一种光固化3D打印机光补偿方法与流程

本发明属于光固化3d打印机领域，具体所涉及一种光固化3d打印机光补偿方法。

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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光固化3d打印机光补偿方法，计算投影图像的光强补偿图像，使打印面的投影光强均匀分布，提高打印精度和成功率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

(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打印机显示补偿图像，首次为全白图，并控制相机得到投影图像；

(6)分析投影图像上投影区域各像素的灰度值，并根据上次补偿图像对应像素的灰度值，计算出相应的灰度补偿图像；

(7)循环步骤(5)-步骤(6)直至得到灰度均匀的投影图像。

由于投影面显示的投影图像光强分布不均，将投影图像进行灰度分析，得到相应的灰度补偿图像，将亮度强的部分通过灰度补偿图像降低亮度，灰度补偿图像显示在打印机中，从而对投影图像进行灰度均匀调整，多次循环迭代，最终获取比较合适的灰度补偿图像，实现投影图像的光强均匀分布，提高打印精度和成功率。

优选的，步骤(3)至步骤(4)之间还具有步骤a：分析相机拍摄的图像，计算由于相机摆放位置因素造成的拍摄图像的透视变换矩阵。透视变换矩阵施加在投影图像上，从而解决由于透视造成的投影图像形变问题。

优选的，步骤(3)具有方法a：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。

优选的，步骤(3)还具有方法b：由于某些机器由于边缘较暗，造成通过方法a检测出来的投影区域与实际投影区域相差较大，故在方法a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a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a获取的矩阵组合起来，获取最终的透视变换矩阵。

优选的，步骤(4)的具体方法为：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。

优选的，步骤(6)的具体方法为：首先将步骤(3)得到的透视变换矩阵作用在步骤(5)获取的投影图像，获取矫正后的投影图；接着考虑到由于相机拍摄过程中光线的影响，对投影区域图像进行平滑操作；然后根据图像灰度分布情况，分析并计算出合适的图像灰度值下限low，低于该下限的灰度值不予补偿；最后对投影区域图像各像素，进行分段式补偿处理，每个像素的灰度值设为gray，具体方式如下：

1)针对首次补偿图像，对于低于灰度值下限的那些像素，gray<low，对应灰度补偿图像的灰度值为255；对于与灰度值下限相差小于设定值的那些像素，对应灰度补偿图像的灰度值为255-(gray-low)/4；对于与灰度值下限相差大于设定值的那些像素，对应灰度补偿图像的灰度值为255-(gray-low)/2；

2)针对非首次补偿图像，需要在上次补偿图像的基础上进行灰度值均匀化调整：针对图像上的每个像素点，结合上次补偿调整幅度对该点灰度值的影响，再次进行像素点灰度值补偿。

优选的，灰度值下限的获取方式为：对于图像灰度值分布较集中的图像，选取最低像素灰度值；对于图像灰度值分布不集中的图像，选取图像99.5％像素对应的最低像素灰度值。

优选的，步骤(2)中，为确保3d打印机的光源不影响工业相机拍照效果，需要在3d打印机成像显示面上盖一层匀光薄膜。

优选的，步骤(3)之前，关闭灯光，尽量减少在检测过程中环境光对工业摄像机拍照效果的影响。

优选的，步骤(3)之前，调整相机光圈，以保证能够获取足够对比度的投影面图像；调整相机焦距，以保证能够获取足够清晰的投影面图像。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

由于投影面显示的投影图像光强分布不均，将投影图像进行灰度分析，得到相应的灰度补偿图像，将亮度强的部分通过灰度补偿图像降低亮度，灰度补偿图像显示在打印机中，从而对投影图像进行灰度均匀调整，多次循环迭代，最终获取比较合适的灰度补偿图像，实现投影图像的光强均匀分布，提高打印精度和成功率。透视变换矩阵和畸变矩阵施加在投影图像上，从而解决由于透视和镜头畸变造成的投影图像形变问题，从而将形变的投影图像修正为矩形投影图像。设置灰度值下线low，将每个像素的灰度值gray跟low对比，将投影区域图像叠加灰度补偿图像之后的每个像素的灰度值尽可能接近灰度值下线low，从而实现投影面的光强分布均匀。

附图说明

下面根据附图对本发明做进一步说明。

图1为相机拍摄的投影图像；

图2为经过透视变换矩阵和畸变矩阵之后的投影图像；

图3为经过多次补偿后，叠加灰度补偿图像的投影图像。

具体实施方式

一种光固化3d打印机光补偿方法，包括如下步骤：

(1)将相机固定在打印机或支架上，相机与投影面保持一定距离，以确保工业像机能够拍摄整个投影面。

(2)连接3d打印机与电脑，以确保补偿程序能够控制3d打印机成像显示模块(如hdmi接口、网络控制等)的图像显示；连接相机与电脑，以确保补偿程序能够准确获取工业相机拍摄的图像。

(3)确保3d打印机的光源不影响工业相机拍照效果，需要在3d打印机成像显示面上盖一层匀光薄膜。

(4)调整相机光圈，以保证能够获取足够对比度的投影面图像；调整相机焦距，以保证能够获取足够清晰的投影面图像。

(5)开始补偿前，关闭灯光，尽量减少在检测过程中环境光对相机拍照效果的影响，拍摄图像如图1所示。

(6)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，矫正图如图2所示，分析矫正图获取透视变化矩阵，具体方法：

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。

由于某些机器由于边缘较暗，造成通过方法a检测出来的投影区域与实际投影区域相差较大，故在方法a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a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a获取的矩阵组合起来，获取最终的透视变换矩阵。

(8)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(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。

(9)补偿程序控制3d打印机显示补偿图像，首次为全白图，并控制相机得到投影图像；

(10)分析投影图像上投影区域各像素的灰度值，并根据上次补偿图像对应像素的灰度值，计算出相应的灰度补偿图像：

首先将步骤(3)得到的透视变换矩阵作用在步骤(5)获取的投影图像，获取矫正后的投影图；接着考虑到由于相机拍摄过程中光线的影响，对投影区域图像进行平滑操作；然后根据图像灰度分布情况，分析并计算出合适的图像灰度值下限low，低于该下限的灰度值不予补偿；最后对投影区域图像各像素，进行分段式补偿处理，每个像素的灰度值设为gray，具体方式如下：

1)针对首次补偿图像，对于低于灰度值下限的那些像素，gray<low，对应灰度补偿图像的灰度值为255；对于与灰度值下限相差小于设定值的那些像素，对应灰度补偿图像的灰度值为255-(gray-low)/4；对于与灰度值下限相差大于设定值的那些像素，对应灰度补偿图像的灰度值为255-(gray-low)/2；

2)针对非首次补偿图像，需要在上次补偿图像的基础上进行灰度值均匀化调整：针对图像上的每个像素点，结合上次补偿调整幅度对该点灰度值的影响，再次进行像素点灰度值补偿。

其中灰度值下限的获取方式为：对于图像灰度值分布较集中的图像，选取最低像素灰度值；对于图像灰度值分布不集中的图像，选取图像99.5％像素对应的最低像素灰度值。

(11)循环步骤(9)-步骤(10)直至得到灰度均匀的投影图像，最终得到补偿效果如图3所示。

由于投影面显示的投影图像光强分布不均，将投影图像进行灰度分析，得到相应的灰度补偿图像，将亮度强的部分通过灰度补偿图像降低亮度，灰度补偿图像显示在打印机中，从而对投影图像进行灰度均匀调整，多次循环迭代，最终获取比较合适的灰度补偿图像，实现投影图像的光强均匀分布，提高打印精度和成功率。

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。