CN113442439B - 一种3d打印机中光强智能控制方法 - Google Patents

一种3d打印机中光强智能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印机中光强智能控制方法，其通过光源电路分区控制和光强补偿的方式来调整投影的光线均匀度，光源电路分区控制中将透过投影面的光强制作成光路曲面，并根据曲面数据进行分层，连接并控制同一层内的灯珠的光照强度，不同区域间光强可调至同一均值，从而实现光强一致。光强补偿中通过光强补偿图片循环重复对光强进行补偿，将亮处变暗，暗处变亮，最终循环多次之后得到理想的光强补偿图片，光强补偿图片应用到光固化打印机投影成像系统，实现投影面光强分布均匀，提高打印精度。

Description

一种3D打印机中光强智能控制方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种3D打印机中光强智能控制方法。
背景技术
光固化快速成型技术是一种高精度的增材制造工艺，光源根据三维模型的横截面照射在光固化树脂，使光固化树脂固化成型后层层累积，最终构成三维模型实体。一些现有的光固化3D打印机使用LCD投影屏，投影屏上方盛有光固化树脂，所需打印模型的横截面层层传输到投影屏上，投影屏底部安装的光源照射到投影屏上，投影屏上的树脂按照投影屏上的图案层层固化。
在面曝光打印机(如DLP，LCD等)打印过程中，由于各种原因，打印面投影光强会出现不同强度的光强分布不均匀现象，这种光强分布不均匀对模型打印精度及成功率造成很大的影响。现有的光强均匀度矫正方法将亮度强的部分通过灰度补偿图像降低亮度，使其投影面的光强分布均匀。但是这种方法会损失大部分光强，导致投影面过暗，影响打印效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印机中光强智能控制方法，其通过光子可控性智能生产(Controlled photonic intelligent production)技术，通过分层控制区域光强进行光强的粗调，再通过补偿图片对图像进行逐像素补偿的细调，实现投影面光强分布均匀。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
1、一种3D打印机中光强智能控制方法，其特征在于，其通过光源电路分区控制和光强补偿的方式来调整投影的光线均匀度；
其中，光源电路分区控制方法如下：
a.将所有灯珠光源强度调至最大，使用传感器记录屏幕不同区域的透光强度；
b.使用样条插值法生成连续变化的光强曲面，记录光强曲面信息；
c.根据光强曲面信息，将其分层，根据分层方式调整灯珠电路，使得同一层内的灯珠处于同一路控制；
d.分别控制不同层的区域光强，将其调至均值，粗调屏幕的光强均匀度；
其中，生成光强均匀补偿图片光强补偿方式如下：
(1)将相机固定在投影面上方，确保相机可以拍摄整个投影面；
(2)将相机和3D打印机分别连接电脑，确保补偿程序能够控制3D打印机正确投影；
(3)补偿程序控制3D打印机显示矫正图并控制相机拍摄该矫正图，分析矫正图获取透视变化矩阵；
(4)补偿程序控制3D打印机显示2幅坐标检测点图像并控制相机得到投影图像，分析这两幅图像监测点的变化，得到实际3D打印机显示屏坐标系；
(5)补偿程序控制3D打印机依次投影灰度值不同的两张的图片，获取并提取出各自的投影区图片，记录两幅灰度图片下的各像素对应的灰度值；
(6)补偿程序控制3D打印机显示模块投影补偿图片，首次为白图，分析并计算合理的灰度值下限；
(7)循环遍历投影区域图片的各个像素，对图像进行逐像素补偿；
(8)循环步骤(6)-(7)，得到最终补偿图片，细调屏幕的光强均匀度。
本发明总体分为两个步骤，步骤1中将透过投影面的光强制作成光路曲面，并根据曲面数据进行分层，连接并控制同一层内的灯珠的光照强度，不同区域间光强可调至同一均值，从而实现光强一致。
步骤2中通过光强补偿图片循环重复对光强进行补偿，将亮处变暗，暗处变亮，最终循环多次之后得到理想的光强补偿图片，光强补偿图片应用到光固化打印机投影成像系统，实现投影面光强分布均匀，提高打印精度。
进一步，步骤1.2中，将光强曲面信息记录为(x，y，Z)，其中x，y记录曲面的位置信息，Z是曲面的值，遍历曲面，得到Zmin和Zmax，对Zmin和Zmax进行分层，得到分层列表zList，再次遍历曲面，对曲面信息进行分类推入zList。
