CN106127842B - 一种结合光源分布与反射特性的面曝光3d打印的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法及系统涉及智能化控制和图像识别技术领域。该方法以提高面曝光快速成形系统的零件制作精度为目的，包括如下步骤：数据测量：在光源前方有树脂槽遮挡的情况下依次对预生成好的灰度图像划分子块进行光照功率测量；数据分析：对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；利用垂直投影法，根据光照功率和灰度的对应关系，把图像子块的灰度信息保存到对应矩阵的相应位置；根据灰度信息矩阵与原始切片灰度数据进行图像融合。本发明可以提高曝光的均匀性，同时具有可移植性和可打印性。因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

Description

一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法及系统

技术领域

本发明涉及智能化控制和图像识别技术，具体涉及对投影仪输出光能的均匀化，通过结合光源分布与反射特性对面曝光3D打印的切片的灰度进行自适应调节，从而实现结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法及系统的研究与实现。

背景技术

3D打印机诞生于20世纪80年代中期，是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型,通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型,最终打印出3D实体。

快速成形技术以其加工速度快、成本低,广泛应用于产品开发阶段的模型制作。3D打印是快速成形技术的一种，它首先将物品转化为3D数据，然后运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，逐层分切打印。模具制造、工业设计用于建造模型，现正发展成产品制造，形成“直接数字化制造”。目前已形成多种不同的快速成形工艺,如立体光固化(SLA)、层合实体制造(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、选域激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)等。光固化快速成形(SLA)由激光光斑逐点、逐线填充扫描光固化树脂,形成树脂固化层,树脂固化逐层累加,制作出实体模型。和其它快速成形工艺相比,光固化快速成形件精度高,表面质量好,后处理工艺简单,应用广泛,市场上装机容量达到69％以上。

对于面曝光快速成形系统而言，不仅成本低，且能实现整层一次曝光 固化，显著缩短制作时间，提高制作效率。但是由于紫外光源辐射出来的光线为球面发散光同时面曝光3D打印的树脂槽为玻璃材质会对紫外光起到反射作用，导致发光区域的亮度分布存在不均匀，使得在打印过程中同一个切片的不同位置中树脂的固化有差异，严重影响制件的精度。同时也因为这个原因使得面曝光打印的东西曝光面都比较小，无法做到大面积的曝光。

发明内容：

本发明实施例将提供一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法，用于提高曝光均匀性，减少过曝光或曝光不足。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用如下技术方案：

一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法，包括以下步骤：

100、生成与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，依次对划分的图像子块在光源前方有树脂槽遮挡的情况下进行光照功率测量；

200、对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

300、根据所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规律，利用垂直投影法把所有的切片叠加起来从而确定最适功率，并查找每一位置的图像子块中与此最适功率对应的灰度值，保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵；

400、根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像。

其中，对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分 析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律的步骤200包括：

对每一个位置下的不同灰度的图像子块测量得到的光照功率数据进行傅里叶分析，得到该位置的图像子块在有反射情况下的紫外光辐照度随灰度变化的规律；

根据该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化变化规律，确定该位置下的图像子块从灰度为25到灰度为255所对应的光照功率的数据，保存为与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对。

其中，根据所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规律，利用垂直投影法把所有的切片叠加起来从而确定最适功率，并查找每一位置的图像子块中与此最适功率对应的灰度值，保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵的步骤300包括：

把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，然后根据白色部分所在的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取这些子块中满足在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率；

根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵。

在步骤400中，根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的分辨率一致的包含m×n个灰度块的图像的步骤还包括：

根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度 值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像的步骤包括：

依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像切片的相同像素位置，得出自适应的切片图像。

其中，在步骤100中，生成与投影仪投影出的切片图像属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像的步骤包括：

从灰阶为25开始，每隔10个灰阶生成一副与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

本专利还提供一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的系统，包括数据测量模块、数据分析模块、最适功率确定模块和数据融合模块。

其中，所述数据测量模块设置成：首先要生成与投影仪投影出的的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，然后我们需要在光源前方有树脂槽遮挡的情况下依次对划分的图像子块进行光照功率测量；

