CN111654681A - 一种dlp光机的投影拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拼接DLP光机投影的方法，需要对投影区域的几何校正，对投影图像的放大补偿，在对投影图像进行分区后，还要对拼接部位的像素点进行精细分区。本发明实现了多台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，改善了相邻投影区域照射重叠的问题，并能保证拼接后的投影图像的尺寸和精度，为打印大幅面DLP模型铺平了道路。

Description

一种DLP光机的投影拼接方法

技术领域

本发明涉及3D打印设备领域，具体涉及一种DLP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DLP光机等投影设备，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，多个DLP光机的方案难以直接实现投影的准确对齐；再次，光固化工艺对光照敏感，一旦投影区域出现重叠或缝隙，都会可能导致打印层局部厚度的不一致，影响打印质量；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

本发明旨在提供DLP投影拼接方法，以实现树脂光固化三维打印场景下，至少两台DLP光机的投影图像能够准确拼接。

具体的，一种DLP投影拼接方法，包括：

S01.获取至少两个投影区域，且相邻两个投影区域之间存在重叠区域；

S02.对所述至少两个投影区域进行几何校正，记录几何校正系数，获取投影区域内的最大可用矩形；

S03.针对三维打印物品的模型数据进行几何校正系数倒数倍的放大补偿；

S04.依照校正矩形边界及工位数，对三维打印物品的模型数据进行分区；

S05.对相邻两个校正矩形边界两边的像素点进行精细分区，选择性设定亮区和暗区。

优选的，所述至少两个投影区域沿一个方向上排列，并可以沿另一个方向进行运动。

优选的，所述几何校正通过边界极值的方法获取定位点以及最大可用矩形的边界。

优选的，获取定位点后通过DLP光机投影长宽比，确定校正矩形和最大可用矩形的边界点。

优选的，所述几何校正通过对投影区域数据进行单应性变换实现。

优选的，所述几何校正系数为校正矩形和初始投影区域的长度、宽度的比值。

优选的，所述几何校正系数倒数为至少两个投影区域几何校正系数均值的倒数。

优选的，所述S05步骤还包含：

S51.确定相邻两个校正矩形重叠处，被校正矩形边界线切割的像素点；

S52.获取像素点处于校正矩形边界外的面积占该像素点面积的比例r；

S53.比较相邻两个校正矩形边界线两旁像素点的r值；

S54.r值较大的像素点设定为亮区，r值较小的像素点设定为暗区。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种DLP投影拼接方法，可以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，改善了相邻投影区域照射重叠的问题，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为本发明一种投影图像的分区示意图；

图2本发明的一种DLP投影拼接方法步骤示意图；

图3为本发明的一种DLP光机投影几何校正方法原理的示意图；

图4为本发明的一种DLP光机投影几何校正方法实施例的示意图；

图5为本发明的其他两种DLP光机投影几何校正方法实施例的示意图；

图6为本发明的一种DLP光机投影图像分区实施例的示意图；

图7本发明的一种DLP投影拼接方法中精细分区步骤示意图；

图8A为本发明的一种DLP光机投影图像在校正矩形重叠区域进行精细分区实施例的示意图；

图8B为本发明的另一种DLP光机投影图像在校正矩形重叠区域进行精细分区实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

在使用DLP工艺的三维打印场景下，为了获得更大的工作幅面，其中一种办法即是在y轴方向排列两台、三台或者更多台DLP光机，各台DLP光机分别投影对应工位的投影图像；所述DLP光机在完成一个工位的曝光后，共同沿x轴方向步进到下一个工位继续曝光，直至打印层全部工位打印完毕，即实现大幅面DLP工艺的三维打印。相对应的，三维打印物体也需要根据打DLP光机的个数、排列方式、工位数等参数，提前对各打印层进行投影分区。

如图1所示，为了实现所示六边形构件某一打印层的三维打印，所使用的三维打印装置包括纵向排列的三台DLP光机，根据对该打印层的投影分区设计，三台DLP光机先向A₀、A₁、A₂区域投影对应打印图像，即黑色区域，从而使对应区域的光敏树脂进行选择性固化；照射完上述投影后，所述三台DLP光机移动至第二工位，分别向A₃、A₄、A₅区域投影对应的打印图像，选择性固化对应的光敏树脂；照射完成后，所述三台DLP光机移动至第三工位，分别向A₈、A₉、A₁₀区域投影对应的打印图像，选择性固化对应的光敏树脂，从而完成该打印层的作业。同样的方法，当使用两台DLP光机时，还可以参照A₉—A₁₈的分区和工位，对该打印层进行作业。同理，还可以选择将四台DLP光机沿y轴排列或者“田字形”排列，并通过类似的方法完成打印面各个区域的照射。

