CN111899308A - 3d打印机的光学标定方法及3d打印机的光学标定系统 - Google Patents

3d打印机的光学标定方法及3d打印机的光学标定系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种3D打印机的光学标定方法及3D打印机的光学标定系统，3D打印机的光学标定方法包括如下步骤：步骤100、光学设备将投影图投射至投影平台、将标定板置于投影平台，拍摄投影平台；步骤200、根据拍摄到的图像，识别标定点坐标和实际投影点坐标，得到标定点矩阵和实际投影点矩阵；步骤300、对标定点矩阵和/或实际投影点矩阵进行旋转平移操作，然后计算标定点与实际投影点在图像坐标系中的间距值T0；步骤400、将图像坐标系中的T0换算成像素坐标系的偏移量C1，根据所述偏移量C1能够对初始的理想投影图进行反向畸变处理，用于抵消光学畸变。

Description

3D打印机的光学标定方法及3D打印机的光学标定系统
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种3D打印机的光学标定方法及3D打印机的光学标定系统。
背景技术
目前，光固化3D打印是利用光学设备照射液态光敏树脂后使其固化的原理，使材料逐层成型，最后层层叠加成为三维实体。其中，面曝光式光固化3D打印为光固化3D打印的分支之一，其通过投影图像的方式来成型。然而，由于镜头光学畸变的影响，投影图像会出现变形的问题，如图1中所示，图(a)为理想的投影图，图(b)为可能出现的桶形畸变，图(c)为可能出现的枕形畸变图，因而，需要对投影的光学设备模块进行标定。
发明内容
本申请的目的在于提供一种3D打印机的光学标定方法及3D打印机的光学标定系统，在一定程度上解决了现有技术中存在的在3D打印领域中需要对投影的光学设备模块进行标定的技术问题。
本申请提供了一种3D打印机的光学标定方法，包括如下步骤：
步骤100、光学设备将投影图投射至投影平台、将标定板置于投影平台，拍摄投影平台；
步骤200、根据拍摄到的图像，识别标定点坐标和实际投影点坐标，得到标定点矩阵和实际投影点矩阵；
步骤300、对标定点矩阵和/或实际投影点矩阵进行旋转平移操作，然后计算标定点与实际投影点在图像坐标系中的间距值T0；
步骤400、将图像坐标系中的T0换算成像素坐标系的偏移量C1，根据偏移量C1能够对初始的理想投影图进行反向畸变处理；
其中，T0以及C1均为矢量构成的矩阵。
在上述技术方案中，进一步地，光学设备将投影图投射至投影平台、将标定板置于投影平台，且使得标定板与所述投影图错开，而后拍摄投影平台。
在上述任一技术方案中，进一步地，在所述步骤200中，得到标定点矩阵
Figure BDA0002622386640000021
实际投影点矩阵
Figure BDA0002622386640000022
其中，P1与P2的数据均是基于图像坐标系，其单位为mm；m、n为点阵行列数。
在上述任一技术方案中，进一步地，在所述步骤300中，旋转后的标定点矩阵和实际投影点矩阵分别如下：P1'＝R1P1，P2'＝R2P2；
其中，P1'：旋转后的标定点矩阵；P2'：旋转后的实际投影点矩阵；R1和R2均为旋转矩阵参数。
在上述任一技术方案中，进一步地，对于旋转操作，原理如下：
Figure BDA0002622386640000023
对应矩阵运算方式：
Figure BDA0002622386640000024
进而得出旋转矩阵参数
Figure BDA0002622386640000025
其中，x'和y'为旋转后的坐标点，x和y为原坐标点。
在上述任一技术方案中，进一步地，完成旋转操作后，根据公式计算T0＝P2'-P1'-T'，计算得到
Figure BDA0002622386640000031
从而完成平移操作；
其中，d为经旋转平移后的标定点和投影点的中心偏移量；T'为取自于畸变最小的区域的实际投影点矩阵以及标定点矩阵之差。
在上述任一技术方案中，进一步地，通过最小二乘法对整个图像区域进行计算，找出实际畸变最小的区域。
