光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备和方法技术

本发明专利技术公开了一种光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备，包括：光固化投影光机、样品台、计算机、板式相机和高精度位移模块。本发明专利技术利用搭载平面玻璃的板式相机拍摄通过光固化投影光机投影出的畸变图像，获得打印图像与畸变图像中控制点的坐标映射关系，计算畸变及均匀性网络。利用拼接亮度矫正算法及本发明专利技术的畸变及均匀性网络对实际需要的打印图像进行拼接亮度矫正和畸变及均匀性矫正，改善多画幅3D打印机投影图像的畸变现象、亮度不均匀性以及边缘区域出现的重叠断层等现象，提高打印精度。高打印精度。高打印精度。

【技术实现步骤摘要】
光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备和方法


[0001]本专利技术涉及3D打印机的投影矫正
，特别是多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备和方法。

技术介绍

[0002]3D打印技术已经在许多领域得到应用，其中光固化3D打印技术具有制作原型表面质量好、尺寸精度高、打印速度快等优点，被广泛应用在小尺寸高精度的产品生产。然而一般单台光固化投影光机单边最大打印尺寸仅有200mm，为了实现大尺寸精密零件的生产，例如汽车配件，就需要多台光固化投影光机进行投影拼接，在保证微米级精度的同时扩大打印面积。因此如何在多画幅3D打印中仍保持画幅的完整性和高精度是亟需解决的难题。
[0003]通常，为了保证3D模型打印的连续性和完整性，多台光固化投影光机的投影区域会有所重叠，导致投影图像拼接处出现畸变重叠以及亮度重叠。为了消除该现象，一种做法是对要投影的图像先进行拼接预处理，再通过棋盘标定的方式
[1]计算光固化投影光机镜头的畸变参数，利用该畸变参数对要投影的图像进行畸变矫正，从而达到光固化投影光机投影出的图像无畸变且边缘拼接处自然过渡的效果。但是在棋盘标定时使用的相机镜头也存在畸变，因此需要计算两种畸变参数，并进行两次畸变矫正，这造成了误差的增加，不适用3D打印高精度的要求。
[0004]另一种做法是在光固化投影光机的样品台上放置与光固化投影光机的投影区域相同大小的标定板，利用标定板计算畸变参数，从而对需要投影的图像进行畸变矫正。影响图像畸变的因素有主要有径向畸变，多项式拟合是常用的方法之一。这种方法需要建立畸变数学模型，且矫正精度取决于数学模型的阶次，阶次越高矫正效果越好。但阶次高的数学模型在求解时不仅耗时而且可能出现奇异矩阵，难以求解。除此之外还需要制作高精度标定板，才能保证畸变矫正的精度，这种方法灵活性差，自动化程度低。
[0005]另外，光固化投影光机进行3D打印时通过投射光使样品台里的打印材料进行化学反应，光强的强度越强，打印材料的化学反应越快，光强的强度越弱，打印材料的化学反应越慢，为了使3D打印更加精准、均匀，投射到样品台上的光强必须均匀。然而由于光固化投影光机设计制造等方面的原因，照射在样品台上的光强分布会呈现一定程度的不均匀，影响3D打印制品的精度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有光固化多画幅3D打印机投影矫正效果差的缺陷，利用拼接亮度矫正算法
[2]及本专利技术的畸变及均匀性网络对实际需要的打印图像进行拼接亮度矫正和畸变及均匀性矫正，改善多画幅3D打印机投影图像的畸变现象、亮度不均匀性以及边缘区域出现的重叠断层等现象，提高打印精度。
[0007]本专利技术的光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备包括：至少两台光固化投影光机、样品台、计算机、板式相机(灰度相机)和高精度位移模块。计算机将事先准
备好的打印图像通过所有光固化投影光机投影在样品台上，计算机通过控制高精度位移模块驱动板式相机采集所有光固化投影光机投影出来的畸变图像，利用畸变图像与打印图像进行重叠拼接宽度的计算。计算机利用重叠拼接宽度对各光固化投影光机的打印图像进行拼接亮度矫正，并将其依次通过对应光固化投影光机投影至样品台。计算机通过控制高精度位移模块驱动板式相机依次采集各光固化投影光机投影出来的畸变图像，利用畸变图像与经过拼接亮度矫正的打印图像进行各光固化投影光机的畸变及均匀性网络的计算。计算机通过拼接亮度矫正算法以及各光固化投影光机的畸变及均匀性网络，对实际需要打印的图像(实际打印图像)进行拼接亮度矫正、畸变矫正及均匀性矫正。若干台光固化投影光机将经过本专利技术矫正的实际打印图像投影至样品台，即可实现多画幅3D模型的打印，扩大打印产品尺寸的同时保证产品精度。
