CN106228598B - 一种面向面曝光3d打印的模型自适应光照均匀化方法 - Google Patents

Abstract

一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法涉及智能化控制和图像识别技术领域。该方法包括如下步骤：数据测量；数据分析：对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；确定每个切片的可曝光区域，查找可曝光区域对应子块的对应功率，把最小的功率设置为最适功率,在每一个可曝光区域子块中查找最适功率对应的灰度，其中非曝光区域的灰度设置为最低灰度，把所有的灰度信息保存到灰度信息矩阵的相应位置；根据灰度信息矩阵与原始切片灰度数据进行图像融合。本发明可以提高曝光的均匀性和精密性，同时具有可移植性和可打印性。因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

Description

一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法

技术领域

本发明涉及智能化控制和图像识别技术，具体涉及对投影仪输出光能的均匀化，通过模型自适应光照均匀化方法对面曝光3D打印的切片的灰度进行自适应调节，从而实现对面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法的研究与实现。

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)等。光固化快速成形(SLA)由激光光斑逐点、逐线填充扫描光固化树脂,形成树脂固化层,树脂固化逐层累加,制作出实体模型。和其它快速成形工艺相比,光固化快速成形件精度高,表面质量好,后处理工艺简单,应用广泛,市场上装机容量达到69％以上。

对于面曝光快速成形系统而言，不仅成本低，且能实现整层一次曝光固化，显著缩短制作时间，提高制作效率。但是由于紫外光源辐射出来的光线为球面发散光同时面曝光3D打印的树脂槽为玻璃材质会对紫外光起到反射作用，导致发光区域的亮度分布存在不均匀，使得在打印过程中同一个切片的不同位置中树脂的固化有差异，严重影响制件的精度。同时也因为这个原因使得面曝光打印的东西曝光面都比较小，无法做到大面积的曝光。

发明内容

本发明实施例将提供一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法，用于提高曝光均匀性，减少过曝光或曝光不足。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：

一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法，包括以下步骤：

步骤100、生成与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，依次对划分的图像子块在光源前方有树脂槽遮挡的情况下进行光照功率测量；

步骤200、对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

步骤300、遍历每张切片图像，依据划分的m×n个不同位置的图像子块，通过查找切片图像中已填充的区域作为可曝光区域，从得到的可曝光区域候选图像子块中查找对应功率，以其中查找到的最小功率作为该张切片待调整的最适目标功率。其余图像子块检索对应位置相近于该最适目标功率对应的灰度值，保存为对应位置的m×n灰度值信息矩阵。当某张切片的某个位置查找到所有功率均低于最适目标功率时，默认此位置不含有可曝光区域，并将该区域的灰度值设定为25，保存至对应的m×n灰度值信息矩阵；

步骤400、根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像。

其中，对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律的步骤200包括：

对每一个位置下的不同灰度的图像子块测量得到的光照功率数据进行傅里叶分析，得到该位置的图像子块在有反射情况下的紫外光辐照度随灰度变化的规律；

根据该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化变化规律，确定该位置下的图像子块从灰度为25到灰度为255所对应的光照功率的数据，保存为与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对。

其中，遍历每张切片图像，依据划分的m×n个不同位置的图像子块，查找切片图像中已填充的区域作为可曝光区域，从得到的可曝光区域候选图像子块中查找对应功率，以其中查找到的最小功率作为该张切片待调整的最适目标功率。其余图像子块检索对应位置相近于该最适目标功率对应的灰度值，保存为对应位置的m×n灰度值信息矩阵。当某张切片的某个位置查找到所有功率均低于最适目标功率时，默认此位置不含有可曝光区域，并将该区域的灰度值设定为25，保存至对应的m×n灰度值信息矩阵的步骤300包括：

首先以一张切片为例，把需要处理的切片图像切成m×n块。通过遍历每块中的像素点把其灰度与255做比较，我们认为当子块中有至少一个像素点的灰度等于255时说明此子块有填充，否则认为此子块没有填充，若判断出此时有填充时，根据填充所在的块的位置得出其在最高灰度值(灰度为255)时所能允许的光强的功率值，然后把所有有填充的子块的功率值进行比较，取最小的功率值作为最适功率值；