所述数据分析模块设置成：从所述测量模块得到所测量的光照功率数据，对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到树脂槽对光照的影响与无树脂槽情况下的光照分布，然后得到有树脂槽遮挡时每一个位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

所述最适功率确定模块设置成：把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，从所述数据分析模块获取所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规 律，根据所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规律来确定最适功率，并查找每一图像子块中与此最适功率对应的灰度值，同时我们默认设置黑色为没有模型存在的区域的灰度最低，然后把所有的子块的灰度信息保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵；

所述融合处理模块设置成：从最适功率确定模块获取所述m×n的灰度值信息的矩阵，根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像。

其中，所述数据分析模块20具体设置成：

对每一个位置下的不同灰度的图像子块测量得到的光照功率数据进行傅里叶分析，得到该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化变化规律；

根据该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化变化规律，确定该位置下的图像子块从灰度为25到灰度为255所对应的紫外光辐照度的数据，保存为与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对。

其中，所述最适功率确定模块具体设置为：

根据所有的m×n个位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取所有切片白色部分累叠的区域中的子块在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率，其中设置黑色子块对应位置的灰度为最小灰度；

根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵。

其中，所述数据融合模块设置为通过下述方式根据m×n的灰度值信 息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像：

根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

所述数据融合模块设置为通过下述方式来将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到结合光源分布与反射特性的自适应的切片图像：

依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像切片的相同像素位置，得出自适应的切片图像。

其中，所述数据测量模块设置成通过下述方式生成与投影仪投影出的切片图像属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像：

从灰阶为25开始，每隔10个灰阶生成一副与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

本发明实施例的基于面曝光快速成形工艺的光源自适应方法和系统具有如下优点：

1)提高曝光均匀性，由于光功率的均匀化弥补了紫外光源辐射出来的光线为球面发散光和树脂槽镜面反射造成的发光区域的亮度分布存在差异，这样只要打印工艺正确就能尽可能的减少过曝光或曝光不足的概率；

2)可移植性，根据不同打印机的光输出不同，在得到某些特定的数据后，本系统可以快速生成使光照功率分布均匀的灰度图片；

3)可打印性，此光照功率自适应系统，能够适用于绝大部分未经过优化处理的模型，适用性强，一次打印成功率高。因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

附图说明：

图1是投影仪的工作原理。

图2根据本发明实施例的结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法的流程图。

图3是树脂槽反射对面曝光打印的影响的原理图。

图4是准备用紫外光辐照计测量的某一灰度下的9×8的图像子块划分示意图。

图5是在某一灰度下有树脂槽遮挡和无树脂槽遮挡的光照强度分布图，其中上方的为无遮挡的，下方的为有树脂槽遮挡的。

图6是某一位置下的图像子块的紫外光照强度随灰度变化的规律。

图7是此算法线性插值效果图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的系统，该系统可以实现对每一张切片的灰度进行自适应的调节，从而达到视图生成平面内的紫外光辐照度分布均匀化，为后续的大面积曝光提供可能。

面曝光3D打印机，主要使用投影仪作为光源，而在投影仪中最重要的是数字微镜元件(DMD)来完成可视数字信息显示的技术。具体地说，就是数字光处理(DLP)投影技术应用了数字微镜晶片(DMD)来作为主要关键处理元件以实现数字光学处理过程。DLP的原理如下所示：

现在我们以1024×768分辨率为例，在一块DMD上共有1024×768个小反射镜，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字 光处理器DLP调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，在屏幕上产生不同亮度的灰度等级图像。DMD投影机根据反射镜片的多少可以分为单片式，双片式和三片式。以单片式为例，DLP能够产生色彩是由于放在光源路径上的色轮(1020)(由红、绿、蓝群组成)，光源(1010)发出的光通过会聚透镜到彩色滤色片产生RGB三基色，包含成千上万微镜的DMD芯片(1030)，将光源发出的光通过快速转动的红、绿、蓝过滤器投射到一个镶有微镜面阵列的微芯片DMD的表面，这些微镜面以每秒5000次的速度转动，反射入射光，经由整形透镜(1040)后通过镜头投射出彩色画面(1050)，见图1所示的投影仪。

