一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法

摘要

本发明公开了一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，首先利用基于DLP技术的光固化3D打印机打印一个原始模型，然后量取原始模型中四个顶点相对于模型中心的距离，再根据投影仪的分辨率规格把该距离转换成以像素为单位的像素坐标，根据测量出来的这四个点的坐标与目标模型中对应的四个点的坐标进行相关计算，得到原始模型与目标模型的每张切片图案中各个像素点的映射关系，即从投影系统到打印平台的单应性矩阵，再利用几何变换原理对原始模型的切片图案进行几何预畸变后用预畸变切片图案进行打印，判断打印结果是否在误差允许范围内，否则重复进行上述步骤。所述方法对实现大尺寸的打印拼接和零件打印装配具有重要意义，具有很高的实用价值。

权利要求

1.一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、利用基于DLP技术的光固化3D打印机打印出一个原始模型；

S2、利用精密仪器量取原始模型中的尺寸数据，所述尺寸数据包括原始模型的四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离；

S3、根据所述尺寸数据和光固化3D打印机的投影系统采用的分辨率规格，将测得的四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离转换成图像处理中的像素坐标；

坐标转换是由投影系统所采用的分辨率规格得到单位尺寸上的像素点个数，从而计算出相应的像素坐标；

S4、根据得到的像素坐标与目标模型中的二维位置坐标的对应关系，得到从投影系统到打印平台的单应性矩阵；

S5、利用得到的单应性矩阵对原始模型的切片图案进行几何预畸变处理后再重新输入光固化3D打印机进行打印，判断打印结果是否在目标模型的误差允许范围内，否则将重新打印出来的模型作为原始模型，返回步骤S1。

2.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，其特征在于：步骤S1中，所述原始模型必须保证与目标模型的误差不超过2mm。

3.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，其特征在于：步骤S3中，所述四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离是以mm为单位的空间距离，所述图像处理中的像素坐标是以像素为单位。

说明书

一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法。

背景技术

[0002] 3D打印技术的一个主要分支是光固化3D打印技术，它是利用光束照射液态光敏树脂后使其固化的原理，使材料逐点或逐层累加成型。光固化3D打印技术主要分为SLA和DLP投影技术，其中SLA称为立体光固化成型技术，它是利用激光光束逐点快速扫描照射到光敏树脂上使其固化成型。SLA技术可以对光敏树脂以外的其他材料进行成型，具有应用广泛的特点。DLP投影技术则是通过将整层图像通过投影镜头投影到光敏树脂上，并逐层叠加成型，其特点是可以一次完成整层打印，具有打印速度快、精度高的特点。

[0003] DLP投影技术是发展较早的一种光固化3D打印技术，它的核心部件是德州仪器生产的数字光处理芯片DMD，DLP的一个重要特点是图像发生器的像素数决定了3D打印的打印尺寸，因为是通过投影镜头将图像发生器的图像投影到光敏树脂上，因此，3D打印的像素数与图像发生器的像素数相同，例如实现0.1mm的打印精度，一种常用的图像发生器的像素是1280x800，则打印尺寸为128mmx80mm。而DLP芯片是德州仪器的独家专利技术，芯片价格较贵，特别是高像素的芯片价格极其昂贵，限制了DLP投影技术在大尺寸3D打印中的应用。有研究者提出一种增大打印尺寸的低成本做法，即将单张切片图像经分割而成的两张子图像分别投影完成单层树脂结构的制作打印，在同一水平高度位置处的两次打印单层结构自然拼接形成完整的打印截面。然而在实际应用中，由于投影仪本身的误差以及设备安装的误差，投影光轴与成型台，即像面之间难以保持垂直，投影图案容易发生畸形形变，导致面曝光成型的结果出现不规则的变形而使最后结果差强人意。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，所述方法旨在通过对打印模型的切片图案进行几何预畸变处理实现投影畸形矫正，弥补由于投影仪本身误差和设备安装误差导致最终成型结果有不规则变形的不足，所述方法利用了计算机图形学中几何变换的原理，通过精密仪器测量定位，克服了传统中使用方格矫正误差较大的缺点。

[0005] 本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

[0006] 一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] S1、利用基于DLP技术的光固化3D打印机打印出一个原始模型；

[0008] S2、利用精密仪器量取原始模型中的尺寸数据，所述尺寸数据包括原始模型的四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离；

[0009] S3、根据所述尺寸数据和光固化3D打印机的投影系统采用的分辨率规格，将测得的四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离转换成图像处理中的像素坐标；

[0010] S4、根据得到的像素坐标与目标模型中的二维位置坐标的对应关系，得到从投影系统到打印平台的单应性矩阵；

[0011] S5、利用得到的单应性矩阵对原始模型的切片图案进行几何预畸变处理后再重新输入光固化3D打印机进行打印，判断打印结果是否在目标模型的误差允许范围内，否则将重新打印出来的模型作为原始模型，返回步骤S1。

[0012] 进一步地，步骤S1中，所述原始模型必须保证与目标模型的误差不超过2mm。

[0013] 进一步地，步骤S3中，所述四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离是以mm为单位的空间距离，所述图像处理中的像素坐标是以像素为单位。

