CN114022530A - 基于混合现实技术的3d打印辅助方法、系统及应用 - Google Patents

基于混合现实技术的3d打印辅助方法、系统及应用 Download PDF

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CN114022530A CN202111250547.3A CN202111250547A CN114022530A CN 114022530 A CN114022530 A CN 114022530A CN 202111250547 A CN202111250547 A CN 202111250547A CN 114022530 A CN114022530 A CN 114022530A
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马梓焱
骆汉宾
安文博
黄元境
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曹俊峰
熊世树
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    • G06T7/85—Stereo camera calibration

Abstract

本发明属于3D打印相关技术领域，其公开了一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法、系统及应用，该方法包括：生成待打印件的虚拟模型；采用相机获取现场深度图像数据；利用深度图像数据生成点云，根据点云匹配算法对待打印件实现三维重建；将三维重建构型与虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息；将虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据操作辅助信息更改加工参数直至三维重建构型与虚拟模型的误差值在预设范围。本申请可以远距离直观看到当前现场的打印状态，及时发现打印误差，使得打印产品更加精准，尤其适用于恶劣环境下打印状态的远距离监测和打印策略的调整。

Description

基于混合现实技术的3D打印辅助方法、系统及应用
技术领域
本发明属于3D打印相关技术领域，更具体地，涉及一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法、系统及应用。
背景技术
混凝土3D打印是一种以数据模型为基础融合多种学科的建造方法，由于混凝土本身所具有的流动性，导致对打印件精度的控制十分困难，所以目前混凝土3D打印工艺始终存在成形质量问题，而且在实际加工过程中，操作人员无法近距离观察打印件形变情况，难以及时做出工艺性调整，是当前提高工艺质量的主要障碍。在目前的混凝土3D打印工作流程中，部分作业流程需要依赖操作人员的经验对操作人员的专业水平要求很高，制备的精度完全移开操作人员，制备精度不稳定，并且制备效率低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法、系统及应用，可以远距离直观看到当前现场的打印状态，及时发现打印误差及时纠正，使得打印产品更加精准，提高打印效率，尤其适用于恶劣环境下打印状态的远距离监测和打印策略的调整。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法，所述方法包括：S1：根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型；S2：在待打印件进行3D打印的过程中采用相机获取现场二维图像数据和深度图像数据；S3：利用深度图像数据生成点云，根据随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法实现点云的匹配并设定阈值筛除无效匹配点，以对于待打印件实现三维重建，生成三维重建构型；S4：将所述三维重建构型与所述虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息，所述操作辅助信息包括当前加工中打印件的加工参数、加工进度、几何误差；S5：将所述虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据所述操作辅助信息更改加工参数直至所述三维重建构型与所述虚拟模型的误差值在预设范围。
优选地，步骤S1中当采用待打印件的二维图形生成待打印件的虚拟模型时包括：将所述二维图形转化为STL中性文件，获取文件中所有的面、顶点和边界信息，使用分类算法对所述信息进行简化处理，而后将顶点信息进行坐标转换、对面进行延展和修剪、并进行着色和渲染生成所述虚拟模型。
优选地，所述几何误差包括几何重合度，采用如下方式获得所述几何重合度：
