一种数字光处理光机的投影拼接方法及装置
技术领域
本发明属于3D打印设备领域,具体涉及一种数字光处理光机的投影拼接方法。
背景技术
现有树脂光固化三维打印技术,是将打印目标先逐层切片,然后将各层切片图像依次通过逐点扫描的方式进行选择性光固化,即(StereoLithography Apparatus,简称SLA)工艺。但由于打印过程中采用逐点扫描的方式,在一定程度上影响了三维打印的速度与效率。
为了提高树脂光固化三维打印技术的打印速度,现有技术中还可以使用数字光处理(Digital Light Processing,简称DLP)光机等投影设备。所谓DLP技术也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理,然后再把光投影出来。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜元件——DMD(Digital Micromirror Device)来完成可视数字信息显示的技术。说得具体点,就是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光机将单层切片的层图像直接投影照射到打印平面上,并对液态的光固化树脂进行光固化,随后逐层完成打印的过程,即DLP工艺。该工艺提高了打印效率,但是同样也带来了问题,即单个DLP光机的投影尺寸大小,限制了三维打印物体的尺寸大小,也限制了三维打印零件的批量化生产。
为了解决单个DLP光机投影尺寸问题对树脂光固化三维打印工艺的限制,一种方法是将多个光机并列布置,完成一个工位的曝光后,步进到下一个工位继续曝光。随之而来的一个问题是,如何实现光机投影的准确拼接。因为DLP光机出厂之后,各项技术指标存在差异,如焦距并非完全相等;其次,由于存在加工与装配误差,以及三维打印系统空间的限制,DLP光机难以直接实现投影的准确对齐;最后,由于三维打印的特殊需要,无论怎样调节,都需要保证打印出的三维物体的尺寸和精度,与设计的模型相一致。因此需要额外的调节手段。
发明内容
为解决现有技术中单个DLP光机的投影尺寸大小,限制了三维打印物体的尺寸大小,也限制了三维打印零件的批量化生产。而将多个光机并列布置,完成一个工位的曝光后,步进到下一个工位继续曝光时带来的一个问题是难以实现光机投影的准确拼接的技术问题。本发明提出了一种DLP光机的投影拼接方法及装置,能够保证打印出的三维物体的尺寸和精度,与设计的模型相一致。
为了实现这一目标,本发明采取了如下的技术方案。
一种数字光处理光机的投影拼接方法,包括以下步骤:
S1、调整一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机的投影区域,使得所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的调整前投影区域存在重叠区域;
S2、利用所述重叠区域内的几何元素,将所述多台数字光处理光机的投影区域中的实际图像变换到校正图像,完成粗调;
S3、对所述粗调后的校正图像,进行微调,实现所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的校正图像的对接。
其中,所述步骤S1包括:
S11、所述一维度方向y方向上三个相邻的数字光处理光机的理论投影区域为A0、A1和A2,所述多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的调整前投影区域为B0、B1和B2,所述调整前投影区域B0和B1,以及B1和B2之间存在重叠区域;
相应地,所述步骤S2中包括:
S21、在调整前投影区域B0和B1,以及B1和B2之间的重叠区域中分别找2个点,以此4个点构成新的矩形区域C1,使得C1和A1成比例,且C1为竖直设置,以所述比例继续构成新的矩形区域C0和C2,所述新的矩形区域C0和C2分别与A0和A2成所述比例;
S22、将调整前投影区域B0、B1和B2的四个角点分别调整到C0、C1和C2的四个角点。
另外,所述步骤S21还包括:
S210、获取调整前投影区域B0、B1和B2的四个角点的坐标值,坐标值的原点与调整前投影区域B0的左下角对齐;
S211、确定调整前投影区域为B0、B1和B2各自的左上、左下角点的x分量的最大值为xmax,B0、B1和B2各自的右上、右下角点x分量的最小值为xmin,以所述边界值xmin和xmax为基准做出两条直线x=xmin和x=xmax;
S212、所述两条直线x=xmin和x=xmax分别与调整前投影区域B0和B1,以及B1和B2之间的重叠区域构成两个四边形,所述两个四边形分别具有四个角点,分别为p0、p1、p2、p3以及p4、p5、p6、p7;
S213、以p0p2与p1p3公共部分的中点q0和q1作水平线q0q1,以p4p6与p5p7公共部分的中点q2和q3作水平线q2q3,水平线q0q1与q2q3的距离为l,数字光处理光机投影的标准长宽比为α,则得出宽度w=l/α;
