CN106042390A

CN106042390A - 一种多源大尺度面曝光3d打印方法

Info

Publication number: CN106042390A
Application number: CN201610603242.9A
Authority: CN
Inventors: 毋立芳; 赵立东; 邱健康; 郭小华; 毛羽忻
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-07-28
Also published as: CN106042390B

Abstract

一种多源大尺度面曝光3D打印方法涉及智能化控制和图像处理技术领域。该方法以提高面曝光3D打印机的打印面积为目的，包括如下步骤：最大切片查找：遍历一个模型的所有切片，寻找可曝光面积最大的切片；基准点获取：获取可曝光面积最大切片的轮廓，根据轮廓确定出此可曝光区域左上角点和右下角点作为两个基准点；根据基准点对原切片可曝光区域作出外接矩形进行截取，获取需要曝光的总面积，把截取区域依照需曝光区域的宽和高为最大限等比例的放大，然后把放大之后的图像与曝光总尺寸大小的黑色背景融合；根据投影仪的数量和放置位置对切片进行分割和处理，最后保存下来。本发明可以提高曝光的尺寸，同时具有可移植性和可打印性。

Description

一种多源大尺度面曝光3D打印方法

技术领域

本发明涉及智能化控制和图像处理技术，具体涉及对投影仪投出的图片进行处理，通过使用多个投影仪且根据其个数和放置位置对切片进行处理，从而实现对多源大尺度面曝光3D打印方法研究与实现。

背景技术

3D打印机诞生于20世纪80年代中期，是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型，通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型，最终打印出3D实体。快速成形技术以其加工速度快、成本低，广泛应用于产品开发阶段的模型制作。3D打印是快速成形技术的一种，它首先将物品转化为3D数据，然后运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，逐层分切打印。模具制造、工业设计用于建造模型，现正发展成产品制造，形成“直接数字化制造”。目前已形成多种不同的快速成形工艺,如立体光固化(SLA)、层合实体制造(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、选域激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、面曝光打印(DLP)等。但是就目前而言，FDM精度较差，需要不断地熔化材料丝并且等待材料固化，总体成型速度较慢。SLA技术受限于振镜光学特点，一般振镜式的成型幅面小于300mm×300mm。超过这个幅面需要借助动态聚焦系统，这时成本会获得大幅提高。振镜系统的原理决定：幅面越大，焦距越长，光斑越大，激光能量损耗也越多。DLP技术类似于投影仪，其中最核心的元器件是DMD芯片，DLP最大的优势是可以逐层曝光，理论上速度很快，但若需要较大幅面，同时要满足固化光的高功率密度，就不得不大幅度提高光强，但DMD无法承受太高的光强，同时光强增大之后，系统散热问题严重。所以，目前基于DLP技术的3D打印，在加工幅面方向上发展缓慢。

发明内容

本发明实施例将提供一种多源大尺度面曝光3D打印方法，主要通过使用多个投影仪且根据其个数和放置位置对切片进行处理，从而达到提高面曝光3D打印机的打印面积。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：

一种多源大尺度面曝光3D打印方法，包括以下步骤：

步骤100、遍历一个模型的所有切片，寻找这些切片中可曝光面积最大的切片，把其记为A，并在以后对其进行处理；

步骤200、获取切片A的可曝光区域的轮廓，通过轮廓获取此可曝光区域的最左面，最右面，最上面和最下面的点，根据这四个点确定出此可曝光区域左上角和右下角或右上角和左下角点作为两个基准点；

步骤300、根据步骤200确定的两个基准点，对应到原来的切片上去，确定出可曝光区域的外接矩形，完成对原切片可曝光区域的截取，获取需要曝光的总面积，把截取区域依照需曝光区域的宽和高为最大限等比例的放大，然后把放大之后的图像与曝光总尺寸大小的黑色背景融合；

步骤400、根据步骤300的放大比例为基准依次去放大所有的切片，把放大的所有切片依次保存下来，并对保存下来的切片按照投影的放置位置进行分割，并对分割的图片进行处理，保证在投影拼接时的无缝性。

其中，遍历一个模型的所有切片，寻找这些切片中可曝光面积最大的切片，把其记为A，并在以后对其进行处理步骤100包括：

统计每张切片中像素点的灰度为255的个数，把统计好的个数N和对应的图片存储起来；

通过之前存储好的图片以及其对应的灰度为255的像素点的个数N，通过比较每张切片N的大小得出之前存储的N最大的那张切片，把其记为A。

其中，获取切片A的可曝光区域的轮廓，通过轮廓获取此可曝光区域的最左面，最右面，最上面和最下面的点，根据这四个点确定出此可曝光区域左上角和右下角或右上角和左下角点作为两个基准点的步骤200包括：