将所述虚拟模型与三维重建构型的底面对齐，并将三维重建构型分割成体积为ΔS的微小体积，则所述几何重合度QG为：
Figure BDA0003322449830000021
其中，n为所述虚拟模型内部包含的微小体积数，dk为三维重建构型表面所占网格距离虚拟模型表面的垂直距离，v1为构件三维重构模型的体积，v2为虚拟模型的体积。
优选地，所述几何误差还包括线轮廓、表面轮廓、直线度、圆度、圆柱度、平整度、倾斜度、垂直度以及平行度。
优选地，步骤S5中采用图像自然特征识别跟踪注册算法实现所述虚拟模型的精确定位。
优选地，采用如下方式实现所述虚拟模型的精确定位：对相机进行标定获得相机的内参和外参、以及二维图像的坐标系至三维世界坐标系的投影矩阵；采用图像自然特征点检测算法对所述二维图像数据进行快速特征检测，对快速特征检测获取得到的特征应用描述算子进行特征描述获得自然特征；将所述自然特征中的特征点与混合现实单元中的特征点进行匹配；利用所述投影矩阵获取所述自然特征中的特征点的三维世界坐标；通过混合现实技术的虚实叠加算法对所述三维世界坐标进行解算并将解算结果作为虚拟模型的基准，所述虚拟模型基于所述基准实现快速定位。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于混合现实技术的3D打印辅助系统，所述系统包括：模型生成单元，用于根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型；图像采集单元，用于在待打印件进行3D打印的过程中采用相机获取现场二维图像数据和深度图像数据；模型重构单元，用于利用深度图像数据生成点云，根据随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法对待打印件实现三维重建，生成三维重建构型；比对单元，用于将所述三维重建构型与所述虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息，所述操作辅助信息包括当前加工参数、加工进度、几何误差；显示和处理单元，将所述虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据所述操作辅助信息更改加工参数直至所述三维重建构型与所述虚拟模型的误差值在预设范围。
按照本申请的再一方面，提供了一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法的应用，所述方法应用于混凝土的3D打印过程中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于混合现实技术的3D打印辅助方法、系统及应用具有如下有益效果：
1.本申请通过模型重构与比对可以实现打印过程中打印误差的及时发现和处理并能直观看到处理后重构模型和虚拟模型的重合情况，进而可以直观的评判是否还需要进行参数修正。
2.本申请通过混合现实技术实现将数据和模型直观的呈现在操作人员视野中，可以实现远距离观测，尤其适用于恶劣环境下的远距离打印状态监测，避免恶劣环境对操作人员的安全威胁。
3.本申请基于分类算法通过坐标转换、延展和修剪可以实现非三维模型的三维构建，尤其是可以实现二维工程蓝图的三维重构具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1是本申请的基于混合现实技术的3D打印辅助方法的步骤图；
图2是本申请的基于混合现实技术的3D打印辅助系统的框图；
图3是本申请实施例的基于混合现实技术的3D打印辅助方法的应用场景图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供了一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法，所述方法包括S1～S5。
S1：根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型；
执行打印操作前，将待打印件的二维或三维图形进行处理，转化为STL中性文件，例如将待打印件的CAD工程图纸进行处理转化成STL中性文件，在文件中读取图纸中所有的面、顶点和边界信息，使用分类算法进行简化和处理，将顶点几何信息进行坐标转换，对所有的面进行延展和修剪，执行着色和渲染指令，从而生成虚拟模型。
S2：在待打印件进行3D打印的过程中采用相机获取现场二维图像数据和深度图像数据；
例如，可以采用工业相机获得现场包括待打印件打印现状的二维图形数据和深度图形数据。
S3：利用深度图像数据生成点云，根据随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法实现点云的匹配并设定误差阈值快速筛除无效匹配点，以对于待打印件实现三维重建，生成三维重建构型；本申请的随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法将以随机三点为基准的计算方法修改为四点为基准的优化算法，其显著提高数据处理精度。对无效匹配点进行筛选，显著提高了数据处理速度。