[0008]所述板式相机的CCD上只搭载一张平面玻璃，不另外装配其他光学元件，使得光固化投影光机投射的光线直接在板式相机的CCD上进行成像，因此板式相机拍摄的图片不存在相机镜头引起的光学畸变。
[0009]所述光固化投影光机简称光机。至少两台光机的投影图像以短边拼接，为防止打印产品出现断裂，短边拼接处存在画面重叠现象。本专利技术中相邻两台光机的间隔距离相同，因此任意相邻两台光机投影图像的画面重叠宽度相同。另外，在光机投影时，由于光机镜头光学畸变的影响，投影图像会出现畸变的问题，且该畸变是从投影图像的中心区域向投影图像边缘发生畸变，因此投影图像的中心点不发生畸变，坐标不发生偏移。同时，光机的光学系统非线性特性使得投影图像出现亮度不均匀性的问题。
[0010]基于以上设备，本专利技术提出了一种光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正方法，包括以下步骤：
[0011]a)准备一幅分辨率为长(L像素)*宽(W像素)且具有均匀背景灰度值的打印图像Ⅰ，并在该打印图像Ⅰ上绘制控制点，所述背景的灰度值要求不影响控制点的识别：
[0012]所述控制点可以是任何中心对称图案，比如圆形、十字形等，其灰度值与实际打印图像的灰度值相同，且与背景的灰度值相异。
[0013]所述控制点的位置可以任意，但需分散分布于打印图像Ⅰ，不能集中在某个区域，打印图像Ⅰ的中心位置必须绘制1个控制点，命名为中心控制点c，在过中心控制点c中心位置的水平线上且距离中心控制点c中心位置五个像素距离的位置必须绘制2个控制点，命名为控制点r和控制点l，其余任意位置的控制点总个数不少于80个。
[0014]b)若干光机(至少两台)将同一打印图像Ⅰ投影至样品台，并利用板式相机采集所有光机的投影图像得到畸变图Ⅱ。畸变图Ⅱ的分辨率调整至与若干张打印图像Ⅰ恰巧拼接(即图像无交叠拼接)时的分辨率相同。根据畸变图Ⅱ中任意两个相邻中心控制点c的中心位置得到重叠拼接宽度d像素。
[0015]c)将若干打印图像Ⅰ根据各光机对应的重叠拼接宽度d像素进行拼接亮度矫正
[2]，得到各光机的打印图像Ⅰ_bc。将若干打印图像Ⅰ_bc分别经过对应的光机依次投影至样品台，并利用板式相机依次得到若干畸变图Ⅱ_bc。
[0016]d)打印图像Ⅰ_bc和畸变图Ⅱ_bc是光机投影前后的一对畸变映射图。以某台光机为例，将打印图像Ⅰ_bc中的中心控制点c的中心位置作为坐标原点，控制点r和控制点l中心位置的连线为x轴，建立二维直角坐标系，单个控制点的坐标及像素值用其中心位置处的坐
标及像素值表示，得到所有控制点在该光机投影前的坐标及像素值；将畸变图Ⅱ_bc参照上述方式建立二维直角坐标系，单个控制点的畸变坐标及像素值用其中心位置处的坐标及像素值表示，得到所有控制点经该光机投影后的畸变坐标及像素值，因此所述控制点投影前的坐标及像素值和投影后的畸变坐标及像素值构成该光机的坐标像素映射点集。其余光机利用上述方式在畸变映射图中建立各自的二维直角坐标系，得到各个光机关于控制点的坐标像素映射点集。
[0017]e)神经网络训练：将步骤d中各光机对应的坐标像素映射点集作为数据集训练各光机的LM
‑
Res
‑
Net神经网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备，其特征在于，包括：光固化投影光机、样品台、计算机、板式相机和高精度位移模块；其中，所述计算机将打印图像通过至少两台光固化投影光机投影在样品台上，通过控制高精度位移模块驱动板式相机采集所有光固化投影光机投影出来的畸变图像，利用畸变图像与打印图像进行重叠拼接宽度的计算；计算机利用重叠拼接宽度对各光固化投影光机的打印图像进行拼接亮度矫正，并将其依次通过对应光固化投影光机投影至样品台；计算机通过控制高精度位移模块驱动板式相机依次采集各光固化投影光机投影出来的畸变图像，利用畸变图像与经过拼接亮度矫正的打印图像进行各光固化投影光机的畸变及均匀性网络的计算；所述板式相机为灰度相机；所述计算机通过拼接亮度矫正算法以及畸变及均匀性网络，对实际打印图像进行拼接亮度矫正、畸变及均匀性矫正；至少两台光固化投影光机的投影图像以短边相接，至少两台光固化投影光机将经过矫正的实际打印图像投影至样品台，实现多画幅3D模型的打印；所述至少两台光固化投影光机中任意相邻两台光固化投影光机的间隔距离相同，任意相邻的两台光固化投影光机的投影图像的画面重叠拼接宽度均相同。2.