Z相当于每个位置的光强，因此通过记录不同位置的光强并根据光强分层，从而将光源灯珠根据其光强进行分区，被分为同一层的灯珠连接在一起形成同一线路，从而实现分区控制光强，将不同线路的灯珠光强调整到均值。控制光强的方法可以为调整同一线路的电压、电流等，层数可根据实际情况进行调整。
进一步，步骤2.3中，具体方法包括：
2.3.1首先投影全白图像并获取投影图像，对该图像进行二值化处理，区分投影区域与非投影区域；然后通过图像边缘检测方法找到投影区域的轮廓线，计算出投影区域的四个顶点；最后根据实际顶点的位置，计算出对应的透视变换矩阵。
将投影图像二值化处理，将光强转化为灰度，根据灰度不同选取投影区域并计算透视变换矩阵，从而将形变的投影图像修正为矩形投影图像。
进一步，步骤2.3中，具体方法还包括：
2.3.2由于某些机器由于边缘较暗，造成通过方法2.3.1检测出来的投影区域与实际投影区域相差较大，故在方法2.3.1的基础上进行进一步矫正，首先投影并获取圆形矩阵点矫正图像并获取投影图像，应用方法2.3.1获取的透视变化矩阵获取初步矫正后的图像，分析并计算该图像中的圆形矩阵点像素点，计算出较准确的投影区域四个顶点；接着根据实际顶点位置，计算出对应的透视变换矩阵；最后将该矩阵方法2.3.1获取的矩阵组合起来，获取最终的透视变换矩阵。
将2.3.1得到的投影图根据进一步矫正其畸变，得到整体看起来四方的投影图像。
进一步，步骤2.4中，具体方法为：
首先投影原点对应的检测点图像，获取投影图像，将步骤2.3得到的透视变换矩阵作用于该图像得到矫正后的投影图像，分析并计算出原点对应坐标；接着投影X轴上的另一监测点图像，按照同样方式计算该点对应的坐标；最后分析这两个坐标，计算出3D打印机显示屏坐标系统。
在显示屏建立坐标系统，便于后来逐像素补偿。
进一步，步骤2.5中，两张的图片的灰度值分别为180和255，所述步骤2.7中，将步骤2.5中记载的灰度值分别记作O1和O0，步骤2.6中的灰度值下线记作LOW。灰度值255为全白图片，灰度值180为中等灰度图片。
进一步，步骤2.7中，像素补偿的方法为：对于高于灰度值下限的像素点，降低灰度值；对于低于灰度值下限的像素点，抬高灰度值，无法抬高的保持灰度值。这种像素补偿的方式可以避免整个投影屏光强过低，使其保持在一个较为合理的光强值，避免了光源强度的浪费，提高了打印效率。
进一步，步骤2.7中，具体方法为：
2.7.1对于尚未调整或调整过度的像素点，灰度值为G，根据180灰度值与255灰度值对应的像素值进行调整：
255-(G-LOW)×(O0-O1)/(255-LOW)
2.7.2对于已经适度调整的像素点，灰度值为G，根据上次调整后灰度值变化幅度进行再次调整：
M–(G–LOW)×Mr/(G-Gl)
其中，M为上次的补偿灰度值，Mr为上次补偿调整幅度，Gl为上次补偿前的灰度值。
根据两个灰度值不同的图片在显示屏上的投影，对每个像素点根据线性关系进行调整，直至大部分像素点调整到较为合理的数值，此时投影屏的光强均匀。
进一步，在计算灰度值下限LOW的时候，考虑到采集原因，在选取灰度值下限的时候需要忽略灰度值较低的0.5％的像素灰度值；由于不同的设备光强分布略有差别，若自动计算出的灰度值下限不是最理想的值，此时进行手工设定。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明通过分层控制区域光强进行光强的粗调，再通过补偿图片对图像进行逐像素补偿的细调，最终实现投影面光强分布均匀。从光源和投影屏两个方面对光强进行调整，整个操作均有电脑控制，操作简单，可大幅提高打印效率和打印精度。具体有益效果如下：
1、步骤1中将透过投影面的光强制作成光路曲面，并根据曲面数据进行分层，连接并控制同一层内的灯珠的光照强度，不同区域间光强可调至同一均值，从而实现光强一致。步骤1通过记录不同位置的光强并根据光强分层，从而将光源灯珠根据其光强进行分区，被分为同一层的灯珠连接在一起形成同一线路，从而实现分区控制光强，将不同线路的灯珠光强调整到均值。控制光强的方法可以为调整同一线路的电压、电流等，层数可根据实际情况进行调整。
2、步骤2中通过光强补偿图片循环重复对光强进行补偿，将亮处变暗，暗处变亮，最终循环多次之后得到理想的光强补偿图片，光强补偿图片应用到光固化打印机投影成像系统，实现投影面光强分布均匀，提高打印精度。