由于现有的研究主要体现在视图发生器的构建方面，关于在视图平面内对辐照度分布的研究很少，更不要说是结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印系统。本发明实施例的方法和系统针对面曝光3D打印的改进是在投影仪的DMD上，基于对不同灰度下的投影出的视图面在有树脂槽遮挡的情况下进行光功率值的测量，从而建立一张切片中不同位置的紫外光辐照度与灰度值变化的关系模型，通过对不同位置的紫外光辐照度与灰度值变化进行分析，从而设计出一种对切片灰度自适应的系统，导入一张切片然后通过垂直投影的方法自适应改变灰度同时提出一个最可行的光照功率值，据此生成一个在此光照功率下的灰度分布图，最后把此灰度分布图与切片图像进行融合，生成所需的切片图像。图1所示是投影仪的工作原理示意图，本发明的方法和系统应用在数字微镜晶片(DMD)上，即图1的DLP(数字光处理)部分。

图2为本发明实施例的结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印方法的流程图。

本发明实施例提出一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印方法，包括：

步骤100，生成与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位 置的图像子块，依次对划分的图像子块在光源前方有树脂槽遮挡的情况下进行光照功率测量；

步骤200、对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

步骤300、把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，然后根据白色部分所在的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取这些子块中满足在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率，并查找每一个白色子块对应位置的图像子块中与此最适功率对应的灰度值，保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵图像，其中设置黑色子块对应位置的灰度为最小灰度。

本专利可以自动根据所有图像子块的光功率随灰度变化的规律来确定最适功率，或是根据用户需要手动设置最是功率；通过调整每一位置的图像子块输出灰度,使其输出功率为最适功率；

步骤400、根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理以保证输出灰度变化的平滑性；进一步将插值后的图像与原始切片图像进行融合而得到自适应的切片图像。

可选地，所述步骤100包括下述子步骤：

子步骤110、从灰阶为25开始每隔10个灰阶生成一副相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，这样一共生成24幅不同灰阶的相同灰度的图像，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

一系列不同灰阶的相同灰度的图像是指每一幅灰度图像内各像素的灰度是相同的，不同灰阶的各幅图像的灰度不相同，即不同灰阶的各幅图像的灰度相差为10个灰阶的整数倍。

子步骤120、对于所述一系列不同灰阶的相同灰度的图像中的每一幅图 像，将视图面划分成m×n个面积相等的图像子块。

可选地，m和n的取值根据实际测量的环境等限制因素确定，例如，m＝9,n＝8，图3所示为将视图面划分成9×8个面积相等的图像子块。用(mi，ni)表示图像子块所在的位置,mi和ni都是整数，且1≤mi≤m，且1≤ni≤n。

子步骤130、对于所述一系列不同灰阶的相同灰度的图像中的每一幅图像，考虑到面曝光3D打印时树脂槽对光的反射作用，如图3所示，故利用投影把光投过树脂槽投在墙上，然后用高精度功率/能量计(Newport 2936-C)对视图平面内的各图像子块依次进行测量，得到各图像子块的紫外光辐照度数据。由此得到在未经灰度调节前视图平面上在相同灰度的前提下不同位置的m×n个图像子块的紫外光辐照度分布数据，这样一共需要记录24幅m×n的对应于紫外光辐照度的灰度图像数据。

进一步的，步骤200包括：

子步骤210、对测量得到的24幅m×n的对应于紫外光辐照度的灰度图像数据用

傅里叶法进行分析，可以得到形如的关系式：

f(x)＝a₀+a₁*cos(x*w)+b₁*sin(x*w)

其中f(x)表示在不同的灰度下光照功率值与灰度的关系，x表示灰度,w表示角频率(弧度/秒)。此关系式表示同一位置的图像子块下的紫外光辐照度随灰度变化变化规律，如图4所示。