S214、确定c2=q1-(q0q1-w)/2,
c3=q0+(q0q1-w)/2,
c4=q3-(q2q3-w)/2,
c5=q2+(q2q3-w)/2
c0=c3-(0,l),
c1=c2-(0,l)
c6=c4+(0,l),
c7=c5+(0,l);
S215、以c2、c3、c3、c4构建新的矩形区域C1,以c0、c1、c2、c3构建新的矩形区域C0,以c4、c5、c6、c7构建新的矩形区域C2。
其中,所述步骤S22还包括:
S220、获取调整前投影区域B0、B1和B2的四个角点的坐标值,坐标值的原点与调整前投影区域B0的左下角对齐;
S221、将调整前投影区域B0的4个角点r0、r1、r2、r3调整到新的矩形区域C0的四个角点c0、c1、c2、c3,将调整前投影区域B1的4个角点r4、r5、r6、r7调整到新的矩形区域C1的四个角点c3、c2、c4、c5,将调整前投影区域B2的4个角点r8、r9、r10、r11调整到新的矩形区域C2的四个角点c5、c4、c6、c7,所述调整方式为采用变换矩阵T:
Tr
i=c
i,其中
t
22=1,r
i=[r
ix,r
iy,1]
T,c
i=[c
ix,c
iy,1]
T,i=0,1,2,3,令其中的x和y分量相等,即可解出变换矩阵T中的未知数。
特别地,对所述粗调后的校正图像进行微调,包括对调整后的矩形区域进行缩放、旋转、平移中的一种或多种。
其中,所述对调整后的矩形区域进行旋转包括步骤:
S30、设A、B、C分别是理论投影区域A0、A1、A2的中心点,为将理论投影区域A0中的图形P1绕A点沿逆时针旋转θ角,可先将P1沿矢量AO移动到P2,旋转θ角度得到P3后,再沿矢量OA移回,由此得到的P4就是最终结果,其中的变换矩阵为:TA=TOARθT-OA;
S31、相应地,将理论投影区域A1中的图形P5绕中心点B沿逆时针旋转θ角的变换为:
TB=TOBRθT-OB;
S32、相应地,将理论投影区域A2中的图形P9绕中心点C沿逆时针旋转θ角的变换为:
TC=TOCRθT-OC;
其中,投影区域A0、A1、A2的变换矩阵经过校正,相应地,同一行上的其它区域也需要校正,且与最左侧的已校正区域保持一致;
投影区域A1的校正矩阵为:
TB=TOBTxT-OB
其中的Tx为校正投影区域A1时发生的包括旋转、平移、缩放中的一种或多种形成的复合变换矩阵,且右侧投影区域D的校正矩阵为:
TD=TBDTBT-BD
其中,右侧投影区域的校正矩阵总是从左边第1列上的相应校正矩阵作的变换;光机在x方向上的步进移动量取拼接完成后光机投影的列宽。
另外,所述对调整后的矩形区域进行缩放包括步骤:
S30’根据历史水平,给定缩放系数s%,将所述多个数字光处理光机原模型放大为原来的1+s%倍。
本发明还包括了一种数字光处理光机的投影拼接装置,包括机械调节部件、粗调部件和微调部件,其中,
所述机械调节部件用于调整一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机的投影区域,使得所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的调整前投影区域存在重叠区域;
所述粗调部件利用所述重叠区域内的几何元素,将所述多台数字光处理光机的投影区域中的实际图像变换到校正图像,完成粗调;
所述微调部件用于对所述粗调后的校正图像,进行微调,实现所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的校正图像的对接。
采用本发明的DLP光机的投影拼接方法及装置,能够在树脂光固化三维打印的应用场景下,实现多台DLP光机投影图像的准确拼接,克服了光机本身以及装配等因素带来的偏差,并能保证拼接后的投影图像的尺寸和精度,与设计的模型相一致。
附图说明
图1为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的流程示意图。
图2为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的多个DLP光机投影的位置关系图。
图3为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。
图4为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。
图5为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。
图6为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。