3、步骤2中，根据两个灰度值分别为180和255的图片在显示屏上的投影，对每个像素点根据线性关系进行调整，直至大部分像素点调整到较为合理的数值，此时投影屏的光强均匀。这种像素补偿的方式可以避免整个投影屏光强过低，使其保持在一个较为合理的光强值，避免了光源强度的浪费，提高了打印效率。
附图说明
图1为相机拍摄的投影图像；
图2为经过透视变换矩阵之后的投影图像；
图3为经过多次补偿后，叠加补偿图片的投影图像。
具体实施方式
一种3D打印机中光强智能控制方法，其通过光源电路分区控制和光强补偿的方式来调整投影的光线均匀度；
其中，光源电路分区控制方法如下：
a.将所有灯珠光源强度调至最大，使用传感器记录屏幕不同区域的透光强度；
b.使用样条插值法生成连续变化的光强曲面，将光强曲面信息记录为(x，y，Z)，其中x，y记录曲面的位置信息，Z是曲面的值，遍历曲面，得到Zmin和Zmax，对Zmin和Zmax进行分层，得到分层列表zList，再次遍历曲面，对曲面信息进行分类推入zList；
c.根据分层区域和实际电路情况制作合适的光路曲面，使得同一层内的灯珠处于同一路控制；
d.分别控制不同层的区域光强，将其调至均值，粗调屏幕的光强均匀度；
其中，生成光强均匀补偿图片光强补偿方式如下：
(1)将相机固定在投影面上方，确保相机可以拍摄整个投影面，如图1；
(2)将相机和3D打印机分别连接电脑，确保补偿程序能够控制3D打印机正确投影；
(3)补偿程序控制3D打印机显示矫正图并控制相机拍摄该矫正图，分析矫正图获取透视变化矩阵，如图2，具体方法如下：
(3.1)首先投影全白图像并获取投影图像，对该图像进行二值化处理，区分投影区域与非投影区域；然后通过图像边缘检测方法找到投影区域的轮廓线，计算出投影区域的四个顶点；最后根据实际顶点的位置，计算出对应的透视变换矩阵；
(3.2)由于某些机器由于边缘较暗，造成通过方法2.3.1检测出来的投影区域与实际投影区域相差较大，故在方法2.3.1的基础上进行进一步矫正，首先投影并获取圆形矩阵点矫正图像并获取投影图像，应用方法2.3.1获取的透视变化矩阵获取初步矫正后的图像，分析并计算该图像中的圆形矩阵点像素点，计算出较准确的投影区域四个顶点；接着根据实际顶点位置，计算出对应的透视变换矩阵；最后将该矩阵方法2.3.1获取的矩阵组合起来，获取最终的透视变换矩阵。
(4)补偿程序控制3D打印机显示2幅坐标检测点图像并控制相机得到投影图像，分析这两幅图像监测点的变化，得到实际3D打印机显示屏坐标系，具体方法如下：
首先投影原点对应的检测点图像，获取投影图像，将步骤2.3得到的透视变换矩阵作用于该图像得到矫正后的投影图像，分析并计算出原点对应坐标；接着投影X轴上的另一监测点图像，按照同样方式计算该点对应的坐标；最后分析这两个坐标，计算出3D打印机显示屏坐标系统。
(5)补偿程序控制3D打印机依次投影灰度值分别为180和255的两张图片，获取并提取出各自的投影区图片，记录两幅灰度图片下的各像素对应的灰度值，分别记作O1与O0；
(6)补偿程序控制3D打印机显示模块投影补偿图片，首次为白图，分析并计算合理的灰度值下限，记作LOW，考虑到采集与别的原因，在选取灰度值下限的时候需要忽略灰度值较低的0.5％的像素灰度值；由于不同的设备光强分布略有差别，该自动计算出的灰度值下限或许不是最理想的值，此时也可以进行手工设定。
(7)循环遍历投影区域图片的各个像素，对图像进行逐像素补偿，补偿总体原：对于高于灰度值下限的像素点，降低灰度值；对于低于灰度值下限的像素点，抬高灰度值，无法抬高的保持灰度值。具体方式如下：
(7.1)对于尚未调整或调整过度的像素点，灰度值为G，根据180灰度值与255灰度值对应的像素值进行调整：
255-(G-LOW)×(O0-O1)/(255-LOW)
(7.2)对于已经适度调整的像素点，灰度值为G，根据上次调整后灰度值变化幅度进行再次调整：
M–(G–LOW)×Mr/(G-Gl)
其中，M为上次的补偿灰度值，Mr为上次补偿调整幅度，Gl为上次补偿前的灰度值。
(8)循环步骤2.6-2.7，一般情况下8次之后可以得到比较满意的光强均匀度，如图3，此时的补偿图片即为最终的补偿图片，完成光强均匀度的矫正。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种3D打印机中光强智能控制方法，其特征在于，其通过光源电路分区控制和光强补偿的方式来调整投影的光线均匀度； 其中，光源电路分区控制方法如下：