在上述任一技术方案中，进一步地，首先将T0矩阵中的各个参数转换成像素坐标系下的参数，而后通过拟合运算可得到结果T0'，
Figure BDA0002622386640000032
其中，d'为像素坐标系下的标定点和投影点的中心偏移量，j、k分别对应图像的分辨率的长宽值。
在上述任一技术方案中，进一步地，根据公式C1＝C0+T0'P'，最终能够计算得到图像中所有像素点在像素坐标中的位置信息；
其中：
Figure BDA0002622386640000033
Figure BDA0002622386640000034
C0为图像的元素坐标位置信息，P'为单位像素点对应的物理尺寸，S为像素点。
本申请还提供了一种3D打印机的光学标定方法，包括上述任一技术方案所述的3D打印机的光学标定系统，因而，具有该方法的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
在上述技术方案中，进一步地，所述3D打印机的光学标定系统包括：摄像设备、光机、标定设备以及所述标定板；其中，所述标定板用于放置在3D打印机的所述投影平台上，且所述标定板上形成有呈矩阵分布的标定点；所述光机设置于所述投影平台的上方或者下方，用于向投影平台投射呈矩阵分布的实际投影点；所述摄像设备用于拍投影平台上的标定点以及实际投影点；所述标定设备与所述摄像设备通信连接。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
通过本标定方法能够大大消除镜头光学畸变的影响，尤其本方法是通过投影点的偏移量来换算成每个像素点的偏移量，属于基于像素级别的调整，较一般的标定方法而言，本方法的标定结果更准确，使得实际投影图和理想投影图之间的误差更小。
本申请提供的3D打印机的光学标定系统，基于上述所述的3D打印机的光学标定系统，因而，通过本3D打印机的光学标定系统能够消除镜头光学畸变的影响，保证3D打印的精准性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有3D打印技术中投影图出现的畸变示意图，其中，图(a)为理想的投影图，图(b)为可能出现的桶形畸变，图(c)可能出现的枕形畸变图；
图2为本申请实施例提供的3D打印机的光学标定方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的3D打印机的光学标定系统的结构示意图；
图4为本申请实施例中拍摄的标定板示意图；
图5为本申请实施例中拍摄的理想投影示意图；
图6为本申请实施例中拍摄的实际投影示意图；
图7为本申请实施例中拍摄的投影平台的示意图。
附图标记：
1-摄像设备，2-投影平台，3-标定板，31-标定点，4-光机，5-理想投影图，51-理想投影点，6-实际投影图，61-实际投影点。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。
基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参照图1至图4描述根据本申请一些实施例所述的3D打印机的光学标定方法及3D打印机的光学标定系统。
实施例一
参见图2至图7所示，本申请的实施例提供了一种3D打印机的光学标定方法，适用的标定的对象也即前述的光学设备包括光机，投影仪，DLP(数字化光处理)，LCD(液晶显示)等具备图像显示的器件，以下将本方法具体应用在标定光机上加以举例说明，并且参照下文所述的3D打印机的光学标定系统中出现的部件的标号，本3D打印机的光学标定方法包括如下步骤：
步骤100、光机4将投影图投射至投影平台2，将标定板3置于投影平台2，且使得标定板3与所述投影图错开，而后拍摄投影平台2；此处注意，不仅限于上述拍摄过程，还可采用分别拍摄的方法即标定板和投影图分开拍摄，将标定板3置于投影平台2，拍摄一次投影平台2得到一个拍摄图像；光机4将投影图投射至投影平台2，拍摄一次投影平台2得到一个拍摄图像；而后将两个拍摄图像对比，而且上述的分开拍摄的前后顺序可以自行调整。
