應(yīng)用于3D打印的三維測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)

3D打印技術(shù)是第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)。隨著逆向工程和三維測(cè)量技術(shù)的革新，基于三維測(cè)量系統(tǒng)的個(gè)性化3D打印應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。論文介紹了3D打印技術(shù)以及應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)的組成，工作原理以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后提出基于逆向工程和三維測(cè)量系統(tǒng)的3D個(gè)性化打印。

【關(guān)鍵詞】3D打印 逆向工程 三維測(cè)量 標(biāo)定 相移

1 3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)以及個(gè)性化服務(wù)應(yīng)用

3D打印技術(shù)即增材制造技術(shù)，是3D打印機(jī)將3D格式數(shù)據(jù)由特殊的材料通過(guò)逐層添加的方式而設(shè)計(jì)制作出來(lái)的三維產(chǎn)品，也被稱為是“第三代工業(yè)革命”。3D打印技術(shù)相比較傳統(tǒng)的制作工藝、流程和技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化，優(yōu)勢(shì)明顯。3D打印材料的選擇非常重要，目前常用的材料包括了工程塑料，光敏樹(shù)脂，橡膠類(lèi)材料，以及鈦金屬或者陶瓷材料。

我國(guó)也加大了對(duì)3D打印技術(shù)的投入和研究，在文物領(lǐng)域，利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字文物的修復(fù)；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，出現(xiàn)了3D打印的人體器官等。隨著三維測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合逆向工程，出現(xiàn)了將三維測(cè)量系統(tǒng)與3D打印技術(shù)結(jié)合的一體化個(gè)性化打務(wù)，利用三維測(cè)量技術(shù)，獲取復(fù)雜型面產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)并進(jìn)行3D打印，在模具設(shè)計(jì)以及逆向工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用非常廣泛。論文對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行了介紹，并且對(duì)基于三維測(cè)量和逆向工程的3D打印應(yīng)用進(jìn)行展望和總結(jié)。

2 三維測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)基于三維測(cè)量和逆向工程的3D打印應(yīng)用，復(fù)雜面型三維數(shù)據(jù)的獲取變得尤其重要，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜面型的三維數(shù)據(jù)獲取，目前流行的結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)可以快速獲取三維數(shù)據(jù)，為3D打印提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 系統(tǒng)組成

三維測(cè)量系統(tǒng)采用雙目視覺(jué)與相移結(jié)構(gòu)光相結(jié)合的方式，如圖1所示，三維測(cè)量系統(tǒng)主要包括了測(cè)量頭，由雙目攝像機(jī)和投影儀組成，主要負(fù)責(zé)投射結(jié)構(gòu)光柵對(duì)被測(cè)量物體進(jìn)行視場(chǎng)劃分以及同步獲取光柵序列圖，其他還包括三腳架和數(shù)據(jù)線，顯示器和PC主機(jī)，光柵序列圖傳輸?shù)街鳈C(jī)，根據(jù)標(biāo)定參數(shù)解算出三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 工作原理

三維測(cè)量系統(tǒng)的工作原理基于視差原理，由兩個(gè)攝像機(jī)從不同角度同時(shí)獲取周?chē)拔锏膬煞鶖?shù)字圖像，或有單攝像機(jī)在不同時(shí)刻從不同角度獲取周?chē)拔锏膬煞鶖?shù)字圖像，圖像平面和被測(cè)物體之間構(gòu)成一個(gè)三角形。已知兩攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，便可以獲取兩攝像機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)物體的三維坐標(biāo)。立體匹配是關(guān)鍵技術(shù)，一般都會(huì)采用光學(xué)投射器投射一定的光模式，如線條紋、網(wǎng)格狀條紋、相位條紋等，對(duì)場(chǎng)景對(duì)象在空間的位置進(jìn)行約束，可以獲取場(chǎng)景對(duì)象上點(diǎn)的唯一坐標(biāo)值。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

