应用于高温环境金属3D打印的三维测量系统

高恩阳 刘大顺 陈憬谊 王旭东

摘要：本文对金属3D打印过程中的三维测量提出了一种新的方法。针对金属3D打印过程中由于金属粉末在高能激光高温灼烧下产生膨胀，冷却后出现一定程度的形变，导致打印完成后工件不符合要求等问题提出了解决方案。本文所使用的三维测量方法基于机器视觉领域的线结构光测量方法，并采用三维重建技术，能准确重构金属3D打印工件的三维轮廓，以满足此类金属打印设备对于准确性的要求。

关键词：机器视觉；线结构光；金属3D打印；三维重建

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0109-02

1 引言

在3D打印金属工件时，金属粉末在高能激光烧结下会发生膨胀，冷却后会产生形变，因此在打印过程中工件会产生误差，导致制造的工件不符合设计要求。目前国内的金属3D打印系统采用开环控制，在增材制造过程中不能及时准确地检测校正误差和形变 。因此需要工作人员监督打印过程，每过一段时间将工件取出，用人眼进行检测，效率低，人为因素大。若采用Kinect等深度摄像头，无法解决金属3D打印设备的高温环境，以及成型后金属反光带来的干扰。使其点云数据产生大量误差，不能满足生产需要。因此为减少工作量，降低人工检测带来的时间成本和安全隐患，提升产品制造的效率和精确度，本文采用基于线结构光的三维测量技术来进行工件的缺陷检测。

2 三维测量系统的组成

本文所采用的三维测量系统基于线结构光的测量原理，采用激光三角法。将工业相机，线激光器，安装到铝制装配体中整体结构如图1所示。

其中工业摄像头斜置，线激光器垂直放置；将二者固定于装配体的安装板上，透过装配体的预留位置，使摄像头能够观测到在一定范围内，照射在被测物体表面的线激光。

3 测量方案

激光三角法是线结构光测量的基础，线激光器发射激光，投射到目标物体表面形成光条，其形状随着被测物体表面的深度变化。通過摄像机获得光条图像，并对其进行一系列计算和处理，得到被测物体表面上点的三维坐标，从而实现被测物体表面的扫描和三维重构，实现流程如图2所示。

4 系统的标定

在本项目中，需要确定空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系，所以必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机参数。通过标定可以获得相机的内部参数、外部参数以及畸变参数；并且确定线结构光的光平面位置。标定完成后，根据参数矫正图像畸变。本项目标定后所得参数如下：

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 图像处理

在本项目中，由于设备使用环境复杂，干扰项较多，所以在图像处理时，首先在整幅图像中设定一个感兴趣区域（ROI），大致区域范围[9.44175， 590.476， 563.694， 790.602]，所有图像处理算法只应用于ROI区域内的图像，减少了复杂外部环境对图像处理区域的干扰项，有助于提高运算效率，同时提升重建模型的精准度。

处理时首先缩小图像定义域，然后将ROI进行灰度化处理，将原RGB色彩空间中的点变为一维的[0，255]之间的亮度（灰度）等级，初步筛选提取出三维重建所需的线结构光条，便于找到光条对应阈值。然后对图像进行双边滤波，在滤除图像噪声的同时，尽可能地保持光条的边缘细节特征（如图3）。最后一步进行二值化处理，并利用形态学去除其他噪声和干扰。图像处理后只保留结构光条，提取其精确的光条中心，去除其他区域（如图4）。将此处理应于全部图像，作为三维重建的依据。

6 三维重建

首先基于标定好的参数构建一个线结构光模型，然后将全部处理好的线结构光条图像载入到程序中，进行拼接处理。根据标定参数可以计算得知每张图像中光条在真实世界坐标系中的具体参数，如角度，位置等；进而利用多组光条在三维空间中拼接出工件表面模型，完成三维重建。

（1）对系统参数进行初始化；（2）设置校准测量设备的位姿和相机参数；（3）创建模型以处理配置文件及图像参数；（4）从连续图像测量物体三维轮廓；（5）合成得到最终的3D模型。

重建后可以获取此金属3D打印工件当前的上表面三维模型（如图5），通过与理想模型进行比对，可以得到打印过程中产生的误差，将此信息反馈到闭环控制系统的下一级，以使得3D打印设备对工件的缺陷位置进行补偿，来保证产品符合规格要求。

7 结语

本文应用了机器视觉的算法和方案，通过设计线结构光系统，连续拍摄被测物体图像并准确地重构工件的三维轮廓；将获取的三维轮廓与理想模型对比，得到工件存在的误差，将其反馈给3D打印机以使其对工件的缺陷部位进行补偿。反馈数据是3D打印系统闭环控制系统的重要组成部分，最终实现效果证明本技术能够保证产品符合规格要求。本文创新的三维测量技术，为增材制造领域的检测环节，提供了更好的解决方案。

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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