S4：将所述三维重建构型与所述虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息，所述操作辅助信息包括当前正在加工中的打印件的加工参数、加工进度、几何误差；
几何误差包括几何重合度，采用如下方式获得所述几何重合度：
将所述虚拟模型与三维重建构型的底面对齐，并将三维重建构型分割成体积为ΔS的微小体积，则所述几何重合度QG为：
Figure BDA0003322449830000051
其中，n为所述虚拟模型内部包含的微小体积数，dk为三维重建构型表面所占网格距离虚拟模型表面的垂直距离，V为三维重建模型的体积，v1为构件三维重构模型的体积，v2为虚拟模型的体积。
所述几何误差还包括线轮廓、表面轮廓、直线度、圆度、圆柱度、平整度、倾斜度、垂直度以及平行度。几何误差数值能有效体现打印件当前的加工精度情况。操作人员可以根据几何误差情况可以得知当前几何误差是否符合设计要求、是否需要终止打印过程、当前喷头移动速度是否需要调整、调整数值为多少、打印件是否产生自重形变等，上述决策可以帮助操作人员了解打印实时状态，更快做出调整。
S5：将所述虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据所述操作辅助信息更改加工参数直至所述三维重建构型与所述虚拟模型的误差值在预设范围。
优选采用图像自然特征识别跟踪注册算法实现所述虚拟模型的精确定位。通过识别和检测场景中的自然视觉特征作为三维注册的基准，并在混合现实的使用过程中会实时检测和跟踪相应的自然特征，达到高精度动态定位的目的。
具体包括如下步骤：
步骤1：对相机进行标定获得相机的内参和外参、以及二维图像的坐标系至三维世界坐标系的投影矩阵；
步骤2：采用图像自然特征点检测算法对所述二维图像数据进行快速特征检测，对快速特征检测获取得到的特征应用描述算子进行特征描述获得自然特征；
步骤3：将所述自然特征中的特征点与混合现实单元中的特征点进行匹配；
步骤4：利用所述投影矩阵获取所述自然特征中的特征点的三维世界坐标；
步骤5：通过混合现实技术的虚实叠加算法对所述三维世界坐标进行解算并将解算结果作为虚拟模型的基准，所述虚拟模型基于所述基准实现快速定位。
本申请另一方面提供了一种基于混合现实技术的3D打印辅助系统，如图2所示，所述系统包括：
模型生成单元，用于根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型；
图像采集单元，用于在待打印件进行3D打印的过程中采用相机获取现场二维图像数据和深度图像数据；
图像采集单元包括摄像头、支架、移动滑轨组成，能调节摄像头角度和位置，用以采集打印件的图像数据，可以通过线缆向图像处理与识别装置传输高清晰度图像或视频，用以进一步处理和图像识别。
模型重构单元，用于利用深度图像数据生成点云，根据随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法对待打印件实现三维重建，生成三维重建构型；
比对单元，将所述三维重建构型与所述虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息，所述操作辅助信息包括当前加工参数、加工进度、几何误差；
比对单元可以进行快速的图像识别和计算，将打印件实际尺寸和设计尺寸进行比较，获取几何误差数值，并做出决策以输出辅助操作信息。
显示和处理单元，将所述虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据所述操作辅助信息更改加工参数直至所述三维重建构型与所述虚拟模型的误差值在预设范围。
显示和处理单元，能将计算机生成的效果模型叠加显示到操作人员的视野中。
如图3所示，以上模型重构单元和比对单元均包括图像识别单元用于对图像或模型进行处理。以上各单元之间的可以通过信号收发单元进行信息交互。
该系统的在混凝土3D打印中的具体工作过程如下：
步骤1：模型生成单元根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型。
步骤2：混凝土3D打印过程开始，图像采集单元将图像数据实时传输到模型重构单元，进行快速处理，利用深度图像数据生成点云，对其进行处理和匹配后，对打印构件进行三维重建。将三维重建结果与虚拟模型进行实时比对，计算出几何误差数值，并做出决策以输出辅助操作信息，将数据信息传送到显示和处理单元。
步骤3：显示和处理单元利用工业摄像机获取的二维图像数据信息，使用图像自然特征识别算法，对图像进行特征检测和匹配，计算匹配特征的坐标位置，将其作为虚拟模型三维注册的基准，令虚拟模型显示实现快速动态定位，按照跟踪注册结果显示在相应位置上。