根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，但首先我们需要保证此位置在最大灰度时的功率要大于最适功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵，当某一位置在最大灰度下的功率小于最适功率时，我们认为此位置无填充，即没有对打印有用的信息，这时其灰度被设置为25，保存到m×n的灰度值信息矩阵的相应位置。

在步骤400中，根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的分辨率一致的包含m×n个灰度块的图像的步骤还包括：

根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像的步骤包括：

依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像切片的相同像素位置，得出自适应的切片图像。

其中，在步骤100中，生成与投影仪投影出的切片图像属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像的步骤包括：

从灰阶为25开始，每隔10个灰阶生成一副与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

本发明实施例的一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法具有如下优点：

1)提高曝光均匀性，由于光功率的均匀化弥补了紫外光源辐射出来的光线为球面发散光和树脂槽镜面反射造成的发光区域的亮度分布存在差异，这样只要打印工艺正确就能尽可能的减少过曝光或曝光不足的概率；

2)可移植性，根据不同打印机的光输出不同，在得到某些特定的数据后，本方法可以快速生成使光照功率分布均匀的灰度图片；

3)可打印性，此光照功率自适应算法，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；

4)提高曝光时间，以前曝光时间的设定需要考虑到所有切片的可曝光区域均要曝光成型，这样对于可曝光区域少的切片的曝光时间就会大大加强，而应用了本算法以后每张切片的曝光时间都是独立的，同时对于那些可曝光区域小的切片尤为适用，这样可以大大提高曝光时间，因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

附图说明

图1是投影仪的工作原理。

图2根据本发明实施例的一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法的流程图。

图3是树脂槽反射对面曝光打印的影响的原理图。

图4是准备用紫外光辐照计测量的某一灰度下的9×8的图像子块划分示意图。

图5是在某一灰度有树脂槽遮挡时的光照强度分布图。

图6是某一位置下的图像子块的紫外光照强度随灰度变化的规律。

图7其中(a)是一个模型的某一张切片，(b)是根据本算法的线性插值示意图。

图8是对此算法的验证结果图。

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。

本发明提供一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法，可以实现对每一张切片的灰度进行自适应的调节，从而达到视图生成平面内的紫外光辐照度分布均匀化，为后续的大面积曝光提供可能。

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。DLP的原理如下所示：

现在我们以1024×768分辨率为例，在一块DMD上共有1024×768个小反射镜，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器DLP调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。DMD投影机根据反射镜片的多少可以分为单片式，双片式和三片式。以单片式为例，DLP能够产生色彩是由于放在光源路径上的色轮1020(由红、绿、蓝群组成)，光源1010发出的光通过会聚透镜到彩色滤色片产生RGB三基色，包含成千上万微镜的DMD芯片1030，将光源发出的光通过快速转动的红、绿、蓝过滤器投射到一个镶有微镜面阵列的微芯片DMD的表面，这些微镜面以每秒5000次的速度转动，反射入射光，经由整形透镜1040后通过镜头投射出彩色画面1050，见图1所示的投影仪。

由于现有的研究主要体现在视图发生器的构建方面，关于在视图平面内对辐照度分布的研究很少，更不要说是一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法。本发明实施例的方法针对面曝光3D打印的改进是在投影仪的DMD上，基于对不同灰度下的投影出的视图面在有树脂槽遮挡的情况下进行光功率值的测量，从而建立一张切片中不同位置的紫外光辐照度与灰度值变化的关系模型，通过对不同位置的紫外光辐照度与灰度值变化进行分析，从而设计出一种对切片灰度自适应的方法，导入一张切片然后通过垂直投影的方法自适应改变灰度同时提出一个最可行的光照功率值，据此生成一个在此光照功率下的灰度分布图，最后把此灰度分布图与切片图像进行融合，生成所需的切片图像。图1所示是投影仪的工作原理示意图，本发明的方法应用在数字微镜晶片(DMD)上，即图1的DLP(数字光处理)部分。

图2为本发明实施例的一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法的流程图。

本发明实施例提出一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法，包括：

步骤100、生成与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，依次对划分的图像子块在光源前方有树脂槽遮挡的情况下进行光照功率测量；