步骤200、根据拍摄到的图像，识别标定点31坐标和实际投影点坐标，得到标定点矩阵和实际投影点矩阵；
步骤300、对标定点矩阵和/或实际投影点矩阵进行旋转平移操作，然后计算标定点31与实际投影点61在图像坐标系中的间距值T0；
步骤400、将图像坐标系中的T0换算成像素坐标系的偏移量C1，根据偏移量C1能够对初始的理想投影图5(理想投影图5是由理想投影点51组成的点阵图)进行反向畸变处理，而后再投影反向畸变处理后的投影图从而得到新的实际投影图，以使得新的实际投影图和理想投影图5之间的误差满足要求。此处注意，步骤400中后续的反畸变处理可应用在实际的3D打印中对各种打印图像进行处理。
其中，T0以及C1均为矢量构成的矩阵，具体参见下文所述。
其中，如图5所示，理想投影图5是由理想投影点51组成的点阵图，如图4所示，标定板3上也设有对应的点阵图。
为了更好地识别标定点31和实际投影点61，标定板3和实际投影图6的位置是错开的，如图7所示，换言之部分或全部的标定点31不会和实际实际投影点61重合在一起。
可见，通过本标定方法能够大大消除镜头光学畸变的影响，保证3D打印的精准性，尤其本方法是通过实际投影点61的偏移量来换算成每个像素点的偏移量，属于基于像素级别的调整，较一般的标定方法而言，本方法的标定结果更准确，使得实际投影图6和理想投影图5之间的误差更小。
其中，关于标定板3与所述投影图错开，使得部分或全部的标定点31不会和实际实际投影点61重合在一起，便于更好地识别标定点31和实际投影点61。
由于将标定板3放置在投影平台2的状态下，标定板3与投影平台2必然存在夹角，这将会影响后期的标定结果，因而本方法中采用对标定点矩阵和/或实际投影点矩阵进行旋转平移操作，将标定点31与实际投影点61转换为同一坐标系下进行后期的运算，有效消除了上述的夹角误差的影响，使得计算出的标定结果更加准确。
在该实施例中，优选地，在步骤200中，得到标定点矩阵
Figure BDA0002622386640000081
实际投影点矩阵
Figure BDA0002622386640000082
其中，P1与P2的数据均是基于图像坐标系，其单位为mm；m、n为点阵行列数。
为同时拍摄到标定点31和实际投影点61，在摆放标定板3时，与实际投影点61是错开摆放的，所以后续需要进行旋转平移，将标定点31与实际投影点61移动至相对的同一坐标系上。
在该实施例中，优选地，在步骤300中，旋转后的标定点矩阵和实际投影点矩阵分别如下：P1'＝R1P1，P2'＝R2P2；
其中，P1'：旋转后的标定点矩阵；P2'：旋转后的实际投影点矩阵；R1和R2均为旋转矩阵参数，具体计算方法如下：
对于旋转操作，原理如下：
Figure BDA0002622386640000083
对应矩阵运算方式：
Figure BDA0002622386640000084
进而得出旋转矩阵参数
Figure BDA0002622386640000085
其中，x'和y'为旋转后的坐标点，x和y为原坐标点。
其中，旋转操作中，偏转角度θ的计算可通过斜向的取点、水平方向的取点或竖直方向取点的方式进行夹角计算(相当于取斜线、横线或直线，计算线段的偏转角度)。
此处注意，可以同时对标定点矩阵和投影矩阵进行旋转平移，也可以只对其中一个矩阵进行旋转平移。
完成旋转操作后，根据公式计算T0＝P2'-P1'-T'(其中“P2'-P1'”是将P2'平移，使其与P1'刚好重叠，而后减去T',可计算得到T0)，计算得到
Figure BDA0002622386640000091
从而完成平移操作；
其中，d为经旋转平移后的标定点和投影点的中心偏移量，T'主要是为了对矩阵进行平移，而镜头畸变会对T'的计算造成误差，所以T'取自于畸变最小的区域，即选取投影平台中心区域的投影点以及标定板中心区域上对应的标定点(进一步地，可通过最小二乘法对整个图像区域进行计算，找出实际畸变最小的区域)，两者相减得到矩阵T'。计算过程中，通过最小二乘法优化T'的值。
具体转换如下，首先将T0矩阵中的各个参数转换成像素坐标系下的参数，而后通过拟合运算可得到结果T0'，