子步骤220、根据每一位置下的图像子块下的紫外光辐照度随灰度变化的规律，得到每一个位置下的图像子块从灰阶为25到灰阶为255对应的光强的数据，共230组数据。同时，分析在某一灰度下有树脂槽遮挡和无树脂槽遮挡的光照强度分布的变化，如图5所示，可以发现光的反射确实对打印的好坏具有极大的影响。

进一步地，步骤300包括：

子步骤310、根据所有m×n个位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，见图6所示，可以得出，在相同的位置，随灰度值的增加光照功率逐渐变大。

利用垂直投影法，即把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，然后根据白色部分所在的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取这些子块中满足在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率，其中设置黑色子块对应位置的灰度为最小灰度。

子步骤320、根据确定的最适功率，对于所述m×n个位置的图像子块中的每一个图像子块，在存储有与该位置对应的灰度值和光功率的数据对文件中寻找匹配的数据，这时会出现两个最接近它的值，一个是比它略低，一个是比它略高，比较这两个值到最适功率的相差的幅度，选择相差幅度小的那个功率所对应的灰度值输出。

由于每个输出的灰度值都是对应不同位置的，默认设置是先行再列，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵，此保存的数据的信息其实就是需要的灰度图像的不同块的灰度信息。

所述步骤400包括：

子步骤410、获取切片的属性(图像高度、宽度、相邻行的同列点之间的字节数)，然后根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

子步骤420、依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，得到灰度为指定值的灰度块，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

子步骤430、用双线性插值法，对所述包含m×n个灰度块的灰度图像进行插值处理，得到插值后的灰度图像，如图7所示，其中图中以阴影线 浓密表示灰度高低，即阴影线越浓灰度越低。

子步骤440、将插值后的灰度图像与原图像通过下述方式进行融合处理：依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像的切片像素的相同位置，扫描结束后得出结合光源分布与反射特性的自适应的切片图像。

本发明实施例还提供一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印系统，该系统可以执行前面描述的光源自适应方法，因此，前面针对该方法描述的特征同样适用于该光源自适应系统。

根据一种具体实施例，该系统包括数据测量模块10、数据分析模块20、最适功率确定模块30和数据融合模块40。

所述数据测量模块10设置成：首先要生成与投影仪投影出的的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，然后我们需要在光源前方有树脂槽遮挡的情况下依次对划分的图像子块进行光照功率测量。

可选地，n的取值根据实际测量的环境等限制因素确定，例如，m＝9,n＝8，图4所示为将视图面划分成9×8个面积相等的图像子块。用(mi，ni)表示图像子块所在的位置,mi和ni都是整数，且1≤mi≤m，且1≤ni≤n。

所述数据分析模块20设置成：从所述测量模块10得到所测量的光照功率数据，对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律,以及在某一灰度下有树脂槽遮挡和无树脂槽遮挡的光照强度分布的变化规律。

所述最适功率确定模块30设置成：把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，然后根据白色部分所在的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律， 选取这些子块中满足在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率，并查找每一个白色子块对应位置的图像子块中与此最适功率对应的灰度值，保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵图像，其中设置黑色子块对应位置的灰度为最小灰度。

所述融合处理模块40设置成：从最适功率确定模块获取m×n的灰度值信息的矩阵图像，根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像。

其中，所述数据测量模块10设置成通过下述方式来生成与投影仪投影出的切片图像的高度和宽度相对应的一系列不同灰阶的同一灰度图像：从灰阶为25开始每隔10个灰阶生成一副相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，这样一共生成24幅不同灰阶的相同灰度的图像，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

一系列不同灰阶的相同灰度的图像是指每一幅灰度图像内各像素的灰度是相同的，不同灰阶的各幅图像的灰度不相同，即不同灰阶的各幅图像的灰度相差为10个灰阶的整数倍。

其中，所述数据测量模块10设置成通过下述方式来对划分的图像子块进行光照功率测量：对于所述一系列不同灰阶的相同灰度的图像中的每一幅图像，我们利用投影仪把图像透过树脂槽投射到墙上，用高精度功率/能量计(Newport 2936-C)对视图平面内的各图像子块依次进行测量，得到各图像子块的紫外光辐照度数据。由此得到在未经灰度调节前视图平面上在相同灰度的前提下不同位置的m×n个图像子块的紫外光辐照度分布数据，这样一共需要记录24幅m×n的对应于紫外光辐照度的灰度图像数据。