操作人员获知打印件的实时情况，以及了解当前几何误差是否符合设计要求、是否需要终止打印过程、当前喷头移动速度是否需要调整、调整数值为多少、打印件是否产生自重形变等信息。操作人员根据混合显示和处理单元提供的信息，进行判断，是否对混凝土3D打印过程进行干预，做工艺参数的调整。综上所述，本申请中的基于混合现实技术的3D打印辅助方法、系统及应用，可以远距离直观看到当前现场的打印状态，及时发现打印误差及时纠正，使得打印产品更加精准，提高打印效率，尤其适用于恶劣环境下打印状态的远距离监测和打印策略的调整。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于混合现实技术的3D打印辅助方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型；
S2：在待打印件进行3D打印的过程中采用相机获取现场二维图像数据和深度图像数据；
S3：利用深度图像数据生成点云，根据随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法实现点云的匹配并设定阈值筛除无效匹配点，以对于待打印件实现三维重建，生成三维重建构型；
S4：将所述三维重建构型与所述虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息，所述操作辅助信息包括当前加工中打印件的加工参数、加工进度、几何误差；
S5：将所述虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据所述操作辅助信息更改加工参数直至所述三维重建构型与所述虚拟模型的误差值在预设范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中当采用待打印件的二维图形生成待打印件的虚拟模型时包括：将所述二维图形转化为STL中性文件，获取文件中所有的面、顶点和边界信息，使用分类算法对所述信息进行简化处理，而后将顶点信息进行坐标转换、对面进行延展和修剪、并进行着色和渲染生成所述虚拟模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述几何误差包括几何重合度，采用如下方式获得所述几何重合度：
将所述虚拟模型与三维重建模型的底面对齐，并将三维重建构型分割成体积为ΔS的微小体积，则所述几何重合度QG为：
Figure FDA0003322449820000021
其中，n为所述虚拟模型内部包含的微小体积数，dk为三维重建构型表面所占网格距离虚拟模型表面的垂直距离，v1为构件三维重构模型的体积，v2为虚拟模型的体积。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述几何误差还包括线轮廓、表面轮廓、直线度、圆度、圆柱度、平整度、倾斜度、垂直度以及平行度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中采用图像自然特征识别跟踪注册算法实现所述虚拟模型的精确定位。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用如下方式实现所述虚拟模型的精确定位：
对相机进行标定获得相机的内参和外参、以及二维图像的坐标系至三维世界坐标系的投影矩阵；
采用图像自然特征点检测算法对所述二维图像数据进行快速特征检测，对快速特征检测获取得到的特征应用描述算子进行特征描述获得自然特征；
将所述自然特征中的特征点与混合现实单元中的特征点进行匹配；
利用所述投影矩阵获取所述自然特征中的特征点的三维世界坐标；
通过混合现实技术的虚实叠加算法对所述三维世界坐标进行解算并将解算结果作为虚拟模型的基准，所述虚拟模型基于所述基准实现快速定位。
7.一种基于混合现实技术的3D打印辅助系统，其特征在于，所述系统包括：
模型生成单元，用于根据待打印件的二维或三维图形生成待打印件的虚拟模型；
图像采集单元，用于在待打印件进行3D打印的过程中采用相机获取现场二维图像数据和深度图像数据；
模型重构单元，用于利用深度图像数据生成点云，而后根据随机一致性四点集和全局搜索策略的点云匹配算法后对待打印件实现三维重建，生成三维重建构型；
比对单元，用于将所述三维重建构型与所述虚拟模型进行实时比对，获取操作辅助信息，所述操作辅助信息包括当前加工参数、加工进度、几何误差；
显示和处理单元，将所述虚拟模型、操作辅助信息导入混合现实场景中并可视化叠加显示虚拟模型以及三维重建构型，操作人员根据所述操作辅助信息更改加工参数直至所述三维重建构型与所述虚拟模型的误差值在预设范围。
8.一种权利要求1～6任意一项所述的基于混合现实技术的3D打印辅助方法的应用，其特征在于，所述方法应用于混凝土的3D打印过程中。
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