應(yīng)用于高溫環(huán)境金屬3D打印的三維測(cè)量系統(tǒng)

高恩陽(yáng) 劉大順 陳憬誼 王旭東

摘要：本文對(duì)金屬3D打印過(guò)程中的三維測(cè)量提出了一種新的方法。針對(duì)金屬3D打印過(guò)程中由于金屬粉末在高能激光高溫灼燒下產(chǎn)生膨脹，冷卻后出現(xiàn)一定程度的形變，導(dǎo)致打印完成后工件不符合要求等問(wèn)題提出了解決方案。本文所使用的三維測(cè)量方法基于機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的線結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法，并采用三維重建技術(shù)，能準(zhǔn)確重構(gòu)金屬3D打印工件的三維輪廓，以滿足此類金屬打印設(shè)備對(duì)于準(zhǔn)確性的要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；線結(jié)構(gòu)光；金屬3D打??；三維重建

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）06-0109-02

1 引言

在3D打印金屬工件時(shí)，金屬粉末在高能激光燒結(jié)下會(huì)發(fā)生膨脹，冷卻后會(huì)產(chǎn)生形變，因此在打印過(guò)程中工件會(huì)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致制造的工件不符合設(shè)計(jì)要求。目前國(guó)內(nèi)的金屬3D打印系統(tǒng)采用開環(huán)控制，在增材制造過(guò)程中不能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)校正誤差和形變 。因此需要工作人員監(jiān)督打印過(guò)程，每過(guò)一段時(shí)間將工件取出，用人眼進(jìn)行檢測(cè)，效率低，人為因素大。若采用Kinect等深度攝像頭，無(wú)法解決金屬3D打印設(shè)備的高溫環(huán)境，以及成型后金屬反光帶來(lái)的干擾。使其點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量誤差，不能滿足生產(chǎn)需要。因此為減少工作量，降低人工檢測(cè)帶來(lái)的時(shí)間成本和安全隱患，提升產(chǎn)品制造的效率和精確度，本文采用基于線結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量技術(shù)來(lái)進(jìn)行工件的缺陷檢測(cè)。

2 三維測(cè)量系統(tǒng)的組成

本文所采用的三維測(cè)量系統(tǒng)基于線結(jié)構(gòu)光的測(cè)量原理，采用激光三角法。將工業(yè)相機(jī)，線激光器，安裝到鋁制裝配體中整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中工業(yè)攝像頭斜置，線激光器垂直放置；將二者固定于裝配體的安裝板上，透過(guò)裝配體的預(yù)留位置，使攝像頭能夠觀測(cè)到在一定范圍內(nèi)，照射在被測(cè)物體表面的線激光。

3 測(cè)量方案

激光三角法是線結(jié)構(gòu)光測(cè)量的基礎(chǔ)，線激光器發(fā)射激光，投射到目標(biāo)物體表面形成光條，其形狀隨著被測(cè)物體表面的深度變化。通過(guò)攝像機(jī)獲得光條圖像，并對(duì)其進(jìn)行一系列計(jì)算和處理，得到被測(cè)物體表面上點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體表面的掃描和三維重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

4 系統(tǒng)的標(biāo)定

在本項(xiàng)目中，需要確定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，所以必須建立相機(jī)成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是相機(jī)參數(shù)。通過(guò)標(biāo)定可以獲得相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)以及畸變參數(shù)；并且確定線結(jié)構(gòu)光的光平面位置。標(biāo)定完成后，根據(jù)參數(shù)矯正圖像畸變。本項(xiàng)目標(biāo)定后所得參數(shù)如下：

CameraPose：[-0.0274562， 0.0579914， 0.529775， 1.95674， 348.337， 56.7674， 0]；

CameraParameters：[0.0120969， -1092.64， 2.08109e+008， -9.32639e+012， -0.0932109， 1.21948， 5.98917e-006， 6e-006， 667.524， 362.847， 1280， 1024]；