標(biāo)定技術(shù)-為得到世界坐標(biāo)系下的被測(cè)量物體點(diǎn)坐標(biāo)，需要先建立雙目攝像機(jī)的成像模型如公式1，其中N稱之為內(nèi)部參數(shù)矩陣，H稱之為外部參數(shù)矩陣，M為綜合矩陣。根據(jù)標(biāo)定板已知圓心的圖像和世界坐標(biāo)系關(guān)系，由非線性優(yōu)化解算得到攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)包括相機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)，畸變參數(shù)，以及焦距，以及攝像機(jī)外部參數(shù)。

相移技術(shù)-當(dāng)?shù)玫搅穗p目相機(jī)的參數(shù)之后，就可以根據(jù)相移技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)光投射，目前流行的光柵透射方式為時(shí)間相位法。解相轉(zhuǎn)變?yōu)閱吸c(diǎn)解相，原理上不受被測(cè)量物體復(fù)雜表面影響，具有代表性的為負(fù)指數(shù)序列透射方法。最后由左右圖像上點(diǎn)的相位約束關(guān)系和極線約束關(guān)系，由標(biāo)定參數(shù)可計(jì)算出三維點(diǎn)坐標(biāo)。

拼接技術(shù)-受視場(chǎng)大小的影響，單次測(cè)量范圍有限，為了得到完整的被測(cè)量物體的三維數(shù)據(jù)，采用公共區(qū)域粘貼標(biāo)記點(diǎn)的方式。將兩次測(cè)量中得到的公共標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行匹配，然后選擇采用SVD分解法求取旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，完成以上過(guò)程后兩次測(cè)量的特征點(diǎn)的三維點(diǎn)云對(duì){pi}和{p'i}就已經(jīng)找出，兩者之間可以由公式p'i=Rpi+T+Ni表示，其中R是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣，T是一個(gè)平移矩陣，N是干擾向量，用最小二乘法

求得R和T。得到了旋轉(zhuǎn)和平移矩陣就可以對(duì)第二次測(cè)量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移，與第一次點(diǎn)云進(jìn)行拼接，以此類(lèi)推實(shí)現(xiàn)物體的全貌測(cè)量。

3 基于三維測(cè)量和逆向工程的個(gè)性化3D打印應(yīng)用

當(dāng)需要對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行修改驗(yàn)證的時(shí)候，或者對(duì)某個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制的時(shí)候，因?yàn)楫a(chǎn)品復(fù)雜的曲面無(wú)法使用傳統(tǒng)的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量建模，這個(gè)時(shí)候就需要采用三維測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量而獲取三維數(shù)據(jù)，再通過(guò)逆向工程軟件如GeomagieStudio， Imageware等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)得到成品，而且還可以根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化服務(wù)，對(duì)人體的外貌數(shù)據(jù)進(jìn)行打印得到個(gè)性化產(chǎn)品。

4 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)飛速發(fā)展對(duì)制造行業(yè)帶來(lái)了“第三次工業(yè)革命”，隨著三維測(cè)量技術(shù)，以及逆向工程的快速發(fā)展也對(duì)3D打印提出了新的應(yīng)用需求，基于三維測(cè)量系統(tǒng)和逆向工程的3D個(gè)性化打印應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)打印數(shù)據(jù)的獲取需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而基于三維測(cè)量系統(tǒng)的被測(cè)量物體的三維面型數(shù)據(jù)可以快速獲得，再通過(guò)逆向工程軟件處理，最后打印得到高精度高質(zhì)量的產(chǎn)品原型。隨著三維測(cè)量技術(shù)和逆向工程技術(shù)的迅速發(fā)展，為3D打印的數(shù)據(jù)獲取，打印流程，應(yīng)用方式等都將提供新的思路。

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作者單位

西南財(cái)經(jīng)大學(xué)天府學(xué)院信息技術(shù)教學(xué)中心 四川省綿陽(yáng)市 621000