Figure BDA0002622386640000092
其中，d'为像素坐标系下的标定点和投影点的中心偏移量，j、k分别对应图像的分辨率的长宽值。举例而言，集合目前市面上的光机4分辨率情况，j×k可以为1920×1080、2560×1600、3840×2160、1280×800、1280×720等。
此处注意，拟合算法的选用可以是但不限于以下方法，视具体情况进行选用。
多项式拟合：f(x)＝anxn+an-1xn-1+…+a1x1+a0x0
傅立叶函数Fourier:
f(x)＝ancos(nxw)+bnsin(nxw)+an-1cos((n-1)xw)+bn-1sin((n-1)xw)+…+a1cos(xw)+b1sin(xw)+a0
反三角函数SumOfSine:
f(x)＝ansin(bx+cn)+an-1sin(bn-1x+cn-1)+…+a1sin(b1x+c1)
在上述一系列的转换以及计算得基础上，最后再根据公式C1＝C0+T0'P'，最终能够计算得到图像中所有像素点在像素坐标中的位置信息；
其中：
Figure BDA0002622386640000101
Figure BDA0002622386640000102
C0为图像的元素坐标位置信息，P'为单位像素点对应的物理尺寸，S为像素点。
实施例二
本申请的实施例还提供一种3D打印机的光学标定方法，基于上述任一实施例所述的3D打印机的光学标定系统，因而，具有该方法的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
在该实施例中，优选地，如图2所示，3D打印机的光学标定系统包括：摄像设备1、光机4、标定设备以及标定板3；其中，标定板3用于放置在3D打印机的投影平台2上，且标定板3上形成有呈矩阵分布的标定点31；光机4设置于投影平台2的上方或者下方，用于向投影平台2投射呈矩阵分布的实际投影点61；摄像设备1用于拍投影平台2上的标定点31以及投影点；标定设备与摄像设备1通信连接。
根据以上描述的结构可知，待标定的光机4会将投影图投射到投影平台2上，光机4可设于投影平台2的上部或底部，此处不做限定，摄像设备1例如摄像头用于拍摄投影平台2，标定设备可接收摄像设备1拍摄得到图像，并基于该图像完成标定方法中的步骤200、步骤300、步骤400以及步骤500。
其中，如图4所示，标定板3设有对应的点阵图，是由标定点31组成的点阵图。
然而，如图4至图7所示，理想投影点51和实际投影点61和标定点31是不同的，所述“不同”可以是颜色的不同或者形状的不同。对于本实施例，在摄像头拍摄到的图片中，投影点呈现为白点，标定点31呈现为黑点，这样有利于区分标定点31和投影点。
需要提醒的是，采样点(包括标定点31和实际投影点61)的形状、个数、大小可按需求设置，本申请不做限制，此外，采样点可以是方形、圆形(即圆点)、三角形、多边形等容易识别的图案均可。
摆放好标定板3后，摄像设备1会拍摄投影平台2，拍摄标定板3和实际投影图6。如图5和图6所示，实际投影图6相对于理想投影图5发生了桶形畸变。如图7所示，摄像头拍摄到的图像中，标定板3的中心和实际投影图6的中心并没有重合，标定板3和实际投影图6是错开的(实际投影图6是由实际投影点61组成的点阵图)，部分或全部的实际投影点61和标定点31存在不重合的情况。
在优选方案中，为了保证拍摄清晰度，摄像头可通过多次拍摄的方式，拍摄多张清晰的图片，将所有的投影点和标定点31拍摄到。
拍摄之后，标定设备会对拍摄图进行处理，识别出标定点31和投影点，得到标定点31的坐标和实际投影点61的坐标。
需要说明的是，本标定系统可以是独立于3D打印机的单独设备，也可以是由配套标定组件和3D打印机部分零部件组成。例如配套标定组件可以包括摄像设备1、标定板3和标定模块，投影平台2可以是设置在3D打印机的机架上的透光平面或者是3D打印机的料盘底面。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种3D打印机的光学标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、光学设备将投影图投射至投影平台、将标定板置于投影平台，拍摄投影平台；