所述数据分析模块20设置成通过下述方式对从光照功率数据进行分析，得到每一个位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律：

测量得到的24幅m×n的对应于紫外光辐照度的灰度图像数据用傅里叶法进行分析，可以得到形如的关系式：

f(x)＝a₀+a₁*cos(x*w)+b₁*sin(x*w)

其中f(x)表示在不同的灰度下光照功率值与灰度的关系，x表示灰度,w表示角频率(弧度/秒)。此关系式表示同一位置的图像子块下的紫外光辐照度随灰度变化变化规律；根据每一位置下的图像子块下的紫外光辐照度随灰度变化的规律，得到每一个位置下的图像子块从灰阶为25到灰阶为255对应的紫外光强的数据，共230组数据。

所述最适功率确定模块30设置具体设置为：

把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，然后根据白色部分所在的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取这些子块中满足在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率，并查找每一个白色子块对应位置的图像子块中与此最适功率对应的灰度值，保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵图像，其中设置黑色子块对应位置的灰度为最小灰度。

对于所述m×n个位置的图像子块中的每一个图像子块，在存储有与该位置对应的灰度值和光功率的数据对的文件中寻找匹配的数据，这时会出现两个最接近它的值，一个是比它略低，一个是比它略高，比较这两个值到最适功率的相差的幅度，选择相差幅度小的那个功率所对应的灰度值输出。

由于每个输出的灰度值都是对应不同位置的，默认设置是先行再列，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵，此保存的数据的信息其实就是需要的灰度图像的不同块的灰度信息。

所述融合处理模块40设置成：通过下述方式将m×n的灰度值信息的矩阵图像插值成与原始切片图像的分辨率一致的灰度分布图像：

获取切片的属性(图像高度、宽度、相邻行的同列点之间的字节数)，然后根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

根据从最适功率确定模块得到的m×n的有灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而得到灰度为指定值的灰度块，依此方法遍历所述m×n的有灰度值信息的矩阵中的数据，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

用双线性插值法，对所述包含m×n个灰度块的灰度图像进行插值处理，得到插值后的灰度图像，如图7所示。

所述融合处理模块40设置成通过下述方式将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到结合光源分布与反射特性的自适应的切片图像：依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像的切片像素的相同位置，扫描结束后得出自适应的切片图像。

本发明实施例的结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印方法和系统具有如下优点：

1)提高曝光均匀性，由于光功率的均匀化弥补了紫外光源辐射出来的光线为球面发散光和树脂槽镜面反射造成的发光区域的亮度分布存在差异，这样只要打印工艺正确就能尽可能的减少过曝光或曝光不足的概率；

2)可移植性，根据不同打印机的光输出不同，在得到某些特定的数据后，本系统可以快速生成使光照功率分布均匀的灰度图片；

3)可打印性，此光照功率自适应系统，能够适用于绝大部分未经过优化处理的模型，适用性强，一次打印成功率高。因此，本发明具有一定的应用价值和意义。

Claims (10)

1.一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的方法，其特征在于，包括以下步骤：

100、生成与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，依次对划分的图像子块在光源前方有树脂槽遮挡的情况下进行光照功率测量；

200、对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到该位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

300、根据所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规律，利用垂直投影法把所有的切片叠加起来从而确定最适功率，并查找每一位置的图像子块中与此最适功率对应的灰度值，保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵；

400、根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤200包括：

对每一个位置下的不同灰度的图像子块测量得到的光照功率数据进行傅里叶分析，得到该位置的图像子块在有反射情况下的紫外光辐照度随灰度变化的规律；

根据该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，确定该位置下的图像子块从灰度为25到灰度为255所对应的光照功率的数据，保存为与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤300包括：