但是，由于各台DLP光机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。因此，如按照理想状态下的A₀、A₁、A₂直接分区进行照射，则实际状态下的投影区域为都会具有一定偏差，例如A₀、A₁、A₂区域之间并不平行，相邻的区域之间存在重叠或者缝隙等，并不能直接进行三维打印操作。

为了解决上述问题，本发明提供的一种DLP光机拼接方法如图2所示，包括：

S01.获取至少两个投影区域，且相邻两个投影区域之间存在重叠区域；

S02.对所述至少两个投影区域进行几何校正，记录几何校正系数，获取投影区域内的最大可用矩形；

S03.针对三维打印物品的模型数据进行几何校正系数倒数倍的放大补偿；

S04.依照校正矩形边界及工位数，对三维打印物品的模型数据进行分区；

S05.对相邻两个校正矩形边界两边的像素点进行精细分区，选择性设定亮区和暗区。

具体的，使用至少两台DLP光机，所述至少两台DLP光机在三维打印的工作平面上获取至少两个投影区域，其中相邻的投影区域之间存在重叠区域。这样可以保证所述至少两个投影区域之间为连续光照区域，不存在投影缝隙。所述至少两个投影区域沿一个方向上排列，并可以沿另一个方向进行运动。

在一个或多个实施例中，当投影区域为两个时，两个投影区域的连接处存在重叠区域，当投影区域为三个时，各投影区域需要和前后相邻的投影图像存在重叠区域，如图3中B₀、B₁、B₂三个投影区域所示。

在上述实施例中，各投影区域还能存在一定角度的偏差，他们组成的初始投影区域并不能实现规则矩形的投影，如果直接投射理想状态下的分区打印层图像，则不能实现各打印区域中图像的正确拼接。因此，本发明提供的一种DLP光机拼接方法首先需要对上述投影区域进行几何校正，具体包括：

S01.获取B₀、B₁、B₂三个投影区，且B₀与B₁、B₁与B₂之间存在重叠区域；

S02.对所述上述三个投影区域进行几何校正，记录三个投影区域的几何校正系数，获取整体投影区域内的最大可用矩形；

其中，所述几何校正通过边界极值的方法获取定位点以及最大可用矩形的边界；获取定位点后通过DLP光机投影长宽比，确定校正矩形和最大可用矩形的边界点；最后通过对投影区域数据进行单应性变换，实现所述几何校正。

实施例一

打印目标为如图1所示的六边形构件的一层打印层，三台DLP光机纵向排列，按照A₀、A₁、A₂的分区方式，所述三台DLP光机在三维打印工作平面上的实际投影区域如B₀、B₁、B₂所示，相邻的投影区域之间存在重叠区域。

在该实施例中，三台光机共有两个重叠区域如图3所示，在重叠区域中抓取4个定位点c₂、c₃、c₄、c₅构成校正矩形区域C₁，使得C₁与A₁成比例，且c₂、c₄在一条竖直线上，c₃、c₅在一条竖直线上；随后，根据校正矩形区域C₁的边界确定校正矩形区域C₀与C₂,并且C₀与A₀成比例，C₂与A₂成比例，其中c₀，c₁在B₀内，c₆与c₇在B₂内；最后，将三台DLP光机投影区域的位置转换为C₀、C₁、C₂组成的矩形区域，即将B₀的4个角点r₀、r₁、r₂、r₃最终将调整到c₀、c₁、c₂、c₃；B₁的4个角点r₄、r₅、r₆、r₇最终将调整到c₃、c₂、c₄、c₅；B₂的4个角点r₈、r₉、r₁₀、r₁₁最终将调整到c₅、c₄、c₆、c₇；相应的单应性变换矩阵公式，可用式1表示：

Tr_i＝c_i 式1

其中，

t₂₂＝1，r_i＝[r_ix,r_iy,1]^T，c_i＝[c_ix,c_iy,1]^T，

如以投影区域A₀为例，则i＝0，1，2，3。通过以上步骤即可将实际投影图像变换到几何校正投影图像，完成几何校正。

在上述实施例中，抓取定位点c₂、c₃、c₄、c₅的方法如图4所示。计算B₀、B₁、B₂整体投影区域左方边界的x坐标最大值x_左max，以及右方边界x坐标的最小值x_右min，且x_右min>x_左max；分别作直线x₁＝x_左max、x₂＝x_右min，所述两条直线与B₀与B₁的重叠区域、B₁与B₂的重叠区域，分别重叠交于4点，在B₀与B₁重叠区域的交点为p₀、p₁、p₂、p₃，在B₁与B₂重叠区域的交点为p₄、p₅、p₆、p₇。以p₀p₂与p₁p₃重叠部分的中点作水平线q₀q₁，以p₄p₆与p₅p₇(公共)重叠部分的中点作水平线q₂q₃，设水平线q₀q₁与q₂q₃的距离为l，即为校正矩形区域C₁的长；根据DLP投影的标准长宽比α,可得出矩形区域C₁的宽度w＝l/α，确保w<q₀q₁，由此确定：

