本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)光三維重建與增材制造，尤其涉及一種基于mems振鏡式條紋投影的立體復(fù)刻實(shí)體打印系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是一種基于mems振鏡式條紋投影的立體復(fù)刻實(shí)體方案，可用于現(xiàn)實(shí)世界中物體的三維數(shù)字化掃描、建模與3d打印還原，以替代傳統(tǒng)二維拍照的平面記錄方式。
2、以往，實(shí)體三維復(fù)刻的相關(guān)技術(shù)主要有以下幾類，但都存在明顯的缺點(diǎn)：
3、方法a)?通過solidworks等專業(yè)三維建模軟件完成高精度幾何模型構(gòu)建后，需經(jīng)過模型拓?fù)鋬?yōu)化與格式標(biāo)準(zhǔn)化處理，再將處理后的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3d打印設(shè)備進(jìn)行層層堆積實(shí)體成型。該技術(shù)核心局限在于必須基于預(yù)設(shè)的數(shù)字模型進(jìn)行成型，無法直接獲取物理實(shí)體對象的三維結(jié)構(gòu)信息并進(jìn)行直接復(fù)制。
4、方法b)?首先使用三維重建系統(tǒng)對現(xiàn)實(shí)物體進(jìn)行掃描，然后將所得數(shù)據(jù)交由3d打印機(jī)進(jìn)行打印。此方法的操作環(huán)節(jié)是割裂的，尚未形成真正的一體化三維復(fù)刻的閉環(huán)。在目前已有的的實(shí)體復(fù)刻方案中，掃描、建模以及?3d?打印環(huán)節(jié)大多彼此獨(dú)立，各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)格式各不相同缺乏統(tǒng)一性，需要人工開展格式轉(zhuǎn)換與模型修正工作。該過程不僅操作繁雜，還極易引入人為誤差，進(jìn)而影響復(fù)刻精度。
5、方法c)?使用基于dlp的結(jié)構(gòu)光三維重建系統(tǒng)進(jìn)行三維掃描。此方法在條紋投影方面不僅速度上慢而且像素分辨率低、景深小，并不利于三維掃描的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性。同時(shí)，由于其體積大，不利于系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)和在消費(fèi)級場景中普及。更為重要的是，dlp的核心為美國德州儀器公司所研制的dmd芯片，這不利于國產(chǎn)高端儀器的自主可控。并且，目前主流掃描方案中采用的振鏡缺少角度補(bǔ)償機(jī)制，因此振鏡在高頻擺動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)條紋投射偏移現(xiàn)象，對三維重建的穩(wěn)定性與精度產(chǎn)生影響。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服以往方法的上述缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)，本發(fā)明提供了一種基于mems振鏡式結(jié)構(gòu)光三維重建的立體復(fù)刻實(shí)體打印方法，旨在實(shí)現(xiàn)從三維掃描、建模到3d打印的一體化流程，提升實(shí)體復(fù)刻的精度、效率與易用性。
2、本發(fā)明的核心構(gòu)思在于使用mems振鏡調(diào)制線激光在物體上投射出標(biāo)準(zhǔn)正弦條紋，以角度檢測與脈沖反饋的方式實(shí)時(shí)補(bǔ)償振鏡擺動(dòng)偏移，確保所投射條紋的穩(wěn)定性與精度。本發(fā)明通過系統(tǒng)標(biāo)定、相位恢復(fù)與相位掩膜處理等方法，將采集的條紋圖像序列轉(zhuǎn)化成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再經(jīng)點(diǎn)云去噪、拼接、渲染及網(wǎng)格化等步驟得到規(guī)整三維點(diǎn)云模型。其核心在于通過全流程一體化控制系統(tǒng)，從條紋投影、圖像采集、三維重建到模型優(yōu)化都實(shí)現(xiàn)了端到端的全過程自動(dòng)化輸出，該過程無需人工介入，各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)無縫流轉(zhuǎn)、時(shí)序精準(zhǔn)同步，可直接構(gòu)建出適配3d打印的模型文件并及時(shí)傳送至3d打印機(jī)完成實(shí)體的精準(zhǔn)復(fù)刻打印，真正形成從立體拍照到實(shí)體成型的一體化成形復(fù)刻。
3、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：
4、（1）三維重建的效果好。本發(fā)明采用mems振鏡式結(jié)構(gòu)來調(diào)制線激光，具備空間分辨力高的特性，能夠精準(zhǔn)地采集實(shí)體表面的條紋圖像，再配合三頻12步相移法，使得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集精準(zhǔn)度與效率都大大提升。
5、（2）系統(tǒng)體積小，易推廣普及。mems振鏡式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)掃描結(jié)構(gòu)相比體積大大減小，并且無需復(fù)雜的配套設(shè)備，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加適配于消費(fèi)場景的應(yīng)用需求，有良好的推廣前景。
6、（3）全流程一體化。本發(fā)明從投影條紋、圖像采集、三維重建再到模型優(yōu)化、3d打印復(fù)刻都建立起了端到端的一體化流程。該系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)彼此銜接，打破了傳統(tǒng)技術(shù)中各環(huán)節(jié)相互割裂的弊端。全流程無需人工參與格式轉(zhuǎn)換、參數(shù)調(diào)整與模型修正等環(huán)節(jié)，大大降低了操作難度，避免了人為誤差的引入。
7、（4）突破二維拍照技術(shù)的局限性。傳統(tǒng)二維拍照僅能記錄平面影像，而本發(fā)明突破了這一局限，能夠精準(zhǔn)地采集實(shí)體物件的各個(gè)角度和細(xì)節(jié)，將其以三維數(shù)字模型和實(shí)物的形式完整地記錄和還原，滿足了用戶對實(shí)體完整留存的需求。
8、（5）泛化能力強(qiáng)：能夠應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界中大多數(shù)物體上，受物體材質(zhì)、顏色及尺寸限制小，可應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、文物保護(hù)、醫(yī)療建模等諸多應(yīng)用場景。
1.一種基于結(jié)構(gòu)光三維重建的立體復(fù)印系統(tǒng)，其特征在于，包括：
2.一種基于結(jié)構(gòu)光三維重建的立體復(fù)印方法，其特征在于，包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集子單元為工業(yè)級高速相機(jī)，以匹配mems振鏡的高速掃描，確保圖像采集的高速度和三維重建的實(shí)時(shí)性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，采用的配套軟件可以對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型優(yōu)化，同時(shí)連接起mems振鏡式條紋投影掃描單元和3d打印執(zhí)行單元，以確保立體拍照成型全過程的流暢性與連貫性。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述相位恢復(fù)采用的是三頻12步相移法，該方法是通過不同相移的條紋圖像來解算物體表面的絕對相位信息，能夠保障二維轉(zhuǎn)三維過程中相位解算的精度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)標(biāo)定包含相機(jī)內(nèi)參標(biāo)定、投影儀內(nèi)參標(biāo)定及相機(jī)與投影儀間的外參標(biāo)定，有利于提升三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，以確保二維轉(zhuǎn)三維拍照立體成型的整體復(fù)刻精度。