应用于3D打印的三维测量系统研发

3D打印技术是第三次工业革命的核心技术。随着逆向工程和三维测量技术的革新，基于三维测量系统的个性化3D打印应用应运而生。论文介绍了3D打印技术以及应用的发展趋势，对三维测量系统的组成，工作原理以及关键技术进行分析，最后提出基于逆向工程和三维测量系统的3D个性化打印。

【关键词】3D打印 逆向工程 三维测量 标定 相移

1 3D打印技术发展趋势以及个性化服务应用

3D打印技术即增材制造技术，是3D打印机将3D格式数据由特殊的材料通过逐层添加的方式而设计制作出来的三维产品，也被称为是“第三代工业革命”。3D打印技术相比较传统的制作工艺、流程和技术，可以快速实现产品结构化，优势明显。3D打印材料的选择非常重要，目前常用的材料包括了工程塑料，光敏树脂，橡胶类材料，以及钛金属或者陶瓷材料。

我国也加大了对3D打印技术的投入和研究，在文物领域，利用3D打印技术实现对数字文物的修复；在医学领域，出现了3D打印的人体器官等。随着三维测量技术的发展，结合逆向工程，出现了将三维测量系统与3D打印技术结合的一体化个性化打务，利用三维测量技术，获取复杂型面产品三维数据并进行3D打印，在模具设计以及逆向工程等领域得到应用非常广泛。论文对三维测量系统的组成和工作原理进行了介绍，并且对基于三维测量和逆向工程的3D打印应用进行展望和总结。

2 三维测量系统设计

实现基于三维测量和逆向工程的3D打印应用，复杂面型三维数据的获取变得尤其重要，传统测量技术无法实现对复杂面型的三维数据获取，目前流行的结构光测量技术可以快速获取三维数据，为3D打印提供数据支持。

2.1 系统组成

三维测量系统采用双目视觉与相移结构光相结合的方式，如图1所示，三维测量系统主要包括了测量头，由双目摄像机和投影仪组成，主要负责投射结构光栅对被测量物体进行视场划分以及同步获取光栅序列图，其他还包括三脚架和数据线，显示器和PC主机，光栅序列图传输到主机，根据标定参数解算出三维点云数据。

2.2 工作原理

三维测量系统的工作原理基于视差原理，由两个摄像机从不同角度同时获取周围景物的两幅数字图像，或有单摄像机在不同时刻从不同角度获取周围景物的两幅数字图像，图像平面和被测物体之间构成一个三角形。已知两摄像机之间的位置关系，便可以获取两摄像机公共视场内物体的三维坐标。立体匹配是关键技术，一般都会采用光学投射器投射一定的光模式，如线条纹、网格状条纹、相位条纹等，对场景对象在空间的位置进行约束，可以获取场景对象上点的唯一坐标值。

2.3 关键技术

标定技术-为得到世界坐标系下的被测量物体点坐标，需要先建立双目摄像机的成像模型如公式1，其中N称之为内部参数矩阵，H称之为外部参数矩阵，M为综合矩阵。根据标定板已知圆心的图像和世界坐标系关系，由非线性优化解算得到摄像机内部参数包括相机主点坐标，畸变参数，以及焦距，以及摄像机外部参数。

相移技术-当得到了双目相机的参数之后，就可以根据相移技术进行结构光投射，目前流行的光栅透射方式为时间相位法。解相转变为单点解相，原理上不受被测量物体复杂表面影响，具有代表性的为负指数序列透射方法。最后由左右图像上点的相位约束关系和极线约束关系，由标定参数可计算出三维点坐标。

拼接技术-受视场大小的影响，单次测量范围有限，为了得到完整的被测量物体的三维数据，采用公共区域粘贴标记点的方式。将两次测量中得到的公共标记点进行匹配，然后选择采用SVD分解法求取旋转矩阵和平移矩阵，完成以上过程后两次测量的特征点的三维点云对{pi}和{p'i}就已经找出，两者之间可以由公式p'i=Rpi+T+Ni表示，其中R是一个旋转矩阵，T是一个平移矩阵，N是干扰向量，用最小二乘法

求得R和T。得到了旋转和平移矩阵就可以对第二次测量得到的点云数据进行旋转平移，与第一次点云进行拼接，以此类推实现物体的全貌测量。

3 基于三维测量和逆向工程的个性化3D打印应用

当需要对一个设计产品进行修改验证的时候，或者对某个产品进行复制的时候，因为产品复杂的曲面无法使用传统的測量工具进行测量建模，这个时候就需要采用三维测量系统，对产品进行测量而获取三维数据，再通过逆向工程软件如GeomagieStudio， Imageware等软件进行数据处理，将处理得到的数据导入3D打印机得到成品，而且还可以根据需求进行个性化服务，对人体的外貌数据进行打印得到个性化产品。

4 结束语

3D打印技术飞速发展对制造行业带来了“第三次工业革命”，随着三维测量技术，以及逆向工程的快速发展也对3D打印提出了新的应用需求，基于三维测量系统和逆向工程的3D个性化打印应运而生。传统打印数据的获取需要通过专业计算机专业进行设计，而基于三维测量系统的被测量物体的三维面型数据可以快速获得，再通过逆向工程软件处理，最后打印得到高精度高质量的产品原型。随着三维测量技术和逆向工程技术的迅速发展，为3D打印的数据获取，打印流程，应用方式等都将提供新的思路。

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作者单位

西南财经大学天府学院信息技术教学中心 四川省绵阳市 621000