c₂＝q₁-(q₀q₁-w)/2,c₃＝q₀+(q₀q₁-w)/2

c₄＝q₃-(q₂q₃-w)/2,c₅＝q₂+(q₂q₃-w)/2 式2

在上述实施例中，在定位点c₂、c₃、c₄、c₅的位置确定之后，校正矩形区域C₀与C₂的边界点c₀、c₁、c₆、c₇的位置可通过c₂、c₃、c₄、c₅的位置及校正矩形区域C₁的长l确定，可用式3表示：

c₀＝c₃-(0,l),c₁＝c₂-(0,l)

c₆＝c₄+(0,l),c₇＝c₅+(0,l) 式3

在其它实施例中，如使用两台DLP光机时如图5所示，则两个投影区A₉、A₁₀域有1个重叠区域；则也可以通过实施例一的方法进行几何校正，将两台DLP光机投影区域的位置转换为校正矩形C₃、C₄组成的矩形区域。具体的，在重叠区域抓取2个定位点c₁₀、c₁₁，抓取方法如实施例一中抓取c₂、c₃的方法一致；再以c₁₀、c₁₁的距离设为校正矩形C₃和C₄的宽w，根据DLP投影的标准长宽比α,可得出校正矩形区域的长度l＝wα；依据c₁₀、c₁₁的位置和校正矩形区域的长度l，即可确定两个校正矩形的边界C₈、C₉、C₁₂、C₁₃的位置，可用式4表示：

C₈＝c₁₀-(0,l),c₉＝c₁₁-(0,l)

C₁₂＝c₁₀+(0,l),c₁₃＝c₁₁+(0,l) 式4

最后，通过单应性变换矩阵，将两台DLP光机投影区域的位置分别转换为两个校正矩形C₃、C₄组成的矩形区域。

在其它实施例中，当DLP光机个数为其它数量时，如包含图5中四个投影区域时，可以使用上述实施例中的方法抓取重叠区域的定位点；根据定位点之间的距离关系，灵活设定校正矩阵的长度或宽度；通过DLP投影的标准长宽比α，推算校正矩形的边界；并通过单应性变换矩阵获得几何校正后的投影区域位置。

在上述实施例中，如图3、5所示，经过几何校正之后，理想状态下的投影区域，如A₀、A₁、A₂，在转换为校正矩形，如C₀、C₁、C₂后，其投影区域实际上被缩小了。为了使随后三维打印出的物品尺寸不会因此而缩小，因此需要进行放大补偿。由于三维打印中DLP光机只在需要光固化的区域进行投影，因此为了保证三维打印物品尺寸不变，根据几何校正的数据，需要针对三维打印物品的模型数据进行几何校正系数倒数倍的放大补偿。

在一个或多个实施例中，首先三维打印控制器存储几何校正中，校正矩形和初始投影区域的长宽比例S_y、S_x，即几何校正系数；其次，三维打印控制器在x、y轴方向，将三维打印物体模型数据分别放大S_x、S_y的倒数倍，即放大系数。即所述几何校正系数为校正矩形和初始投影区域的长度、宽度的比值。所述三维打印物体模型数据可以是全部数据直接进行补偿，也可以是三维打印物体模型沿z轴进行分层后的各层数据，进行补偿。

由于三维打印装置采用至少两台DLP光机，因此各台光机在几何矫正时产生的放大系数并不一致。在一个或多个实施例中，y、x轴的放大系数，可分别选择多块校正矩形S_y、S_x数值的均值。即所述几何校正系数倒数为至少两个投影区域几何校正系数均值的倒数。

实施例二

如图3所示。通过几何校正，B₀区域的校正系数S_B0y＝0.985，S_B0x＝0.984；B₀区域的校正系数S_B1y＝0.984，S_B1x＝0.985；B₀区域的校正系数S_B2y＝0.983，S_B2x＝0.986；计算平均值后的校正系数为S_y＝0.984，S_x＝0.985；则三维打印物体其中一层打印层的二维数据，放大补偿后，长度方向，即y轴方向为放大补偿前的(1/0.984)倍；宽度方向，即x轴方向为放大补偿前的(1/0.985)倍。