[0014] 进一步地，所述步骤S3中的坐标转换是由投影系统所采用的分辨率规格得到单位尺寸上的像素点个数，从而计算出相应的像素坐标。

[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0016] 本发明通过利用精密仪器量取实际打印模型中的关键数据，得到原始模型与目标模型的每张切片图案中各个像素点的映射关系，即从投影系统到打印平台的单应性矩阵，然后对切片图案进行几何预畸变处理以得到矫正图案，克服了基于DLP技术的3D打印机实际打印时出现的打印过程中投影图案因为设备安装误差等因素发生的畸形形变问题。

附图说明

[0017] 图1为本发明实施例一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法的流程图。

[0018] 图2为本发明实施例利用基于DLP技术的光固化3D打印机打印出的原始模型。

[0019] 图3为本发明实施例利用精密仪器量取原始模型中的尺寸数据的示意图。

[0020] 图4为本发明实施例中顶点向量G′i(i＝1,2,3,4)和Gi(i＝1,2,3,4)关系的示意图，由Gi围成的矩形是G′i围成的区域中的最大内接矩形。

[0021] 图5为本发明实施例对原始模型切片图案进行几何预畸变处理的示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0023] 实施例：

[0024] 本实施例提供了一种光固化3D打印机的投影畸形矫正方法，所述方法的流程图如图1所示，首先利用基于DLP技术的光固化3D打印机打印出一个原始模型，如图2所示；然后利用精密仪器量取原始模型中的尺寸数据，所述尺寸数据包括原始模型的四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离；如图3所示，R1、R2、R3、R4为原始模型的四个角点，因为中间位置的正方形在实际打印结果观察中发现其变形是最小的，以此作为参考点，可以非常精确地计算到各个角点的坐标值。以角点R1为例：R1.x＝TH1-(TM1/2)，R1.y＝LH1-(LM1/2)，同理可得到R2、R3、R4相对于模型中心的坐标值。然后量取此时模型的长和宽，测出最大的长和宽，这一步的目的是为了获得在发生畸变时，每个像素之间的距离值u，目前这个值是有一点误差的，但是会在后面的继续矫正中被一步步地矫正回来。

[0025] 假设当前光固化3D打印机的投影系统的分辨率为mxn，测出最大的长和宽数据为w和h，计算出对应的像素间的距离值：p1＝w/m、p2＝h/n，取p1和p2中的较大值，作为计算时的像素距离值，记为d。要根据测量出来的四个角点，计算出从投影系统到打印平台的单应性矩阵，但测量出来的坐标单位是长度单位mm，而在图像处理中是以像素为单位，因此要进行坐标单位转换，此时，所述像素距离值d即可用上，比如R1的像素坐标为R1p.x＝R1.x/d，依次将测得的四个角点相对于模型中心的垂直距离和水平距离转换成图像处理中的像素坐标。

[0026] 参照计算机图形学中的几何变换原理，根据上述四个角点的像素坐标与原始切片图案中四个点的对应关系，计算出从投影系统到打印平台的单应性矩阵。设实际打印结果中的角点坐标为(x,y,z)，原始切片图案中的角点坐标为(u,v,w)，则两者关系可以由下式描述：

[0027]

[0028] 其中，H表示从投影系统到打印平台的单应性矩阵，根据得到的单应性矩阵H对要打印的模型切片图案进行几何预畸变处理后重新输入光固化3D打印机进行打印。具体如下：

[0029] 设原始模型切片图案长为m个像素点、宽为n个像素点，在引入齐次坐标的条件下，设原始模型切片图案的中心位置O为参考坐标系原点，左上角顶点U0、左下角顶点U1、右上角顶点U2和右下角顶点U3共四个顶点Ui(i＝1,2,3,4)，则四个顶点向量坐标为：

[0030]

[0031] 将所述顶点向量左乘从投影系统到打印平台的单应性矩阵H得到四个畸变尺度下的顶点向量G′i(i＝1,2,3,4)，即：

[0032] G′i＝HUi

[0033] 由G′i这四个顶点向量所围成的区域即相当于打印平台上的成型区域，如图4所示，为了得到规整的矩形投影图案，在这四个顶点向量所围成的区域中找到一个最大的内接矩形，设该矩形的四个顶点为Gi(i＝1,2,3,4)，并且该矩形的长宽比与原始模型切片图案保持一致为m/n不变。将Gi(i＝1,2,3,4)左乘从投影系统到打印平台的单应性矩阵H的逆矩阵得到在投影系统以O点建立的坐标系中的四个顶点向量U′i(i＝1,2,3,4)，即：

[0034] U′i＝H-1Gi

[0035] 如图5所示，利用所述顶点向量Ui(i＝1,2,3,4)和U′i(i＝1,2,3,4)对原始模型的切片图案进行几何预畸变处理，即通过投射变换将由所述顶点向量Ui围成的原始模型切片图案变换到由所述顶点向量U′i围成的区域。具体如下：

[0036] 先通过所述顶点向量Ui(i＝1,2,3,4)和U′i(i＝1,2,3,4)的对应关系计算出两者之间的单应性矩阵F，即：

[0037] U′i＝FUi

[0038] 对于顶点向量U′i所围成的区域中每个像素点通过矩阵F找到由所述顶点向量Ui围成的原始模型切片图案中对应的像素点，然后通过双线性插值法对该像素点进行灰度级插值。由此得到由顶点向量U′i所围成的预畸变处理后的切片图案，并将其重新输入3D打印机中进行打印，重复上述步骤，不断修正矩阵参数最终使打印结果与预期模型误差控制在可接受的范围内。

[0039] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。