應用于高溫環境金屬3D打印的三維測量系統

高恩陽 劉大順 陳憬誼 王旭東

摘要：本文對金屬3D打印過程中的三維測量提出了一種新的方法。針對金屬3D打印過程中由于金屬粉末在高能激光高溫灼燒下產生膨脹，冷卻后出現一定程度的形變，導致打印完成后工件不符合要求等問題提出了解決方案。本文所使用的三維測量方法基于機器視覺領域的線結構光測量方法，并采用三維重建技術，能準確重構金屬3D打印工件的三維輪廓，以滿足此類金屬打印設備對于準確性的要求。

關鍵詞：機器視覺；線結構光；金屬3D打印；三維重建

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0109-02

1 引言

在3D打印金屬工件時，金屬粉末在高能激光燒結下會發生膨脹，冷卻后會產生形變，因此在打印過程中工件會產生誤差，導致制造的工件不符合設計要求。目前國內的金屬3D打印系統采用開環控制，在增材制造過程中不能及時準確地檢測校正誤差和形變 。因此需要工作人員監督打印過程，每過一段時間將工件取出，用人眼進行檢測，效率低，人為因素大。若采用Kinect等深度攝像頭，無法解決金屬3D打印設備的高溫環境，以及成型后金屬反光帶來的干擾。使其點云數據產生大量誤差，不能滿足生產需要。因此為減少工作量，降低人工檢測帶來的時間成本和安全隱患，提升產品制造的效率和精確度，本文采用基于線結構光的三維測量技術來進行工件的缺陷檢測。

2 三維測量系統的組成

本文所采用的三維測量系統基于線結構光的測量原理，采用激光三角法。將工業相機，線激光器，安裝到鋁制裝配體中整體結構如圖1所示。

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

3 測量方案

激光三角法是線結構光測量的基礎，線激光器發射激光，投射到目標物體表面形成光條，其形狀隨著被測物體表面的深度變化。通過攝像機獲得光條圖像，并對其進行一系列計算和處理，得到被測物體表面上點的三維坐標，從而實現被測物體表面的掃描和三維重構，實現流程如圖2所示。

4 系統的標定

在本項目中，需要確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應點之間的相互關系，所以必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數就是相機參數。通過標定可以獲得相機的內部參數、外部參數以及畸變參數；并且確定線結構光的光平面位置。標定完成后，根據參數矯正圖像畸變。本項目標定后所得參數如下：

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

在本項目中，由于設備使用環境復雜，干擾項較多，所以在圖像處理時，首先在整幅圖像中設定一個感興趣區域（ROI），大致區域范圍[9.44175， 590.476， 563.694， 790.602]，所有圖像處理算法只應用于ROI區域內的圖像，減少了復雜外部環境對圖像處理區域的干擾項，有助于提高運算效率，同時提升重建模型的精準度。

處理時首先縮小圖像定義域，然后將ROI進行灰度化處理，將原RGB色彩空間中的點變為一維的[0，255]之間的亮度（灰度）等級，初步篩選提取出三維重建所需的線結構光條，便于找到光條對應閾值。然后對圖像進行雙邊濾波，在濾除圖像噪聲的同時，盡可能地保持光條的邊緣細節特征（如圖3）。最后一步進行二值化處理，并利用形態學去除其他噪聲和干擾。圖像處理后只保留結構光條，提取其精確的光條中心，去除其他區域（如圖4）。將此處理應于全部圖像，作為三維重建的依據。

6 三維重建

首先基于標定好的參數構建一個線結構光模型，然后將全部處理好的線結構光條圖像載入到程序中，進行拼接處理。根據標定參數可以計算得知每張圖像中光條在真實世界坐標系中的具體參數，如角度，位置等；進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）對系統參數進行初始化；（2）設置校準測量設備的位姿和相機參數；（3）創建模型以處理配置文件及圖像參數；（4）從連續圖像測量物體三維輪廓；（5）合成得到最終的3D模型。

重建后可以獲取此金屬3D打印工件當前的上表面三維模型（如圖5），通過與理想模型進行比對，可以得到打印過程中產生的誤差，將此信息反饋到閉環控制系統的下一級，以使得3D打印設備對工件的缺陷位置進行補償，來保證產品符合規格要求。

7 結語

本文應用了機器視覺的算法和方案，通過設計線結構光系統，連續拍攝被測物體圖像并準確地重構工件的三維輪廓；將獲取的三維輪廓與理想模型對比，得到工件存在的誤差，將其反饋給3D打印機以使其對工件的缺陷部位進行補償。反饋數據是3D打印系統閉環控制系統的重要組成部分，最終實現效果證明本技術能夠保證產品符合規格要求。本文創新的三維測量技術，為增材制造領域的檢測環節，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