本發明涉及3D打印領域，尤其涉及一種基于多角度圖像的3D打印設備及3D打印方法。

背景技術：

目前，3D打印機技術及其相關產業均取得了突飛猛進的發展，其商業化運作也逐漸成熟。3D打印能夠重現一些具有數字化模型的物體，但對模型數字化的準確性有一定要求。目前市場上，數字化模型的獲取方式主要有兩種，第一種，也是最常用的獲取方法，是使用三維掃描儀，將物體放到三維掃描儀中實施掃描，但高精度的掃描儀通常體積龐大且成本較高，手持式的掃描儀則精度較低；第二種，是在醫學及工業領域，使用X射線穿透物體來獲得物體的數字化模型，這種方式精度高，但X射線對人體有輻射危害，并且醫用CT及工業CT價格非常昂貴，不允許個人擁有和使用。

三維掃描儀作為專業的3D掃描儀器，其價格高，一般家庭很難普及，而醫用CT和工業CT不允許個人擁有和使用，這使得在個人及家庭娛樂方面，想要對一個物體進行數字化采集并利用桌面3D打印機重現，幾乎不太可能。

故有必要提供一種針對個人及家庭的、成本低、便捷的采集技術，配合桌面3D打印設備滿足市場的需求。

技術實現要素：

為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于多角度圖像的3D打印設備及3D打印方法，能夠利用簡單的圖像提取裝置實現3D打印，降低3D打印成本。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于多角度圖像的3D打印設備，該設備包括：物品放置裝置、拍攝裝置、圖像建模裝置、圖像后處理裝置和打印裝置，所述物品放置平臺與拍攝裝置通信連接，并在拍攝裝置的控制下共同完成待打印物品的多角度圖像獲取；所述圖像處理裝置分別與拍攝裝置和圖像后處理裝置遠程連接，用于將拍攝裝置所獲取到的多角度圖像進行三維建模，并將三維模型發送給圖像后處理裝置；圖像后處理裝置與打印裝置通信連接，用于對三維模型進行優化后形成STL文件發送給所述打印裝置進行待打印物品的3D打印。

其中，所述物品放置裝置包括控制單元、旋轉平臺和拍照燈；所述控制單元用于接收所述拍攝裝置發送過來的拍照命令，并根據拍照命令控制旋轉平臺旋轉；旋轉平臺用于放置待打印物品，在控制單元的控制下進行旋轉；拍照燈用于調整拍照的光線。

相應地，本發明還提供了一種基于多角度圖像的3D打印方法，包括以下步驟：

(1)物品放置裝置協助拍攝裝置獲取待打印物品的多角度圖像；

(2)拍攝裝置將獲取到的多角度圖像發送給圖像建模裝置；

(3)圖像建模裝置利用多角度圖像進行三維建模，并將三維模型發送給圖像后處理裝置；

(4)圖像后處理裝置將三維模型進行優化后形成STL文件發送給打印裝置進行待打印物品的3D打印。

其中，所述物品放置裝置協助拍攝裝置獲取待打印物品的多角度圖像包括以下步驟：

(1)拍攝裝置向物品放置裝置發送拍照參數設置命令，物品放置裝置完成參數設置后向拍攝裝置發送執行完畢的響應，所述拍照參數設置命令包括待獲取圖像的張數N和拍照時延n；

(2)拍攝裝置向物品放置裝置發送拍照同步命令，拍攝裝置與物品放置裝置同步計時；

(3)拍攝裝置每拍攝一張圖像，物品放置裝置中的旋轉平臺在拍照時延n期間旋轉360/N度，直至獲取到N張待打印物品的圖像。

其中，所述圖像建模裝置利用多角度圖像進行三維建模包括以下步驟：

(1)利用Graph cuts算法將圖像中的物體摳離背景，獲得空白背景的圖像；

(2)利用Snake模型，將圖像灰度信息作為約束條件，提取待打印物體的輪廓曲線，得到輪廓圖像；

(3)根據每幅圖像對應的角度，依次選取角度差為90度的兩幅輪廓圖像利用SIFT算法對這兩幅圖像的特征點進行提取與配準；

(4)根據投影原理進行特征點的三維空間坐標恢復；

(5)針對特征點的三維空間坐標，利用RBF內插算法對表面進行重建，生成三維模型。

與現有技術相比，本發明中基于多角度圖像的3D打印方法及3D打印設備具有以下優勢：本發明利用物品放置裝置配合拍攝裝置對物體進行多角度拍攝，利用多幅圖像生成三維模型，快速便捷，且具有一定精度，極大的降低了物體三維掃描設備的成本；同時，利用價格并不昂貴且正在逐步普及的桌面3D打印機進行打印，使得人人隨時隨地都可以制作3D模型并通過3D打印機打印。