步骤200、根据拍摄到的图像，识别标定点坐标和实际投影点坐标，得到标定点矩阵和实际投影点矩阵；
步骤300、对标定点矩阵和/或实际投影点矩阵进行旋转平移操作，将标定点与实际投影点转换为同一坐标系下，然后计算标定点与实际投影点在图像坐标系中的间距值T0；
步骤400、将图像坐标系中的T0换算成像素坐标系的偏移量C1，根据所述偏移量C1能够对初始的理想投影图进行反向畸变处理；
其中，T0以及C1均为矢量构成的矩阵。
2.根据权利要求1所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，光学设备将投影图投射至投影平台、将标定板置于投影平台，且使得标定板与所述投影图错开，而后拍摄投影平台。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，在所述步骤200中，得到标定点矩阵
Figure FDA0002622386630000011
实际投影点矩阵
Figure FDA0002622386630000012
其中，P1与P2的数据均是基于图像坐标系，其单位为mm；m、n为点阵行列数。
4.根据权利要求3所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，
在所述步骤300中，旋转后的标定点矩阵和实际投影点矩阵分别如下：P1'＝R1P1，P2'＝R2P2；
其中，P1'：旋转后的标定点矩阵；P2'：旋转后的实际投影点矩阵；R1和R2均为旋转矩阵参数。
5.根据权利要求4所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，对于旋转操作，原理如下：
Figure FDA0002622386630000021
对应矩阵运算方式：
Figure FDA0002622386630000022
进而得出旋转矩阵参数
Figure FDA0002622386630000023
其中，x'和y'为旋转后的坐标点，x和y为原坐标点。
6.根据权利要求5所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，完成旋转操作后，根据公式计算T0＝P2'-P1'-T'，计算得到
Figure FDA0002622386630000024
其中，d为经旋转平移后的标定点和投影点的中心偏移量；T'为取自于畸变最小的区域的实际投影点矩阵以及标定点矩阵之差。
7.根据权利要求6所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，首先将T0矩阵中的各个参数转换成像素坐标系下的参数，而后通过拟合运算可得到结果T0'，
Figure FDA0002622386630000025
其中，d'为经旋转平移后的标定点和投影点的中心偏移量，j、k分别对应图像的分辨率的长、宽值。
8.根据权利要求7所述的3D打印机的光学标定方法，其特征在于，根据公式C1＝C0+T0'P'，最终能够计算得到图像中所有像素点在像素坐标中的位置信息；
其中：
Figure FDA0002622386630000031
C0为图像的元素坐标位置信息，P'为单位像素点对应的物理尺寸，S为像素点。
9.一种3D打印机的光学标定系统，其特征在于，基于权利要求1至8中任一项所述的3D打印机的光学标定方法。
10.根据权利要求9所述的3D打印机的光学标定系统，其特征在于，所述3D打印机的光学标定系统包括：摄像设备、光机、标定设备以及所述标定板；其中，所述标定板用于放置在3D打印机的所述投影平台上，且所述标定板上形成有呈矩阵分布的标定点；所述光机设置于所述投影平台的上方或者下方，用于向投影平台投射呈矩阵分布的实际投影点；所述摄像设备用于拍投影平台上的标定点以及实际投影点；所述标定设备与所述摄像设备通信连接。
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