获取切片A的可曝光区域的轮廓，对轮廓中所有的点进行遍历，根据每个像素点的宽和高的信息，从而确定此轮廓的最左面，最右面，最上面和最下面的点；

通过获取最左面点的宽度信息和最上面点的高度信息，可以确定出一个位于此轮廓的左上角点，同样通过获取最右面点的宽度信息和最下面点的高度信息，可以确定出一个位于此轮廓的右下角点，同理可确定出右上角和左下角的点。

其中，根据步骤200确定的两个基准点，对应到原来的切片上去，确定出可曝光区域的外接矩形，完成对原切片可曝光区域的截取，获取需要曝光的总面积，把截取区域依照需曝光区域的宽和高为最大限等比例的放大，然后把放大之后的图像与曝光总尺寸大小的黑色背景融合的步骤300包括：

首先以之前确定的左上角和右下角的坐标对应到原切片上去，然后连接这两个基准点作为矩形的对角线，根据此对角线绘制矩形，此矩形刚好为此切片可的外接矩形；

获取多个投影的分辨率(在本申请中规定所有投影的分辨率必须是一致的)，根据投影的分辨率信息和放置投影的位置，计算需要投射的面的大小，例如：当把两个投影仪重叠放置且每个投影仪的分辨率都是800×600，这样投射的总面积大小就是800×1200。根据需要投射的面积生成与其面积相同的纯黑色背景；

计算放大比例对截取区域进行放大，具体计算方法如下：首先判断投射总面积的宽除以截取区域的宽，记为X和投射总面积的高除以截取区域的高，记为Y。通过比较X和Y的大小，以其中小的数值作为基准放大倍数Z，然后对截取区域的宽和高用双线性插值法放大Z倍；

将放大之后的图像与黑色背景进行融合，得到最终需投影的图像的步骤包括：

首先获取黑色背景的中心点，然后以此中心点为放大之后的图像与黑色背景融合的中心位置进行融合；

依次扫描放大之后的图像每个像素的灰度值，当灰度值等于0时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于0时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给黑色背景的相同像素位置，得出最终需投影的图像。

其中根据步骤300的放大比例为基准依次去放大所有的切片，把放大的所有切片依次保存下来，并对保存下来的切片按照投影的放置位置进行分割，并对分割的图片进行处理，保证在投影拼接时的无缝性的步骤400包括：

根据步骤300的基准放大倍数Z，以这个放大倍数去放大所有切片的宽和高，并把所有切片按照曝光的先后顺序进行保存；

把保存下来的切片按照投影的个数和放置顺序进行分割，例如：两个投影机重叠放置，即一个投影机正好在另一个投影机上面，这时就需要把切片横向分割成两个相同参数的切片，即把一个800×1200的切片分成两个800×600的切片；

其中对投影仪摆放的位置关系作如下规定：

最好的投影摆放就是等比例的扩大，即若是四个投影就两两罗叠放置，这样就可以保证只是把原一个投影的宽和高放大了相同的倍数，这样可以更好的保证切片的不失真性，若投影的数目无法保证等比例扩大，则优先考虑扩大其高度。

并对分割的图片进行处理，避免投影时重叠的部分的干扰，具体步骤如下：

首先是预处理阶段，根据投影仪的数量，生成与其数量相等的不同颜色的纯色(非黑色)切片，且每个切片每隔5到10个像素点画一条黑线，本申请中采用5个像素点一条黑线；

用相机去捕捉两两投影仪投出切片的重叠区域的黑线条数，其中重叠区域是根据不同颜色切片重叠部分的颜色与其都不相同来判断的，重叠区域的黑线条数计算出重叠区域的像素数，依照此数据对投影投出的切片在相应方向进行平移，从而确保不重叠，切片刚好接触。

把这些处理好的切片分别保存下来，然后就可以使用以前的面曝光打印的方法逐层开始曝光了。

本发明实施例的一种多源大尺度面曝光3D打印方法具有如下优点：

1)提高曝光的尺度；

2)可移植性，根据不同的投影仪以及投影离树脂槽的距离可以快速生成曝光所需要的切片；

3)可打印性，此多源大尺度面曝光3D打印的方法，能够适用于绝大部分未经过优化处理的模型，适用性强，一次打印成功率高。因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

附图说明

图1是以两个投影仪为例的打印原理图。

图2是根据本发明实施例的一种多源大尺度面曝光3D打印方法的流程图。

图3(a)展示了一张切片，图3(b)展示了对其获取轮廓的效果。

图4展示了图3(a)切片的外接矩形。

图5展示了放大之后的图像与曝光总尺寸大小的黑色背景融合的结果。

图6(a)展示了未经处理过的分割后的切片图像的投射效果，图6(b)展示了经过处理后的分割后的切片图像的投射效果。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供一种多源大尺度面曝光3D打印方法，通过对每一张切片进行处理，从而降低干扰因素，实现大面积曝光，其中提到的大尺度是根据具体的投影的数量而定的，即认为至少大于100mm×200mm。