步骤200、对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

步骤300、遍历每张切片图像，依据划分的m×n个不同位置的图像子块，查找切片图像中已填充的区域作为可曝光区域，从得到的可曝光区域候选图像子块中查找对应功率，以其中查找到的最小功率作为该张切片待调整的最适目标功率。其余图像子块检索对应位置相近于该最适目标功率对应的灰度值，保存为对应位置的m×n灰度值信息矩阵。当某张切片的某个位置查找到所有功率均低于最适目标功率时，默认此位置不含有可曝光区域，并将该区域的灰度值设定为25，保存至对应的m×n灰度值信息矩阵；

步骤400、根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理以保证输出灰度变化的平滑性；进一步将插值后的图像与原始切片图像进行融合而得到自适应的切片图像。

可选地，所述步骤100包括下述子步骤：

子步骤110、从灰阶为25开始每隔10个灰阶生成一副相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，这样一共生成24幅不同灰阶的相同灰度的图像，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

一系列不同灰阶的相同灰度的图像是指每一幅灰度图像内各像素的灰度是相同的，不同灰阶的各幅图像的灰度不相同，即不同灰阶的各幅图像的灰度相差为10个灰阶的整数倍。

子步骤120、对于所述一系列不同灰阶的相同灰度的图像中的每一幅图像，将视图面划分成m×n个面积相等的图像子块。

可选地，m和n的取值根据实际测量的环境等限制因素确定，例如，m＝9,n＝8，图3所示为将视图面划分成9×8个面积相等的图像子块。用(mi，ni)表示图像子块所在的位置,mi和ni都是整数，且1≤mi≤m，且1≤ni≤n。

子步骤130、对于所述一系列不同灰阶的相同灰度的图像中的每一幅图像，考虑到面曝光3D打印时树脂槽对光的反射作用，如图3所示，故利用投影把光投过树脂槽投在墙上，然后用高精度功率/能量计(Newport 2936-C)对视图平面内的各图像子块依次进行测量，得到各图像子块的紫外光辐照度数据。由此得到在未经灰度调节前视图平面上在相同灰度的前提下不同位置的m×n个图像子块的紫外光辐照度分布数据，这样一共需要记录24幅m×n的对应于紫外光辐照度的灰度图像数据。

进一步的，步骤200包括：

子步骤210、对测量得到的24幅m×n的对应于紫外光辐照度的灰度图像数据用傅里叶法进行分析，可以得到形如的关系式：

f(·x)＝a₀+a₁*cos(x*w)+b₁*sin(x*w)

其中f(x)表示在不同的灰度下光照功率值与灰度的关系，x表示灰度,w表示角频率(弧度/秒)。此关系式表示同一位置的图像子块下的紫外光辐照度随灰度变化变化规律，如图4所示。

子步骤220、根据每一位置下的图像子块下的紫外光辐照度随灰度变化的规律，得到每一个位置下的图像子块从灰阶为25到灰阶为255对应的光强的数据，共230组数据。同时，分析某一灰度有树脂槽遮挡时的光照强度分布图，如图5所示，可以发现投影出的光在经过树脂槽之后的分布是极不均匀的。

进一步地，步骤300包括：

子步骤310、根据所有m×n个位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，见图6所示，可以得出，在相同的位置，随灰度值的增加光照功率逐渐变大。

根据所有的m×n个位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，通过遍历每张切片中的m×n子块中的像素点，如图7(a)所示，图7(a)表示了一个模型的某层切片的示意图。把遍历完的像素点灰度与255做比较，我们认为当子块中有至少一个像素点的灰度等于255时说明此子块有填充，否则认为此子块没有填充，若判断出此时有填充时，根据填充所在的块的位置得出其在灰度值最高(灰度为255)时所能允许的光强的功率值，然后把所有有填充的块的功率值进行比较，取最小的功率值作为最适功率值。

子步骤320、根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵，当某一位置在最大灰度下的功率小于最适功率时，我们认为此位置无填充，即没有对打印有用的信息，这时其灰度被设置为25，保存到m×n的灰度值信息矩阵的相应位置。

由于每个输出的灰度值都是对应不同位置的，默认设置是先行再列，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵，此保存的数据的信息其实就是需要的灰度图像的不同块的灰度信息。

