CN117078586A - 一种面向dlp 3d打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法 - Google Patents
一种面向dlp 3d打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法涉及智能化控制和图像处理领域，可以适配不同树脂材料与设备。本发明采用光学相机对打印场景图像采集，并基于曝光区域的位置信息对采集的图像裁剪，并与切片图像对齐；进一步通过对比度增强方法，并采用K‑Means方法对采集的打印区域图像进行聚类分割，并配合图像后处理方法，将拍摄的缺陷区域映射到实际切片中；接下来针对检测出缺陷区域的位置信息，通过改变缺陷位置不同像素点的灰度，设计切片全局优化修复算法，实现对填充不足带来缺陷问题的修复。本发明可提高DLP 3D打印的合格率、减低了树脂材料和人工时间成本的浪费，适配任何模型具有可移植性和可打印性。
Description
技术领域
本发明涉及智能化控制和图像处理技术，具体涉及对光学相机采集的打印过程图片进行检测，通过对比分析单层切片的曝光图像是否存在缺陷区域，若存在缺陷通过设计缺陷修复算法，实现对缺陷区域的修复。
背景技术
3D打印技术是指利用3D打印技术生产出真实三维模型的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型，通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型，最终打印出3D实体。目前已形成多种不同的3D打印成形工艺,如立体光固化(SLA)、层合实体制造(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、选域激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、面曝光打印等。基于数字光处理(DLP)的面曝光3D打印技术采用光敏树脂作为固化材料，使用DLP光机或者投影仪作为光源，可以逐层曝光，相对其他打印方式已经较快的提升了打印速度和打印精度。但是打印产品质量不稳定一直是阻碍DLP 3D打印发展的因素。其中填充不足区域所致凹陷是造成DLP打印失败的原因之一，原因是在打印过程中每打印完一层需要树脂充分补充消耗部分来打印下一层，但由于打印过程中树脂的损失或者打印参数设置不合理，致使树脂填充不充分。虽然存在一些借助变色材料或者先进传感器感知DLP打印状态的方法，但这些方法发现打印过程中可能存在的问题后大多就停止打印，这也造成了一部分材料和时间成本的浪费，甚至影响了DLP 3D打印技术的进一步应用。
发明内容
本发明实施例将提供一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法，主要通过实时提取当前打印切片图像特征，并利用亮度差进行聚类分割，判断是否存在填充缺陷，同时设计了全局优化的目标修复算法依据缺陷区域的相对位置，通过改变下一层切片图像不同区域的灰度值和曝光时间，对缺陷进行修复，该方法能够节约材料，并提升打印效率和产品合格率。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：
一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法，包括以下步骤：
步骤100、使用DLP光源投射一张彩色图片，通过已经固定好位置的光学相机采集投射图像，并做处理，实现投射图片I(x,y)与拍摄图像进行对齐，得到新图片I′(x′,y′)；
步骤200、采用光学相机实时采集打印过程中的当前层切片图像，并对此图像进行对比度增强，然后利用亮度差对其进行聚类分割和处理，将其与前一层采集图像做差，并与实际切片图像差进行对比，确定是否存在缺陷区域，不存在则继续打印下一层，若判断存在缺陷，则将根据投射图片和拍摄图片的关系其映射到下一切片中；
步骤300、根据切片图像中缺陷的位置，在保证完成缺陷区域修复的前提下，以保证整体切片层打印质量以及尽可能少的增加打印时间为目标，根据下一张待打印的切片图像，通过优化其对应缺陷位置不同像素点的灰度值，从而生成全新的曝光图像和曝光时间，实现缺陷区域的修复；
步骤400、将修复后切片和曝光时间分别替换下一张待打印切片和打印参数，并传入打印机，同时继续监视之后的切片是否有缺陷问题，直至最终打印结束。
其中，使用DLP光源投射一张彩色图片，通过已经固定好位置的光学相机采集投射图像，并做处理，实现投射图片I(x,y)与拍摄图像进行对齐，得到新图片I′(x′,y′)步骤100包括：
使用DLP光源投射一张四边为不同颜色且像素值均为1的彩色图片；
通过已经固定好位置的光学相机采集DLP光源投射出的图像，识别不同颜色边斜率计算采集图像与实际图片不同边的位置对应关系，同时记图像的旋转角度为θ；
依据公式(1)，将原始图像I(x,y)旋转的得到与投影图像位置对应的新图像I′(x′,y′)：