如权利要求1所述的光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正设备，其特征在于，所述板式相机的CCD搭载一张平面玻璃，光固化投影光机投射的光线直接在板式相机的CCD上进行成像。3.一种光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1或2所述的光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正系统；所述方法包括以下步骤：a)在打印图像Ⅰ上设置灰度值与实际打印图像V的灰度值相同且与背景灰度值相异的若干控制点，包括：中心控制点c、控制点r和控制点l；b)若干台光固化投影光机将同一打印图像Ⅰ投影至样品台，并利用板式相机采集所有光固化投影光机的投影图像，得到畸变图Ⅱ；所述畸变图Ⅱ的分辨率调整至与若干张打印图像Ⅰ恰巧拼接时的分辨率相同；所述恰巧拼接指图像无交叠拼接；根据所述畸变图Ⅱ任意两个相邻中心控制点c的中心位置得到重叠拼接宽度d像素；c)将若干打印图像Ⅰ根据各光固化投影光机对应的重叠拼接宽度d像素进行拼接亮度矫正，得到各光固化投影光机的打印图像Ⅰ_bc；将若干打印图像Ⅰ_bc分别经过光固化投影光机依次投影到样品台，并利用板式相机依次得到若干畸变图Ⅱ_bc；d)将各个光固化投影光机对应的打印图像Ⅰ_bc中的中心控制点c的中心位置作为坐标原点，控制点r和控制点l中心位置的连线为x轴，建立每个光固化投影光机各自的二维直角坐标系；其中，单个控制点的坐标及像素值用其中心位置处的坐标及像素值表示，得到各个控制点在对应光固化投影光机投影前的坐标及像素值；同样，在每个光固化投影光机对应的畸变图Ⅱ_bc建立各自的二维直角坐标系，单个控制点的畸变坐标及像素值用其中心位置处的坐标及像素值表示，得到各个控制点经对应光固化投影光机投影后的畸变坐标及像素值，所述控制点投影前的坐标及像素值和投影后的畸变坐标及像素值构成对应光固化投影光机各自的坐标像素映射点集；e)将步骤d中各光固化投影光机对应的坐标像素映射点集作为数据集训练各光固化投
影光机的LM
‑
Res
‑
Net神经网络，根据所述LM
‑
Res
‑
Net神经网络实际输出数据和理想输出数据设计损失函数更新网络参数，得到各光固化投影光机的畸变及均匀性网络；f)畸变及均匀性矫正：针对每一台光固化投影光机，根据各自对应的重叠拼接宽度d像素对其实际打印图像
Ⅴ
中发生投影重叠现象的像素进行拼接亮度矫正，得到对应的打印图像
Ⅴ
_bc；再利用步骤e中各个光固化投影光机的畸变及均匀性网络对其对应的打印图像
Ⅴ
_bc中所有旧坐标点及旧像素值进行畸变矫正和均匀性矫正；其中，所述畸变矫正和均匀性矫正过程为：针对每一台光固化投影光机，新建一张输入矫正图像Ⅳ，其与打印图像
Ⅴ
_bc具有相同尺寸且像素值初始化为0；将所述输入矫正图像Ⅳ以中心像素点为坐标原点，过中心像素点且与长边平行的线为x轴建立二维直角坐标系得到所有像素点的坐标；将打印图像
Ⅴ
_bc按照同样方式建立坐标系得到所有像素点的旧坐标及旧像素值，并将其作为输入值送入光固化投影光机的畸变及均匀性网络，预测得到对应的新畸变坐标点及新畸变像素值；旧坐标点的像素值与对应的新畸变坐标点的像素值的差值记作像素差；将打印图像
Ⅴ
_bc中不需要打印的区域定义为空白区域，需要打印的区域定义为非空白区域；若对应的新畸变坐标点落在打印图像
Ⅴ
_bc的空白区域，则输入矫正图像Ⅳ中与旧坐标点相同位置处的像素值赋0；若对应的新畸变坐标点落在打印图像
Ⅴ
_bc的非空白区域，当新畸变坐标点的坐标值均为整数时，在打印图像
Ⅴ
_bc上取出新畸变坐标点所在位置的旧像素值，将其与像素差的和进行取整后赋值给输入矫正图像Ⅳ中与旧坐标点相同位置处的像素值；当新畸变坐标点的坐标值带有小数时，在打印图像
Ⅴ
_bc上取出新畸变坐标点的四个近邻像素点，对其进行双线性插值得到新畸变坐标点所在位置的旧像素值，将其与像素差的和进行取整后赋值给输入矫正图像Ⅳ中与旧坐标点相同位置处的像素值，得到每一台光固化投影光机对应的输入矫正图像Ⅳ。4.如权利要求3所述的光固化多画幅3D打印机的投影畸变及均匀性矫正方法，其特征在于，所述步骤b中板式相机获取畸变图Ⅱ的方法包括：使用高精度位移模块驱动板式相机，使板式相机...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱崧，齐恬恬，周梅，匡磊，许仁杰，王蔚生，林翡，乔得礼，
申请(专利权)人：上海唯视锐光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：