所述步骤400包括：

子步骤410、获取切片的属性(图像高度、宽度、相邻行的同列点之间的字节数)，然后根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

子步骤420、依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，得到灰度为指定值的灰度块，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

子步骤430、用双线性插值法，对所述包含m×n个灰度块的灰度图像进行插值处理，得到插值后的灰度图像，如图7(b)所示，其中图中以阴影线浓密表示灰度高低，即阴影线越浓灰度越低。

子步骤440、将插值后的灰度图像与原图像通过下述方式进行融合处理：依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像的切片像素的相同位置，扫描结束后得出模型自适应光照均匀化方法切片图像。

其中本发明为了验证算法的准确性，我们通过把已经经过算法调整好的切片按照之前的方法分成m×n个子块，用功率计分别测量每个子块的功率，根据这些功率值我们把其绘制到一幅图像上，如图8所示，明显下降的区域表示切片在此处无填充，通过图8我们可以发现，经过我们的算法的调节之后的每个位置的功率基本上都是相同的。

本发明实施例的一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法具有如下优点：

1)提高曝光均匀性，由于光功率的均匀化弥补了紫外光源辐射出来的光线为球面发散光和树脂槽镜面反射造成的发光区域的亮度分布存在差异，这样只要打印工艺正确就能尽可能的减少过曝光或曝光不足的概率；

2)可移植性，根据不同打印机的光输出不同，在得到某些特定的数据后，本方法可以快速生成使光照功率分布均匀的灰度图片；

3)可打印性，此光照功率自适应算法，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；

4)提高曝光时间，以前曝光时间的设定需要考虑到所有切片的可曝光区域均要曝光成型，这样对于可曝光区域少的切片的曝光时间就会大大加强，而应用了本算法以后每张切片的曝光时间都是独立的，同时对于那些可曝光区域小的切片尤为适用，这样可以大大提高曝光时间，因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

Claims (5)

1.一种面向面曝光3D打印的模型自适应光照均匀化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100、生成与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，依次对划分的图像子块在光源前方有树脂槽遮挡的情况下进行光照功率测量；

步骤200、对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

步骤300、遍历每张切片图像，依据划分的m×n个不同位置的图像子块，通过查找切片图像中已填充的区域作为可曝光区域，从得到的可曝光区域候选图像子块中查找对应功率，以其中查找到的最小功率作为该张切片待调整的最适目标功率；其余图像子块检索对应位置相近于该最适目标功率对应的灰度值，保存为对应位置的m×n灰度值信息矩阵；当某张切片的某个位置查找到所有功率均低于最适目标功率时，默认此位置不含有可曝光区域，并将该区域的灰度值设定为25，保存至对应的m×n灰度值信息矩阵；

步骤400、根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像；

其中，对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律的步骤200包括：

对每一个位置下的不同灰度的图像子块测量得到的光照功率数据进行傅里叶分析，得到该位置的图像子块在有反射情况下的紫外光辐照度随灰度变化的规律；

根据该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，确定该位置下的图像子块从灰度为25到灰度为255所对应的光照功率的数据，保存为与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤300包括：

首先以一张切片为例，把需要处理的切片图像切成m×n块；通过遍历每块中的像素点把其灰度与255做比较，我们认为当子块中有至少一个像素点的灰度等于255时说明此子块有填充，否则认为此子块没有填充，若判断出此时有填充时，根据填充所在的块的位置得出其在最高灰度值时所能允许的光强的功率值，然后把所有有填充的子块的功率值进行比较，取最小的功率值作为最适功率值；最高灰度值为255；

根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，但首先需要保证此位置在最大灰度时的功率要大于最适功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵，当某一位置在最大灰度下的功率小于最适功率时，认为此位置无填充，即没有对打印有用的信息，这时其灰度被设置为25，保存到m×n的灰度值信息矩阵的相应位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤400中还包括：

根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像。

4.根据权利要求1-3任意一项所述方法，其特征在于：在步骤400中还包括：

将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像的步骤包括：

依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像切片的相同像素位置，得出自适应的切片图像。

5.根据权利要求1-3任意一项所述方法，其特征在于：在步骤100中，从灰阶为25开始，每隔10个灰阶生成一副与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。