采用光学相机实时采集打印过程中的当前层切片图像，并对此图像进行对比度增强，然后利用亮度差对其进行聚类分割和处理，将其与前一层采集图像做差，并与实际切片图像差进行对比，确定是否存在缺陷区域，不存在则继续打印下一层，若判断存在缺陷，则将根据投射图片和拍摄图片的关系其映射到下一切片中步骤200包括：
采用光学相机实时采集打印过程中的当前层切片图像，根据曝光区域进行裁剪，以减少不必要的干扰；
对获取到的打印图像进行二值化操作，并将每个像素点对应的灰度值进行线性拉伸起到对比度增强的效果，然后依据采集图像的灰度差异采用K-Means进行聚类分割；
对分割后的图像进行M阶中值滤波以降低树脂液面个别反光点对检测的干扰，之后采用一个K*J的全1矩形结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做与操作，如果都为1，则该像素为1，否则为0；
然后再用同样大小的结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做与操作，如果都为0，则该像素为0，否则为1，通过此处理可以消除噪声点的干扰并平滑形状边界；
将当前处理完成的采集图像与前一层采集到的也经过上述处理的图像做差值，并与其对应的切片图像的差值进行对比，若对比图像匹配度大于95％，则认为不存在缺陷继续打印，并采集下一层打印图像进入步骤200继续检测；
若差值对比图像匹配度小于95％，则将缺陷区域标记在已经经过公式(1)旋转的下一张待打印的切片图像上，并进入步骤300。
根据切片图像中缺陷的位置，在保证完成缺陷区域修复的前提下，以保证整体切片层打印质量以及尽可能少的增加打印时间为目标，根据下一张待打印的切片图像，通过优化其对应缺陷位置不同像素点的灰度值，从而生成全新的曝光图像和曝光时间，实现缺陷区域的修复步骤300包括：
根据步骤200获得的标记过缺陷区域的切片图像，此时记S1为非缺陷区域，S2为缺陷区域；
采用光功率计测量曝光平面内，不同灰度与光照强度的映射关系T(I′(x′,y′))；
在保证完成缺陷区域修复的前提下，以保证整体切片层打印质量以及尽可能少的增加打印时间为目标，根据下一张待打印的切片图像中缺陷区域的相对位置设计公式(2)所示修复函数：
其中公式(2)中的MIN表示取缺陷区域功率的最小值，同时在缺陷修复中属于非缺陷区域S1的图像仅与缺陷区域S2进行平滑操作，sm(I′(x′,y′))是用于保持缺陷区域和非缺陷区域图像灰度平滑过度的参数,如公式(3)所示：
此时缺陷区域的曝光时间可以通过Jacobs工作固化方程计算获得，如公式(4)(5)(6)所示：
其中Cd为固化深度(μm)，Dp是透射深度(μm)，Eo是DLP光源在固化界面处t时刻内累积的光照能量(mJ/cm2)，Ec是紫外光下树脂固化的临界曝光量(mJ/cm2)，Dp和Ec均可通过实验测得；
此时得到的I′(x′,y′)为经过缺陷修复后的图像，t(x′,y′)为各像素点的曝光时间将其输入步骤400中。
将修复后切片和曝光时间分别替换下一张待打印切片和打印参数，并传入打印机，同时继续监视之后的切片是否有缺陷问题，直至最终打印结束步骤400包括：
将步骤300得到的修复切片I′(x′,y′)和曝光时间t(x′,y′)输入DLP 3D打印机，替换原始打印切片和控制参数并打印当前层；
判断是否是切片的最后一层，若不是则继续进行检测，直至最终打印结束。
本发明实施例的一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法具有如下优点：
1)提高DLP 3D打印的制造合格率；
2)减低了树脂材料和人工时间成本的浪费；
3)可移植性，使用不同的投影设备以及光敏树脂的DLP 3D打印系统均可以采用该方法进行树脂填充不足的检测和修复，因此本发明具有一定的应用价值和意义。
附图说明
图1是面向本发明实施例的DLP 3D打印设备原理图。
图2是根据本发明实施例的一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法流程图。
图3是打印过程实物图。其中图3(a)展示了打印模型，图3(b)模型第15层切片，图3(c)模型第16层切片，图3(d)切片做差结果。
图4展示了切片修复示意图。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明提供一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法，通过在打印过程中采用光学相机实时采集打印面的图像信息，对采集的打印区域图像进行对比度增强，并采用K-Means方法图像进行聚类分割，并配合图像后处理方法，将拍摄的缺陷区域映射到实际切片中，同时设计切片全局优化修复算法，实现对因树脂填充不足带来缺陷问题的检测和修复。
相比于传统的DLP 3D打印机，本发明所基于的DLP 3D打印机在树脂槽下方放置了一个光学相机，用来采集打印过程中的切片图像信息，图1是此方法所适用的DLP 3D打印设备原理示意图，包括Z轴升降单元1010用来控制打印平台1020上下运动，固化用的树脂材料放于树脂槽1030，DLP光源1040和光学相机1050分别位于树脂槽下方。