图7为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的水平校正步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而,此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而,应该理解,本发明不局限于公开的具体示范实施例,而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中,相同的附图标记表示相同的元件。
参阅附图,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的位置限定用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
同时应该理解,如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解,当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时,它可以直接连接或耦接到其他部件或单元,或者也可以存在中间部件或单元。此外,用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如,“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
图1为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的流程示意图。如图1所示,本发明具体实施方式中的数字光处理光机的投影拼接方法,包括以下步骤:
S1、调整一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机的投影区域,使得所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的调整前投影区域存在重叠区域;
S2、利用所述重叠区域内的几何元素,将所述多台数字光处理光机的投影区域中的实际图像变换到校正图像,完成粗调;
S3、对所述粗调后的校正图像,进行微调,实现所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的校正图像的对接。
图2为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的多个DLP光机投影的位置关系图。图3为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。图4为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。如图2至图4所示,在本发明一个具体的实施方式中,所述步骤S1包括:
S11、所述一维度方向y方向上三个相邻的数字光处理光机的理论投影区域为A0、A1和A2,所述多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的调整前投影区域为B0、B1和B2,所述调整前投影区域B0和B1,以及B1和B2之间存在重叠区域;
相应地,所述步骤S2中包括:
S21、在调整前投影区域B0和B1,以及B1和B2之间的重叠区域中分别找2个点,以此4个点构成新的矩形区域C1,使得C1和A1成比例,且C1为竖直设置(所谓C1为竖直设置是指其两个侧边c2、c4在一条竖直线上,c3、c5在一条竖直线上),以所述比例继续构成新的矩形区域C0和C2,所述新的矩形区域C0和C2分别与A0和A2成所述比例;
S22、将调整前投影区域B0、B1和B2的四个角点分别调整到C0、C1和C2的四个角点。
图5为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。图6为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的粗调步骤的示意图。在本发明一个更加具体的实施方式中,所述步骤S21还包括:
S210、获取调整前投影区域B0、B1和B2的四个角点的坐标值,坐标值的原点与调整前投影区域B0的左下角对齐;
S211、确定调整前投影区域为B0、B1和B2各自的左上、左下角点的x分量的最大值为xmax,B0、B1和B2各自的右上、右下角点x分量的最小值为xmin,以所述边界值xmin和xmax为基准做出两条直线x=xmin和x=xmax;
S212、所述两条直线x=xmin和x=xmax分别与调整前投影区域B0和B1,以及B1和B2之间的重叠区域构成两个四边形,所述两个四边形分别具有四个角点,分别为p0、p1、p2、p3以及p4、p5、p6、p7;
S213、以p0p2与p1p3公共部分的中点q0和q1作水平线q0q1,以p4p6与p5p7公共部分的中点q2和q3作水平线q2q3,水平线q0q1与q2q3的距离为l,数字光处理光机投影的标准长宽比为α,则得出宽度w=l/α;
S214、确定c2=q1-(q0q1-w)/2,