LightPlanePose：[-0.0263328， 0.0081851， 0.0268784， 89.8625， 359.728， 63.1954， 0]；

MovementPose：[-0.000315687， -9.07098e-005， -0.000716638， 0， 0， 0， 0]；

5 圖像處理

在本項(xiàng)目中，由于設(shè)備使用環(huán)境復(fù)雜，干擾項(xiàng)較多，所以在圖像處理時(shí)，首先在整幅圖像中設(shè)定一個(gè)感興趣區(qū)域（ROI），大致區(qū)域范圍[9.44175， 590.476， 563.694， 790.602]，所有圖像處理算法只應(yīng)用于ROI區(qū)域內(nèi)的圖像，減少了復(fù)雜外部環(huán)境對(duì)圖像處理區(qū)域的干擾項(xiàng)，有助于提高運(yùn)算效率，同時(shí)提升重建模型的精準(zhǔn)度。

處理時(shí)首先縮小圖像定義域，然后將ROI進(jìn)行灰度化處理，將原RGB色彩空間中的點(diǎn)變?yōu)橐痪S的[0，255]之間的亮度（灰度）等級(jí)，初步篩選提取出三維重建所需的線結(jié)構(gòu)光條，便于找到光條對(duì)應(yīng)閾值。然后對(duì)圖像進(jìn)行雙邊濾波，在濾除圖像噪聲的同時(shí)，盡可能地保持光條的邊緣細(xì)節(jié)特征（如圖3）。最后一步進(jìn)行二值化處理，并利用形態(tài)學(xué)去除其他噪聲和干擾。圖像處理后只保留結(jié)構(gòu)光條，提取其精確的光條中心，去除其他區(qū)域（如圖4）。將此處理應(yīng)于全部圖像，作為三維重建的依據(jù)。

6 三維重建

首先基于標(biāo)定好的參數(shù)構(gòu)建一個(gè)線結(jié)構(gòu)光模型，然后將全部處理好的線結(jié)構(gòu)光條圖像載入到程序中，進(jìn)行拼接處理。根據(jù)標(biāo)定參數(shù)可以計(jì)算得知每張圖像中光條在真實(shí)世界坐標(biāo)系中的具體參數(shù)，如角度，位置等；進(jìn)而利用多組光條在三維空間中拼接出工件表面模型，完成三維重建。

（1）對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化；（2）設(shè)置校準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備的位姿和相機(jī)參數(shù)；（3）創(chuàng)建模型以處理配置文件及圖像參數(shù)；（4）從連續(xù)圖像測(cè)量物體三維輪廓；（5）合成得到最終的3D模型。

重建后可以獲取此金屬3D打印工件當(dāng)前的上表面三維模型（如圖5），通過(guò)與理想模型進(jìn)行比對(duì)，可以得到打印過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，將此信息反饋到閉環(huán)控制系統(tǒng)的下一級(jí)，以使得3D打印設(shè)備對(duì)工件的缺陷位置進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)保證產(chǎn)品符合規(guī)格要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)的算法和方案，通過(guò)設(shè)計(jì)線結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，連續(xù)拍攝被測(cè)物體圖像并準(zhǔn)確地重構(gòu)工件的三維輪廓；將獲取的三維輪廓與理想模型對(duì)比，得到工件存在的誤差，將其反饋給3D打印機(jī)以使其對(duì)工件的缺陷部位進(jìn)行補(bǔ)償。反饋數(shù)據(jù)是3D打印系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要組成部分，最終實(shí)現(xiàn)效果證明本技術(shù)能夠保證產(chǎn)品符合規(guī)格要求。本文創(chuàng)新的三維測(cè)量技術(shù)，為增材制造領(lǐng)域的檢測(cè)環(huán)節(jié)，提供了更好的解決方案。

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Abstract：This paper presents a new method for 3D measurement in metal 3D printing. For metal 3D printing process， metal powders expand due to high-energy laser high-temperature laser ignition， shrink after cooling to a certain extent， resulting in the workpiece does not meet the requirements after printing， and other solutions are proposed. The three-dimensional measurement method used in this paper is based on the line structure light measurement method in the field of machine vision， and adopts three-dimensional reconstruction technology， which can accurately reconstruct the three-dimensional contour of a metal 3D printed workpiece. It can meet the accuracy requirements of such metal printing equipment.

Key words：machine vision；line structured light；metal 3D printing；3D reconstruction