图2为本发明实施例的面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法的流程图。
本发明实施例提出一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法，包括：
步骤100、使用DLP光源投射一张彩色图片，通过已经固定好位置的光学相机采集投射图像，并做处理，实现投射图片I(x,y)与拍摄图像进行对齐，得到新图片I′(x′,y′)；
步骤200、采用光学相机实时采集打印过程中的当前层切片图像，并对此图像进行对比度增强，然后利用亮度差对其进行聚类分割和处理，将其与前一层采集图像做差，并与实际切片图像差进行对比，确定是否存在缺陷区域，不存在则继续打印下一层，若判断存在缺陷，则将根据投射图片和拍摄图片的关系其映射到下一切片中；
步骤300、根据切片图像中缺陷的位置，在保证完成缺陷区域修复的前提下，以保证整体切片层打印质量以及尽可能少的增加打印时间为目标，根据下一张待打印的切片图像，通过优化其对应缺陷位置不同像素点的灰度值，从而生成全新的曝光图像和曝光时间，实现缺陷区域的修复；
步骤400、将修复后切片和曝光时间分别替换下一张待打印切片和打印参数，并传入打印机，同时继续监视之后的切片是否有缺陷问题，直至最终打印结束。
其中，处理步骤100包括：
子步骤110、使用DLP光源投射一张四边为不同颜色且像素值均为1的彩色图片。
子步骤120、通过已经固定好位置的光学相机采集DLP光源投射出的图像，识别不同颜色边斜率计算采集图像与实际图片不同边的位置对应关系，同时记图像的旋转角度为θ。
子步骤130、依据公式(1)，将原始图像I(x,y)旋转的得到与投影图像位置对应的新图像I′(x′,y′)：
进一步的，步骤200包括：
子步骤210、采用光学相机实时采集打印过程中的当前层切片图像，根据曝光区域进行裁剪，以减少不必要的干扰。
子步骤220、对获取到的打印图像进行二值化操作，并将每个像素点对应的灰度值进行线性拉伸起到对比度增强的效果，然后依据采集图像的灰度差异采用K-Means进行聚类分割。
子步骤230、对分割后的图像进行M阶中值滤波以降低树脂液面个别反光点对检测的干扰，之后采用一个K*J的全1矩形结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做与操作，如果都为1，则该像素为1，否则为0。
可选地，M、K和J的取值根据实际相机分辨率以及识别精度要求确定，这里M取5，K和J均取3。
子步骤240、然后再用同样大小的结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做与操作，如果都为0，则该像素为0，否则为1，通过此处理可以消除细小噪声点的干扰并平滑形状边界。
子步骤250、将当前处理完成的采集图像与前一层采集到的也经过上述处理的图像做差值，并与其对应的切片图像的差值进行对比，这里图3(a)展示了打印模型，图3(b)模型第15层切片，图3(c)模型第16层切片，图3(d)切片做差结果，若一致则认为不存在缺陷继续打印，并采集下一层打印图像进入步骤200继续检测。
子步骤250、若差值对比图像不一致，则将缺陷区域标记在已经经过公式(1)旋转的下一张待打印的切片图像上，并进入步骤300。
进一步地，步骤300包括：
子步骤310、根据步骤200获得的标记过缺陷区域的切片图像，此时记S1为非缺陷区域，S2为缺陷区域。
子步骤320、采用光功率计测量曝光平面内，不同灰度与光照强度的映射关系T(I′(x′,y′))。
子步骤330、在保证完成缺陷区域修复的前提下，以保证整体切片层打印质量以及尽可能少的增加打印时间为目标，根据下一张待打印的切片图像中缺陷区域的相对位置设计公式(2)所示修复函数：
其中公式(2)中的MIN表示取缺陷区域功率的最小值，同时在缺陷修复中属于非缺陷区域S1的图像仅与缺陷区域S2进行平滑操作，sm(I′(x′,y′))是用于保持缺陷区域和非缺陷区域图像灰度平滑过度的参数,如公式(3)所示：
子步骤340、此时缺陷区域的曝光时间可以通过Jacobs工作固化方程计算获得，如公式(4)(5)(6)所示：
其中Cd为固化深度(μm)，Dp是透射深度(μm)，Eo是DLP光源在固化界面处t时刻内累积的光照能量(mJ/cm2)，Ec是紫外光下树脂固化的临界曝光量(mJ/cm2)，Dp和Ec均可通过实验测得；
子步骤350、此时得到的I′(x′,y′)为经过缺陷修复后的图像，t(x′,y′)为各像素点的曝光时间将其输入步骤400中，其中图4为切片修复示意图，图中以阴影线浓密表示灰度值的高低，阴影线越浓灰度越低。
所述步骤400包括：
子步骤410、将步骤300得到的修复切片I′(x′,y′)和曝光时间t(x′,y′)输入DLP3D打印机，替换原始打印切片和控制参数并打印当前层；
子步骤420、判断是否是切片的最后一层，若不是则继续进行检测，直至最终打印结束。