面曝光3D打印机，主要使用投影仪作为光源，而在投影仪中最重要的是数字微镜元件(DMD)来完成可视数字信息显示的技术。具体地说，就是数字光处理(DLP)投影技术应用了数字微镜晶片(DMD)来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。但若需要较大幅面，同时要满足固化光的高功率密度，就不得不大幅度提高光强，但DMD无法承受太高的光强，同时光强增大之后，系统散热问题严重。所以，目前基于DLP技术的3D打印，在加工幅面方向上发展缓慢。因此，设计出一种算法应用于大面积面曝光打印，其中图1所示是此原理的示意图，此示意图以两个投影仪为例,其中，上面投影仪投出的为切片上半部1010，下面投影仪投出的为切片下半部1020，中间交叉部分为重叠区域1030。

图2为本发明实施例的一种多源大尺度面曝光3D打印方法的流程图。

本发明实施例提出一种多源大尺度面曝光3D打印方法，包括：

步骤100、遍历一个模型的所有切片，寻找这些切片中可曝光面积最大的切片，把其记为切片A，并在以后对其进行处理；

步骤200、获取切片A的可曝光区域的轮廓，通过轮廓获取此可曝光区域的最左面，最右面，最上面和最下面的点，根据这四个点确定出此可曝光区域左上角和右下角或右上角和左下角的点作为两个基准点，同理可确定出右上角和左下角的点；

其中，处理步骤100包括：

子步骤110、统计每张切片中像素点的灰度为255的个数，把统计好的个数N和对应的图片存储起来。

子步骤120、通过之前存储好的图片以及其对应的灰度为255的像素点的个数N，通过比较每张切片N的大小得出之前存储的N最大的那张切片，把其记为A。

进一步的，步骤200包括：

子步骤210、获取切片A的可曝光区域的轮廓，如图3所示，对轮廓中所有的点进行遍历，根据每个像素点的宽和高的信息，从而确定此轮廓的最左面，最右面，最上面和最下面的点。

子步骤220、根据之前确定的最左面，最右面，最上面和最下面的点，用最左面点的宽度信息和最上面点的高度信息，可以确定出一个位于此轮廓的左上角点，用最右面点的宽度信息和最下面点的高度信息，可以确定出一个位于此轮廓的右下角点，同理可确定出右上角和左下角的点。

进一步地，步骤300包括：

子步骤310、把之前确定的左上角和右下角的坐标对应到原切片上去，然后连接这两个基准点作为矩形的对角线，根据此对角线绘制矩形，此矩形刚好为此切片可的外接矩形，如图4所示。

子步骤320、获取多个投影的分辨率(在这个专利中规定所有投影的分辨率必须是一致的)，根据投影的分辨率信息和放置投影的位置，计算需要投射的面的大小。

例如：当把两个投影仪重叠放置且每个投影仪的分辨率都是800×600，这样投射的总面积大小就是800×1200。根据需要投射的面积生成与其面积相同的纯黑色背景。

子步骤330、计算放大比例对截取区域进行放大，具体计算方法如下：首先判断投射总面积的宽除以截取区域的宽，记为X和投射总面积的高除以截取区域的高，记为Y。通过比较X和Y的大小，以其中小的数值作为基准放大倍数Z，然后对截取区域的宽和高用双线性插值法放大Z倍。

子步骤340、将放大之后的图像与黑色背景进行融合，得到最终需投影的图像。

其中，子步骤340可以具体如下实施：

依次扫描放大之后的图像每个像素的灰度值，当灰度值等于0时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于0时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给黑色背景的相同像素位置，得出最终需投影的图像。如图5是放大之后的图像与曝光总尺寸大小的黑色背景融合的结果。

所述步骤400包括：

子步骤410、根据步骤300的基准放大倍数Z，以这个放大倍数去放大所有切片的宽和高，并把所有切片按照曝光的先后顺序进行保存。

子步骤420、把保存下来的切片按照投影的个数和放置顺序进行分割，例如：两个投影机重叠放置，即一个投影机正好在另一个投影机上面，这时就需要把切片横向分割成两个相同参数的切片，即把一个800×1200的切片分成两个800×600的切片；

其中对投影仪摆放的位置关系作如下规定：

子步骤430、对分割的图片进行处理，避免投影时重叠的部分的干扰。

其中，子步骤430可以具体如下实施：

用相机去捕捉两两投影仪投出切片的重叠区域的黑线条数，其中重叠区域是根据不同颜色切片重叠部分的颜色与其都不相同来判断的，重叠区域的黑线条数计算出重叠区域的像素数，依照此数据对投影投出的切片在相应方向进行平移，从而确保我重叠，切片刚好接触。其中如图6(a)所示是未经处理过的分割后的切片图像的投射效果，(b)是经过处理后的分割后的切片图像的投射效果。

