检测法，其一阶微分算子采用Roberts交叉微分算子，二阶微分算子采用Laplacian算子和Wallis算子；

二值化：在对图进行完边缘提取后，在基于整幅图像的灰度值统计平均的基础上选择一个阈值Th来对提取的边缘图片进行二值化处理，将图像边缘赋值为黑色并进行存储；

计算：将得到的照片数据传入控制器进行处理；生物3D打印机在造型时，会打印正方形的支撑支架；在分析过程中将牵涉到四个量：第一个量，待测丝直径图像上的像素距离：其中x_a表示图像上待测丝边缘上点A的x轴坐标，y_a表示图像上待测丝边缘上点A的y轴坐标；同理，x_b表示图像上待测丝边缘上点B的x轴坐标，y_b表示图像上待测丝边缘上点B的y轴坐标，该量通过图像分析获得；第二个量，正方形支架边长图像像素距离， 其中x_c表示A、B点所在的正方形支架的一个顶点C的x轴坐标，y_c表示正方形支架顶点C的y轴坐标；同理，x_d表示点C相邻的正方形支架顶点D的x轴坐标，y_d表示顶点D的y轴坐标；第三个量，正方形支架边长实际距离R_CD，该量是受上位机软件控制，故其准确值是已知的；第四个量，即我们所测量出丝的宽度R_AB；根据比例关系：