附圖說明

圖1是本發明中基于多角度圖像的3D打印設備的示意圖；

圖2是本發明中的物品放置裝置和拍攝裝置的示意圖。

具體實施方式

圖1中基于多角度圖像的3D打印設備包括：物品放置裝置、拍攝裝置、圖像建模裝置、圖像后處理裝置和打印裝置，所述物品放置平臺與拍攝裝置通信連接，并在拍攝裝置的控制下共同完成待打印物品的多角度圖像獲取；所述圖像處理裝置分別與拍攝裝置和圖像后處理裝置遠程連接，用于將拍攝裝置所獲取到的多角度圖像進行三維建模，并將三維模型發送給圖像后處理裝置；圖像后處理裝置與打印裝置通信連接，用于對三維模型進行優化后形成STL文件發送給所述打印裝置進行待打印物品的3D打印。

上述物品放置裝置如圖2所示，為一立方體盒子，其中內置有控制單元、旋轉平臺和拍照燈，控制單元用于接收拍攝裝置發送過來的拍照命令，并根據拍照命令控制旋轉平臺和拍照燈工作；旋轉平臺用于放置待打印物品，在控制單元的控制下按照一定的角度旋轉；拍照燈用于調整拍照的光線；所述拍照命令包括：拍照參數設置命令和拍照同步命令，所述拍照參數設置命令包括待獲取圖像的張數和拍照時延，所述拍照同步命令用于保持旋轉平臺和拍攝裝置的同步。

拍攝裝置可以采用常見的智能終端，例如手機或平板電腦，當用戶在拍攝裝置上完成拍照設置后并啟動拍攝裝置開始拍照，拍攝裝置先向物品放置裝置發送拍照參數設置命令給物品放置裝置的控制單元，待控制單元完成參數設置后會向拍攝裝置發送執行完畢的響應；拍攝裝置向物品放置裝置的控制單元發送拍照同步命令，拍攝裝置和控制單元同步計時。

上述拍攝裝置與圖像后處理裝置可以采用同一智能終端，手機或者是平板電腦，打印裝置可以采用桌面3D打印機。

使用上述3D打印設備時，先將待打印物品放置在旋轉平臺上，調整好拍照燈的光線，調整拍攝裝置的角度和曝光參數等；在拍攝裝置上設置拍攝的張數N張以及拍照時延為n秒，N可設置為72、36、18、12、8、4，按下開始按鈕；拍攝裝置和控制單元通過拍照同步命令實現同步計時，控制單元控制旋轉平臺在整個圖像的獲取過程中旋轉N次，每次旋轉360/N度，拍攝裝置每拍攝一次，則等待n秒后進行下一次拍攝，旋轉平臺則在該拍照時延內旋轉一次，拍攝裝置和控制單元自動執行上述操作，直到N張照片拍攝完畢；拍攝裝置將所獲取到的多角度圖像傳至圖像處理單元；圖像處理裝置先利用Graph cuts算法將照片中的物體摳離背景，獲得空白背景的物體圖片，再調用算法基于多角度圖像生成三維模型，然后將該三維模型發送至圖像后處理裝置；用戶可在圖像后處理裝置上對此三維模型進行修改、編輯、著色等操作，圖像后處理裝置生成STL文件，發送到桌面3D打印機上進行打印。

圖像處理裝置對多角度圖像進行三維建模，包括以下步驟：

(1)輪廓線提取。利用Snake模型，將圖像灰度信息作為約束條件，提取物體的輪廓曲線，得到輪廓圖像；

(2)特征點提取。根據每幅圖像對應的角度，依次選取角度差為90度的兩幅輪廓圖像，即正面和側面兩幅圖像，利用SIFT(Scale Invariant Feature Transform尺度不變特征轉換)算法，對這兩幅圖像的特征點進行提取與配準；

(3)特征點空間坐標恢復。根據投影原理，設某特征點在正面圖像上的坐標為(X1，Y1)，在側面圖像上的坐標為(X2,Y2)，則該特征點的空間坐標(X,Y,Z)可由式1得到：

(4)表面重建。針對三維特征點空間，利用RBF(Radial Basis Function徑向基函數)內插算法對表面進行重建，生成三維模型。

用戶利用圖像后處理裝置對三維模型進行優化，包括以下內容：

(1)通過編輯功能對錯誤的地方進行刪除或微調；

(2)通過平滑功能對尖銳的邊緣進行平滑；

(3)通過調色板選擇顏色，或者從紋理庫中選擇并添加紋理。

圖像后處理裝置形成STL文件，包括以下步驟：

(1)設置弦高，將三維模型表面分割成許多三角形面片；

(2)存儲三角形面片的頂點坐標到STL文件中。