一种基于多角度图像的3D打印设备及3D打印方法与流程

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种基于多角度图像的3D打印设备及3D打印方法。

背景技术：

目前，3D打印机技术及其相关产业均取得了突飞猛进的发展，其商业化运作也逐渐成熟。3D打印能够重现一些具有数字化模型的物体，但对模型数字化的准确性有一定要求。目前市场上，数字化模型的获取方式主要有两种，第一种，也是最常用的获取方法，是使用三维扫描仪，将物体放到三维扫描仪中实施扫描，但高精度的扫描仪通常体积庞大且成本较高，手持式的扫描仪则精度较低；第二种，是在医学及工业领域，使用X射线穿透物体来获得物体的数字化模型，这种方式精度高，但X射线对人体有辐射危害，并且医用CT及工业CT价格非常昂贵，不允许个人拥有和使用。

三维扫描仪作为专业的3D扫描仪器，其价格高，一般家庭很难普及，而医用CT和工业CT不允许个人拥有和使用，这使得在个人及家庭娱乐方面，想要对一个物体进行数字化采集并利用桌面3D打印机重现，几乎不太可能。

故有必要提供一种针对个人及家庭的、成本低、便捷的采集技术，配合桌面3D打印设备满足市场的需求。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于多角度图像的3D打印设备及3D打印方法，能够利用简单的图像提取装置实现3D打印，降低3D打印成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多角度图像的3D打印设备，该设备包括：物品放置装置、拍摄装置、图像建模装置、图像后处理装置和打印装置，所述物品放置平台与拍摄装置通信连接，并在拍摄装置的控制下共同完成待打印物品的多角度图像获取；所述图像处理装置分别与拍摄装置和图像后处理装置远程连接，用于将拍摄装置所获取到的多角度图像进行三维建模，并将三维模型发送给图像后处理装置；图像后处理装置与打印装置通信连接，用于对三维模型进行优化后形成STL文件发送给所述打印装置进行待打印物品的3D打印。

其中，所述物品放置装置包括控制单元、旋转平台和拍照灯；所述控制单元用于接收所述拍摄装置发送过来的拍照命令，并根据拍照命令控制旋转平台旋转；旋转平台用于放置待打印物品，在控制单元的控制下进行旋转；拍照灯用于调整拍照的光线。

相应地，本发明还提供了一种基于多角度图像的3D打印方法，包括以下步骤：

(1)物品放置装置协助拍摄装置获取待打印物品的多角度图像；

(2)拍摄装置将获取到的多角度图像发送给图像建模装置；

(3)图像建模装置利用多角度图像进行三维建模，并将三维模型发送给图像后处理装置；

(4)图像后处理装置将三维模型进行优化后形成STL文件发送给打印装置进行待打印物品的3D打印。

其中，所述物品放置装置协助拍摄装置获取待打印物品的多角度图像包括以下步骤：

(1)拍摄装置向物品放置装置发送拍照参数设置命令，物品放置装置完成参数设置后向拍摄装置发送执行完毕的响应，所述拍照参数设置命令包括待获取图像的张数N和拍照时延n；

(2)拍摄装置向物品放置装置发送拍照同步命令，拍摄装置与物品放置装置同步计时；

(3)拍摄装置每拍摄一张图像，物品放置装置中的旋转平台在拍照时延n期间旋转360/N度，直至获取到N张待打印物品的图像。

其中，所述图像建模装置利用多角度图像进行三维建模包括以下步骤：

(1)利用Graph cuts算法将图像中的物体抠离背景，获得空白背景的图像；

(2)利用Snake模型，将图像灰度信息作为约束条件，提取待打印物体的轮廓曲线，得到轮廓图像；

(3)根据每幅图像对应的角度，依次选取角度差为90度的两幅轮廓图像利用SIFT算法对这两幅图像的特征点进行提取与配准；

(4)根据投影原理进行特征点的三维空间坐标恢复；

(5)针对特征点的三维空间坐标，利用RBF内插算法对表面进行重建，生成三维模型。

与现有技术相比，本发明中基于多角度图像的3D打印方法及3D打印设备具有以下优势：本发明利用物品放置装置配合拍摄装置对物体进行多角度拍摄，利用多幅图像生成三维模型，快速便捷，且具有一定精度，极大的降低了物体三维扫描设备的成本；同时，利用价格并不昂贵且正在逐步普及的桌面3D打印机进行打印，使得人人随时随地都可以制作3D模型并通过3D打印机打印。