a. 将所有灯珠光源强度调至最大，使用传感器记录屏幕不同区域的透光强度；
b. 使用样条插值法生成连续变化的光强曲面，记录光强曲面信息，将光强曲面信息记录为（x，y，Z），其中x，y记录曲面的位置信息，Z是曲面的值，遍历曲面，得到Zmin和Zmax，对Zmin和Zmax进行分层，得到分层列表zList，再次遍历曲面，对曲面信息进行分类推入zList；
c. 根据光强曲面信息，将其分层，根据分层方式调整灯柱电路，使得同一层内的灯珠处于同一路控制；
d. 分别控制不同层的区域光强，将其调至均值，粗调屏幕的光强均匀度；
其中，生成光强均匀补偿图片光强补偿方式如下：
（1）将相机固定在投影面上方，确保相机可以拍摄整个投影面；
（2）将相机和3D打印机分别连接电脑，确保补偿程序能够控制3D打印机正确投影；
（3）补偿程序控制3D打印机显示矫正图并控制相机拍摄该矫正图，分析矫正图获取透视变化矩阵；
（4）补偿程序控制3D打印机显示2幅坐标检测点图像并控制相机得到投影图像，分析这两幅图像监测点的变化，得到实际3D打印机显示屏坐标系；
（5）补偿程序控制3D打印机依次投影灰度值分别为180和255的两张的图片，获取并提取出各自的投影区图片，记录两幅灰度图片下的各像素对应的灰度值，灰度值分别记作O1和O0；
（6）补偿程序控制3D打印机显示模块投影补偿图片，首次为白图，分析并计算合理的灰度值下限，灰度值下限记作LOW；
（7） 循环遍历投影区域图片的各个像素，对图像进行逐像素补偿，像素补偿的方法为：对于高于灰度值下限的像素点，降低灰度值；对于低于灰度值下限的像素点，抬高灰度值，无法抬高的保持灰度值，具体方法如下：
（7.1）对于尚未调整或调整过度的像素点，灰度值为G，根据180灰度值与255灰度值对应的像素值进行调整： 255-(G-LOW)×(O0 - O1)/(255 - LOW)；
（7.2） 对于已经适度调整的像素点，灰度值为G，根据上次调整后灰度值变化幅度进行再次调整： M –(G – LOW)× Mr /(G - Gl)；
其中，M为上次的补偿灰度值，Mr为上次补偿调整幅度，Gl为上次补偿前的灰度值；
（8） 循环步骤（6）-（7），得到最终补偿图片，细调屏幕的光强均匀度。
2.根据权利要求1所述一种3D打印机中光强智能控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，具体方法包括：
（3.1） 首先投影全白图像并获取投影图像，对该图像进行二值化处理，区分投影区域与非投影区域；然后通过图像边缘检测方法找到投影区域的轮廓线，计算出投影区域的四个顶点；最后根据实际顶点的位置，计算出对应的透视变换矩阵。
3.根据权利要求2所述一种3D打印机中光强智能控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，具体方法还包括：
（3.2） 由于某些机器由于边缘较暗，造成通过方法（3.1）检测出来的投影区域与实际投影区域相差较大，故在方法（3.1）的基础上进行进一步矫正，首先投影并获取圆形矩阵点矫正图像并获取投影图像，应用方法（3.1）获取的透视变化矩阵获取初步矫正后的图像，分析并计算该图像中的圆形矩阵点像素点，计算出较准确的投影区域四个顶点；接着根据实际顶点位置，计算出对应的透视变换矩阵；最后将该矩阵方法（3.1）获取的矩阵组合起来，获取最终的透视变换矩阵。
4.根据权利要求1所述一种3D打印机中光强智能控制方法，其特征在于：所述步骤（4）中，具体方法为： 首先投影原点对应的检测点图像，获取投影图像，将步骤（3）得到的透视变换矩阵作用于该图像得到矫正后的投影图像，分析并计算出原点对应坐标；接着投影X轴上的另一监测点图像，按照同样方式计算该点对应的坐标；最后分析这两个坐标，计算出3D打印机显示屏坐标系统。
5.根据权利要求1所述一种3D打印机中光强智能控制方法，其特征在于：在计算灰度值下限LOW的时候，考虑到采集原因，在选取灰度值下限的时候需要忽略灰度值较低的0.5%的像素灰度值；由于不同的设备光强分布略有差别，若自动计算出的灰度值下限不是最理想的值，此时进行手工设定。
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