基于DLP的3D打印中投影图像拼接技术研究

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随着3D打印技术的快速发展,不同领域都提出利用3D打印技术来促进工业化、设备化的迫切需求,尤其在电网行业领域、航空航天领域、医学领域等,需要高精度3D打印实现设备模型的制造以及实际应用,但目前的3D技术还存在打印物件尺寸较小,精度太低等瓶颈,所以大画幅、高精度的3D打印技术是目前该技术的重点研究方向。本文针对于此需求,以上海市临港新片区高新技术专项项目——“拼接式3D打印光固化装置的研制及产业化”为研究基础,主要研究基于DLP的3D打印中投影图像拼接技术研究。为避免打印制件的拼接处产生脆弱问题,需要对光学系统自动调焦和紫外光光功率均匀化校正。具体包括如下几个方面。(1)基于DLP的3D打印中最核心部分由光学系统组成,光学系统各功能模块成功分析调试是打印出高精度3D产品的必要条件之一。本文首先对3D打印光引擎和硬件系统结构进行系统性的介绍,紧接着对大画幅拼接设计和连续曝光进行介绍和分析。为接下来光学系统自动调焦、紫外光光功率值校正和图像拼接研究提供良好的实验条件。(2)针对于光学系统自动调焦问题,本文介绍了自动聚焦原理,结合清晰度评价函数,对传统算法进行理论分析对比。针对于单一的清晰度评价函数容易受到噪声和背景信息干扰,导致无法准确区分清晰图像与模糊图像的问题,本文将Laplace与相关性函数相结合的方法,减少噪声和背景信息对评价函数的影响。同时,为了降低算法计算量,将区域对比度与一阶矩取窗算法进行结合,获取图像中感兴趣的窗口区域。同时,本文提出改进的自动聚焦方法,对最清晰的图像进行搜索,并进行实验结果对比。(3)针对光功率分布不均匀问题,使用光功率计对投影区域进行测量,根据测量结果值,得出灰度值与光功率值为近似线性关系模型,在将数据进行多项式拟合,生成光功率校正矩阵系数,使用三次卷积插值算法,对光功率值均匀化,实现光功率分布校正目标。(4)针对图像拼接问题,首先解决由光学系统和机械结构造成的畸变问题,基于最小二乘法优化校正算法,消除投影图像畸变现象,后采用Alpha二次融合算法,实现图像拼接。在完成图像拼接后,对拼接处的光功率值进行测量,并与直接拼接、光功率值未校正时的Alpha二次融合拼接处的光功率值分布进行对比,拼接处的光功率值与非拼接处的光功率值接近,达到预期效果。本文通过基于DLP的3D打印中投影图像拼接技术的研究,实现光学系统自动聚焦、紫外光光功率校正和投影图像拼接,这对大画幅的光固化3D打印发展有一定理论意义和实用价值。
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