附图说明

图1是本发明中基于多角度图像的3D打印设备的示意图；

图2是本发明中的物品放置装置和拍摄装置的示意图。

具体实施方式

图1中基于多角度图像的3D打印设备包括：物品放置装置、拍摄装置、图像建模装置、图像后处理装置和打印装置，所述物品放置平台与拍摄装置通信连接，并在拍摄装置的控制下共同完成待打印物品的多角度图像获取；所述图像处理装置分别与拍摄装置和图像后处理装置远程连接，用于将拍摄装置所获取到的多角度图像进行三维建模，并将三维模型发送给图像后处理装置；图像后处理装置与打印装置通信连接，用于对三维模型进行优化后形成STL文件发送给所述打印装置进行待打印物品的3D打印。

上述物品放置装置如图2所示，为一立方体盒子，其中内置有控制单元、旋转平台和拍照灯，控制单元用于接收拍摄装置发送过来的拍照命令，并根据拍照命令控制旋转平台和拍照灯工作；旋转平台用于放置待打印物品，在控制单元的控制下按照一定的角度旋转；拍照灯用于调整拍照的光线；所述拍照命令包括：拍照参数设置命令和拍照同步命令，所述拍照参数设置命令包括待获取图像的张数和拍照时延，所述拍照同步命令用于保持旋转平台和拍摄装置的同步。

拍摄装置可以采用常见的智能终端，例如手机或平板电脑，当用户在拍摄装置上完成拍照设置后并启动拍摄装置开始拍照，拍摄装置先向物品放置装置发送拍照参数设置命令给物品放置装置的控制单元，待控制单元完成参数设置后会向拍摄装置发送执行完毕的响应；拍摄装置向物品放置装置的控制单元发送拍照同步命令，拍摄装置和控制单元同步计时。

上述拍摄装置与图像后处理装置可以采用同一智能终端，手机或者是平板电脑，打印装置可以采用桌面3D打印机。

使用上述3D打印设备时，先将待打印物品放置在旋转平台上，调整好拍照灯的光线，调整拍摄装置的角度和曝光参数等；在拍摄装置上设置拍摄的张数N张以及拍照时延为n秒，N可设置为72、36、18、12、8、4，按下开始按钮；拍摄装置和控制单元通过拍照同步命令实现同步计时，控制单元控制旋转平台在整个图像的获取过程中旋转N次，每次旋转360/N度，拍摄装置每拍摄一次，则等待n秒后进行下一次拍摄，旋转平台则在该拍照时延内旋转一次，拍摄装置和控制单元自动执行上述操作，直到N张照片拍摄完毕；拍摄装置将所获取到的多角度图像传至图像处理单元；图像处理装置先利用Graph cuts算法将照片中的物体抠离背景，获得空白背景的物体图片，再调用算法基于多角度图像生成三维模型，然后将该三维模型发送至图像后处理装置；用户可在图像后处理装置上对此三维模型进行修改、编辑、着色等操作，图像后处理装置生成STL文件，发送到桌面3D打印机上进行打印。

图像处理装置对多角度图像进行三维建模，包括以下步骤：

(1)轮廓线提取。利用Snake模型，将图像灰度信息作为约束条件，提取物体的轮廓曲线，得到轮廓图像；

(2)特征点提取。根据每幅图像对应的角度，依次选取角度差为90度的两幅轮廓图像，即正面和侧面两幅图像，利用SIFT(Scale Invariant Feature Transform尺度不变特征转换)算法，对这两幅图像的特征点进行提取与配准；

(3)特征点空间坐标恢复。根据投影原理，设某特征点在正面图像上的坐标为(X1，Y1)，在侧面图像上的坐标为(X2,Y2)，则该特征点的空间坐标(X,Y,Z)可由式1得到：

(4)表面重建。针对三维特征点空间，利用RBF(Radial Basis Function径向基函数)内插算法对表面进行重建，生成三维模型。

用户利用图像后处理装置对三维模型进行优化，包括以下内容：

(1)通过编辑功能对错误的地方进行删除或微调；

(2)通过平滑功能对尖锐的边缘进行平滑；

(3)通过调色板选择颜色，或者从纹理库中选择并添加纹理。

图像后处理装置形成STL文件，包括以下步骤：

(1)设置弦高，将三维模型表面分割成许多三角形面片；

(2)存储三角形面片的顶点坐标到STL文件中。