经过对打印区域的几何校正，并将三维打印物品的模型数据按照上述方法进行放大补偿之后，就可以对三维打印物品各打印层的数据，按照校正矩形的边界和工位数，对三维打印物品的模型数据进行分区。但是实际状态下，DLP光机投影的像素点具有一定长度，其边界往往不会与校正矩形宽度的边界一致。如图4所述，当实施例一中的打印图像进行分区后，校正矩形C₀、C₁的边界c₂c₃的连线，并未处于各校正矩形拼接处像素点的边界上。两个校正矩形边界处的n₀₁和n₁₁像素点行横跨了边界c₂c₃。因此，在实际工作时，如果n₀₁和n₁₁行对应的像素点均进行投影，则仍存在一部分重叠区域。所述重叠区域内照射强度是其他区域的两倍；照射后树脂光固化的厚度或者固化成程度，较其他区域存在差异，影响了打印质量。因此为了提高投影图像的拼接质量，还需要对投影区域边界处的像素点进行调节。

在一个或多个实施例中，为了改进上述的重叠问题，针对投影图像位于校正矩形边界处的像素进行精细分区，在对相邻两个校正矩形边界两边的像素点进行精细分区，选择性设定亮区和暗区。

具体的，还包含如下步骤(如图7所示)：

S51.确定相邻两个校正矩形重叠处，被校正矩形边界线切割的像素点；

S52.获取像素点处于校正矩形边界外的面积占该像素点面积的比例r；

S53.比较相邻两个校正矩形边界线两旁像素点的r值；

S54.r值较大的像素点设定为亮区，r值较小的像素点设定为暗区；

所述r较大的像素点设定为亮区后，在DLP光机投影时照射；r较小的像素点设定为暗区后，在DLP光机投影时不照射。

具体的，在多个实施例中如图8A所示，在实施例一中的打印图像进行分区后，校正矩形C₀边界处的n₀₁行像素点被边界c₂c₃切割，边界外的区域面积占像素点面积的比例为r_n01；校正矩形C₁边界处的n₁₁行像素点被边界c₂c₃切割，边界外的区域面积占像素点面积的比例为r_n11；r_n01>r_n11,则投影区域中，n₀₁行的像素点设定为亮区，n₁₁行的像素点设定为暗区。在一个或多个实施例中或者在该层投影图像中的n₀₁行的对应像素点设定为亮区，n₁₁行的对应像素点设定为暗区。

在其它实施例中如图8B，由于像素点行的底边与边界线c₂c₃并不平行，n₁₁行各像素点的r值并不相同，因此投影图像中对应在边界线c₂c₃附近的两列像素点，需要进行逐个比较，n₀₁行对应像素点中r值大于n₁₁行对应像素点中r值的，设定为亮区，则对应的像素对投影区域光敏树脂进行光固化，n₁₁行对应的像素点不亮，反之亦然。

经过精细分区后，拼接处中重叠照射的区域为单个像素点面积的(r_n01+r_n11-1)倍，小于不进行像素点调节时的(r_n01+r_n11)倍，可以有效改善相邻校正矩形的重叠照射问题。

以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种DLP投影拼接方法，其特征在于，包括：

S01.获取至少两个投影区域，且相邻两个投影区域之间存在重叠区域；

S02.对所述至少两个投影区域进行几何校正，记录几何校正系数，获取投影区域内的最大可用矩形；

S03.针对三维打印物品的模型数据进行几何校正系数倒数倍的放大补偿；

S04.依照校正矩形边界及工位数，对三维打印物品的模型数据进行分区；

S05.对相邻两个校正矩形边界两边的像素点进行精细分区，选择性设定亮区和暗区。

2.根据权利要求1所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，所述至少两个投影区域沿一个方向上排列，并可以沿另一个方向进行运动。

3.根据权利要求1所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，所述几何校正通过边界极值的方法获取定位点以及最大可用矩形的边界。

4.根据权利要求3所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，获取定位点后通过DLP光机投影长宽比，确定校正矩形和最大可用矩形的边界点。

5.根据权利要求1所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，所述几何校正通过对投影区域数据进行单应性变换实现。

6.根据权利要求1所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，所述几何校正系数为校正矩形和初始投影区域的长度、宽度的比值。

7.根据权利要求1所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，所述几何校正系数倒数为至少两个投影区域几何校正系数均值的倒数。

8.根据权利要求1所述的DLP投影拼接方法，其特征在于，所述S05步骤包含：

S51.确定相邻两个校正矩形重叠处，被校正矩形边界线切割的像素点；

S52.获取像素点处于校正矩形边界外的面积占该像素点面积的比例r；

S53.比较相邻两个校正矩形边界线两旁像素点的r值；

S54.r值较大的像素点设定为亮区，r值较小的像素点设定为暗区。

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