子步骤440、把这些处理好的切片分别保存下来，然后就可以使用以前的面曝光打印的方法逐层开始曝光了。

1)提高曝光的尺度；

Claims

1.一种多源大尺度面曝光3D打印方法，包括以下步骤：

步骤100、遍历一个模型的所有切片，寻找这些切片中可曝光面积最大的切片，把其记为切片A；

步骤200、获取切片A的可曝光区域的轮廓，通过轮廓获取此可曝光区域的最左边，最右边，最上面和最下面的点，根据这四个点确定出此可曝光区域左上角和右下角或右上角和左下角作为两个基准点；

步骤300、根据步骤200确定的两个基准点，对应到切片A上去，确定出可曝光区域的外接矩形，完成对切片A可曝光区域的截取，获取需要曝光的总面积，把截取区域依照需曝光区域的宽和高为最大限等比例的放大，然后把放大之后的图像与曝光总尺寸大小的黑色背景融合；

步骤400、根据步骤300的放大比例为基准依次去放大所有的切片，把放大的所有切片依次保存下来，并对保存下来的切片按照投影的放置位置进行分割，并以保证在投影拼接时的无缝性的方式对分割的图片进行处理。

2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤100包括下述子步骤：

统计每张切片中像素点的灰度为255的个数，把统计好的个数和对应的图片存储起来；

通过之前存储好的图片以及其对应的灰度为255的像素点的个数，通过比较得出之前存储的点数最多的切片，把其记为切片A。

3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤200包括下述子步骤：

获取切片A的可曝光区域的轮廓，对轮廓中所有的点进行遍历，根据每个像素点的宽和高的信息，从而确定此轮廓的最左边，最右边，最上面和最下面的点；

根据之前确定的最左边，最右边，最上面和最下面的点，用最左边点的宽度信息和最上面点的高度信息，确定出一个位于此轮廓的左上角点，用最右边点的宽度信息和最下面点的高度信息，确定出一个位于此轮廓的右下角点，同理确定出右上角和左下角的点。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在步骤300中，

以确定的左上角和右下角的高度宽度信息对应到原切片上去，然后连接这两个基准点作为矩形的对角线，根据此对角线绘制矩形，此矩形刚好为此切片的外接矩形；

然后，获取多个投影的分辨率，其中，规定所有投影的分辨率必须是一致的，根据投影的分辨率信息和放置投影的位置，计算需要投射的面的大小，根据需要投射的面积生成与其面积相同的纯黑色背景；

计算放大比例对截取区域进行放大，具体计算方法如下：首先判断投射总面积的宽除以截取区域的宽，记为X和投射总面积的高除以截取区域的高，记为Y，通过比较X和Y的大小，以其中小的数值作为基准放大倍数Z，然后对截取区域的宽和高用双线性插值法放大Z倍；

将放大之后的图像与黑色背景进行融合而得到最终需投影的图像。

5.如权利要求4所述的方法，其中，在步骤400中，

根据步骤300的基准放大倍数Z倍，以这个放大倍数去放大所有切片的宽和高，并把所有切片按照曝光的先后顺序进行保存；

把保存下来的切片按照投影的个数和放置顺序进行分割；以及对分割的图片进行处理以避免投影时重叠的部分的干扰。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述方法采用两个投影仪重叠放置，且每个投影仪的分辨率都是800×600，投射的总面积大小为800×1200。

7.如权利要求6所述的方法，其中，一个投影机正好在另一个投影机上面，切片被横向分割成两个相同参数的切片，其中，一个800×1200的切片被分成两个800×600的切片。

8.如权利要求4所述的方法，其中，将放大之后的图像与黑色背景进行融合而得到最终需投影的图像的子步骤包括：

9.如权利要求5中任一项所述的方法，其中，对分割的图片进行处理以避免投影时重叠的部分的干扰的子步骤包括：

预处理阶段，根据投影仪的数量，生成与其数量相等的纯色但非黑色切片，且每个切片每隔5到10个像素点画一条黑线，本申请中采用5个像素点一条黑线；

然后，用相机去捕捉两两投影仪投出切片的重叠区域的黑线条数，其中重叠区域是根据不同颜色切片重叠部分的颜色与其都不相同来判断的，重叠区域的黑线条数计算出重叠区域的像素数，依照此数据对投影投出的切片在相应方向进行平移，从而确保不重叠，切片刚好接触；

最后，把这些处理好的切片分别保存下来，使用面曝光打印方法逐层曝光。

10.如权利要求5中任一项所述的方法，其中，其中对投影仪摆放的位置关系作如下规定：

最好的投影摆放就是等比例的扩大，即若是四个投影就两两罗叠放置，若投影的数目无法保证等比例扩大，则优先考虑扩大其高度。