本发明实施例的一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法具有如下优点：
1)提高DLP 3D打印的制造合格率；
2)减低了树脂材料和人工时间成本的浪费；
3)可移植性，使用不同的投影设备以及光敏树脂的DLP 3D打印系统均可以采用该方法进行树脂填充不足的检测和修复，因此本发明具有一定的应用价值和意义。
Claims (6)
1.一种面向DLP 3D打印过程中树脂填充不足的缺陷检测与修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100、使用DLP光源投射一张彩色图片，通过已经固定好位置的光学相机采集投射图像，并做处理，实现投射图片I(x,y)与拍摄图像进行对齐，得到新图片I′(x′,y′)；
步骤200、采用光学相机实时采集打印过程中的当前层切片图像，并对此图像进行对比度增强，然后利用亮度差对其进行聚类分割和处理，将其与前一层采集图像做差，并与实际切片图像差进行对比，确定是否存在缺陷区域，不存在则继续打印下一层，若判断存在缺陷，则将根据投射图片和拍摄图片的关系其映射到下一切片中；
步骤300、根据切片图像中缺陷的位置，根据下一张待打印的切片图像，通过优化其对应缺陷位置不同像素点的灰度值，从而生成全新的曝光图像和曝光时间，实现缺陷区域的修复；
步骤400、将修复后切片和曝光时间分别替换下一张待打印切片和打印参数，并传入打印机，同时继续监视之后的切片是否有缺陷问题，直至最终打印结束。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤100包括下述子步骤：
使用DLP光源投射一张四边为不同颜色且像素值均为1的彩色图片；
通过已经固定好位置的光学相机采集DLP光源投射出的图像，识别不同颜色边斜率计算采集图像与实际图片不同边的位置对应关系，同时记图像的旋转角度为θ；
依据公式(1)，将原始图像I(x,y)旋转的得到与投影图像位置对应的新图像I′(x′,y′)：
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤200包括下述子步骤：
对获取到的打印图像进行二值化操作，并将每个像素点对应的灰度值进行线性拉伸，然后依据采集图像的灰度差异采用K-Means进行聚类分割；
对分割后的图像进行M阶中值滤波，之后采用一个K*J的全1矩形结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做与操作，如果都为1，则该像素为1，否则为0；
然后再用同样大小的结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做与操作，如果都为0，则该像素为0，否则为1；
将当前处理完成的采集图像与前一层采集到的也经过上述处理的图像做差值，并与其对应的切片图像的差值进行对比，若对比图像匹配度大于95％，则认为不存在缺陷继续打印，并采集下一层打印图像进入步骤200继续检测；
若差值对比图像匹配度小于95％，则将缺陷区域标记在已经经过公式(1)旋转的下一张待打印的切片图像上，并进入步骤300。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤300包括下述子步骤：
根据步骤200获得的标记过缺陷区域的切片图像，此时记S1为非缺陷区域，S2为缺陷区域；
采用光功率计测量曝光平面内，不同灰度与光照强度的映射关系T(I′(x′,y′))；
根据下一张待打印的切片图像中缺陷区域的相对位置设计公式(2)所示修复函数：
其中公式(2)中的MIN表示取缺陷区域功率的最小值，同时在缺陷修复中属于非缺陷区域S1的图像仅与缺陷区域S2进行平滑操作，sm(I′(x′,y′))是用于保持缺陷区域和非缺陷区域图像灰度平滑过度的参数,如公式(3)所示：
此时缺陷区域的曝光时间通过Jacobs工作固化方程计算获得，如公式(4)(5)(6)所示：
其中Cd为固化深度(μm)，Dp是透射深度(μm)，Eo是DLP光源在固化界面处t时刻内累积的光照能量(mJ/cm2)，Ec是紫外光下树脂固化的临界曝光量(mJ/cm2)，Dp和Ec均通过实验测得；
此时得到的I′(x′,y′)为经过缺陷修复后的图像，t(x′,y′)为各像素点的曝光时间将其输入步骤400中。
5.如权利要求1所述的方法，其中，步骤400包括下述子步骤：
将步骤300得到的修复切片I′(x′,y′)和曝光时间t(x′,y′)输入DLP 3D打印机，替换原始打印切片和控制参数并打印当前层；
判断是否是切片的最后一层，若不是则继续进行检测，直至最终打印结束。
6.如权利要求1所述的方法，其中，为了保证光学相机可以实时采集打印过程中的图像信息不漏检，光学相机选取的帧率需要大于30FPS。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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