c3=q0+(q0q1-w)/2,
c4=q3-(q2q3-w)/2,
c5=q2+(q2q3-w)/2
c0=c3-(0,l),
c1=c2-(0,l)
c6=c4+(0,l),
c7=c5+(0,l);
S215、以c2、c3、c3、c4构建新的矩形区域C1,以c0、c1、c2、c3构建新的矩形区域C0,以c4、c5、c6、c7构建新的矩形区域C2。
在本发明一个具体的实施方式中,所述步骤S22还包括:
S220、获取调整前投影区域B0、B1和B2的四个角点的坐标值,坐标值的原点与调整前投影区域B0的左下角对齐;
S221、将调整前投影区域B0的4个角点r0、r1、r2、r3调整到新的矩形区域C0的四个角点c0、c1、c2、c3,将调整前投影区域B1的4个角点r4、r5、r6、r7调整到新的矩形区域C1的四个角点c3、c2、c4、c5,将调整前投影区域B2的4个角点r8、r9、r10、r11调整到新的矩形区域C2的四个角点c5、c4、c6、c7,所述调整方式为采用变换矩阵T:
Tr
i=c
i,其中
t
22=1,r
i=[r
ix,r
iy,1]
T,c
i=[c
ix,c
iy,1]
T,i=0,1,2,3,令其中的x和y分量相等,即可解出变换矩阵T中的未知数。
特别地,在本发明一个具体实施方式中,因为点的测量过程中存在误差对所述粗调后的校正图像进行微调,包括对调整后的矩形区域进行缩放、旋转、平移中的一种或多种。
图7为根据本发明具体实施方式中DLP光机的投影拼接方法的水平校正步骤(即旋转步骤)示意图。如图7所示,在本发明一个具体实施方式中,所述对调整后的矩形区域进行旋转操作包括步骤:
S30、设A、B、C分别是理论投影区域A0、A1、A2的中心点,为将理论投影区域A0中的图形P1绕A点沿逆时针旋转θ角,可先将P1沿矢量AO移动到P2,旋转θ角度得到P3后,再沿矢量OA移回,由此得到的P4就是最终结果,其中的变换矩阵为:TA=TOARθT-OA;
S31、相应地,将理论投影区域A1中的图形P5绕中心点B沿逆时针旋转θ角的变换为:
TB=TOBRθT-OB;
S32、相应地,将理论投影区域A2中的图形P9绕中心点C沿逆时针旋转θ角的变换为:
TC=TOCRθT-OC。
另外,在本发明一个具体的实施方式中,所述对调整后的矩形区域进行缩放包括步骤:
S30’根据历史水平,给定缩放系数s%,将所述多个数字光处理光机原模型放大为原来的1+s%倍。
其中,所述缩放系数表明校正之后的投影区域长、宽上相对于校正前投影区域长、宽的比例(注意:不是面积比例)。因此,“放大补偿”只需要在切片之前将导入的模型在两个方向上分别放大这两个数的倒数倍即可,放大的中心为模型包容盒底面中心。
总体说来,微调的步骤是:因定中间投影,调节两侧投影,首先调缩放比例,然后旋转对齐,然后平移对接。
对投影区域A0、A1、A2,设粗调变换矩阵为Tcoarse,微调变换矩阵为Tfine,则总的变换矩阵为:
Tall=TfineTcoarse,
现假设理论投影区域A0、A1、A2的变换矩阵已经经过校正。相应地,同一行上的其它区域也需要校正,且与最左侧的已校正区域保持一致。
假设投影区域A1的校正矩阵为:
TB=TOBTxT-OB
校正投影区域A1时,同时使用了粗调和微调,且微调时除了旋转,还可能进行了平移、缩放,并且微调时变换的次数和顺序不是固定的,因此式中的Tx是一个复合变换,在此基础上,同一行上右侧的投影区域D的校正矩阵可表示为:
TD=TBDTBT-BD=TBDTOBTxT-OBT-BD,
光机在x方向上的步进移动量取拼接完成后光机投影的列宽。
校正时,原图形有一定程序的缩小(缩放系数可从最终的变换矩阵中获得),因此,校正之后再切片前,需要对模型作相应的放大补偿。
与本发明的数字光处理光机的投影拼接方法相对应,本发明具体实施方式中还包括了一种数字光处理光机的投影拼接装置,包括机械调节部件、粗调部件和微调部件,其中,
所述机械调节部件用于调整一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机的投影区域,使得所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的调整前投影区域存在重叠区域;
所述粗调部件利用所述重叠区域内的几何元素,将所述多台数字光处理光机的投影区域中的实际图像变换到校正图像,完成粗调;
所述微调部件用于对所述粗调后的校正图像,进行微调,实现所述一个维度方向y方向上的多台数字光处理光机中的相邻数字光处理光机的校正图像的对接。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例,但如前所述,应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本说明书所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。