把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，然后根据白色部分所在的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取这些子块中满足在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率；

根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤400包括：

根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；

依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像的步骤包括：

依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像切片的相同像素位置，得出自适应的切片图像。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤100包括：

从灰阶为25开始，每隔10个灰阶生成一副与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。

6.一种结合光源分布与反射特性的面曝光3D打印的系统，其特征在于，包括以下模块：数据测量模块、数据分析模块、最适功率确定模块和数据融合模块；

所述数据测量模块设置成：首先要生成与投影仪投影出的的切片图像的属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度图像，并将每一幅图像划分为m×n个面积相同的不同位置的图像子块，然后我们需要在光源前方有树脂槽遮挡的情况下依次对划分的图像子块进行光照功率测量；

所述数据分析模块设置成：从所述数据测量模块得到所测量的光照功率数据，对每一个位置下的各图像子块测量得到的光照功率数据进行分析，得到树脂槽对光照的影响与无树脂槽情况下的光照分布，然后得到有树脂槽遮挡时每一个位置下的图像子块的光照功率随灰度变化的规律；

所述最适功率确定模块设置成：把一个待打印的模型的切片全部重叠在一张图上，其中白色为有模型存在的地方，黑色为没有模型存在的区域，从所述数据分析模块获取所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规律，根据所有位置下的图像子块的光功率随灰度变化的规律来确定最适功率，并查找每一图像子块中与此最适功率对应的灰度值，同时我们默认设置黑色为没有模型存在的区域的灰度最低，然后把所有的子块的灰度信息保存为对应的m×n的灰度值信息的矩阵；

所述数据融合模块设置成：从最适功率确定模块获取所述m×n的灰度值信息的矩阵，根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像，对包含m×n个灰度块的图像进行插值处理，然后将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到自适应的切片图像。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据分析模块具体设置成：

对每一个位置下的不同灰度的图像子块测量得到的光照功率数据进行傅里叶分析，得到该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律；

根据该位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，确定该位置下的图像子块从灰度为25到灰度为255所对应的紫外光辐照度的数据，保存为与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述最适功率确定模块具体设置为：

根据所有的m×n个位置的图像子块的紫外光辐照度随灰度变化的规律，选取所有切片白色部分累叠的区域中的子块在最大灰度下对应的光照功率数据中的最小值作为最适功率，其中设置黑色子块对应位置的灰度为最小灰度；

根据确定的最适功率，对于每一个位置的图像子块，在所保存的与该位置对应的灰度和紫外光辐照度的数据对中寻找与最适功率最接近的光功率，将该最接近的光功率数据对应的灰度输出，将输出的灰度值保存成与m×n的图像子块对应的一个m×n的灰度值信息的矩阵。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据融合模块设置为通过下述方式根据m×n的灰度值信息的矩阵生成与原始切片图像的属性一致的包含m×n个灰度块的图像：

根据切片的属性生成用于插值的包含m×n个相同图像单元的灰度图像；依次扫描所保存的m×n的灰度值信息的矩阵，把其中的每一个灰度值赋值给用于插值的灰度图像中的对应图像单元，从而生成包含m×n个灰度块的灰度图像；

所述数据融合模块设置为通过下述方式来将插值后的图像与原始切片图像进行融合，得到结合光源分布与反射特性的自适应的切片图像：

依次扫描插值后的灰度图像每个像素的灰度值，当灰度值小于25时跳过扫描下一个像素点，当灰度值大于或等于25时，获取该像素点的灰度值，把这个灰度值赋值给原图像切片的相同像素位置，得出自适应的切片图像。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据测量模块具体设置成：

其中，所述数据测量模块设置成通过下述方式生成与投影仪投影出的切片图像属性相对应的一系列不同灰阶的同一灰度的图像：

从灰阶为25开始，每隔10个灰阶生成一副与投影仪投影出的切片图像的属性相对应的相同灰度的图像，一直到生成灰阶为255的相同灰度的图像为止，构成一系列不同灰阶的相同灰度的图像。