用於面曝光增材成型的3d模型切片及投影面生成方法
2023-05-17 20:23:26 1
用於面曝光增材成型的3d模型切片及投影面生成方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，基於射線追蹤生成投影面及其支撐；採用基於半邊數據結構的模型遍歷方法，提高切片效率，同時採取合適的抗鋸齒措施獲得最佳的切片效果；切片與生成支撐同時進行，避免了額外的數據處理，採用最優的拓撲結構構建支撐柱和支撐分支，以實現最小的支撐體積並不影響加工實體形狀。
【專利說明】用於面曝光增材成型的3D模型切片及投影面生成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及增材成型製造領域的光敏式面曝光技術，尤其是涉及一種3D模型的切片及投影面生成方法。
【背景技術】
[0002]增材製造(AdditiveManufacturing, AM),又稱3D列印技術,將製造由三維縮減為二維，使複雜零件的加工成為可能。基於圖像投影的面曝光成型技術使用數字微型鏡片輸出成型零件截面圖形，圖像經過透鏡聚焦到盛有光敏樹脂溶液的容器的液面上，形成一個層厚的實體，並由此自下而上逐層成型，最終得到目標零件。
[0003]該技術的關鍵是高效地獲得高精度的截面圖形，其中如何在已有零件(這個「零件」是指要3D列印的實體模型)的基礎上獲得截面輪廓，以及如何生成零件懸掛部分的支撐是兩個主要的技術難點。目前的模型切片的研究主要集中在面向熔融層積工藝(FDM)和立體光刻工藝(SLA)的工具軌跡的計算和生成上。複雜零件截面圖形的生成往往存在效率低下、鋸齒明顯等問題。
[0004]對於零件懸掛部分的支撐，目前的研究也主要集中於立體光刻工藝(SLA)。主要的方法是判斷三角面片的法向量與材料堆疊方向的關係。而在熔融層積工藝(FDM)中獲得支撐的方法主要是通過計算輪廓在二維平面的投影來獲得支撐的空間位置，但該方法獲得支撐填充了整個空隙部分，難以移除，無法適用於面曝光成型工藝。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，運算效率高，支撐結構合理。
[0006]為此，本發明的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法包括以下步驟:
[0007]A)輸入三維實體模型的STL文件，讀取文件中包含的模型的頂點、邊、三角形數量信息，判斷其是否符合三維實體模型的歐拉公式，在滿足的情況下進入步驟B);若不滿足，提示輸入模型錯誤；
[0008]B)建立模型的頂點表格Vt、三角形表格Trt ；
[0009]C)遍歷頂點表格和三角形表格，建立半邊數據表HEt ；
[0010]D )模型顯示和渲染；
[0011]E)設定顯示圖片的像素值，根據加工設備平臺大小，獲取像素點和實體實際尺寸的轉換關係；
[0012]F)完成實體模型的顯示，將模型的最低面置於空間坐標系的χ-y平面，通過一系列的旋轉、平移，使模型位於最佳加工位置一通常位於圖形及加工平臺的中心，即讓模型最底面的中心點，位於加工平臺的中心；
[0013]G)沿z軸負方向一個單位的位置建立一個虛擬平面，稱之為切片基層，在切片基層上計算空間射線，分別有如下幾個步驟:
[0014]Gl)計算實體模型的包圍盒坐標(包圍盒指能夠包圍實體模型的最小的長方體)，作為整個空間射線計算的邊界Xmin, Xmax, Ymin, Ymax ；
[0015]G2)該虛擬平面的z坐標值存儲為各像素點對應的射線的初始邊界點；
[0016]G3)遍歷實體模型的所有三角片，提取其包圍盒邊界坐標，利用步驟E)中所得的像素實體尺寸轉換關係獲得三角形邊界Xmin, Xmax, Ymin, Ymax對應的像素值,標記位於該像素邊界中的所有像素點對應的射線，保存該三角片的ID於射線中，並將射線類中記錄其穿過包圍盒的三角形個數的變量Tri_num增加I ;
[0017]G4)遍歷虛擬平面上各像素點的空間射線(每個像素點對應一條射線。像素點有大小，是圖像顯示的最小單位。射線方向在本算法中不涉及)，提取出G3)獲得的三角形ID，將射線與保存其中的三角形逐個求交，並判斷該交點是否位於三角片中，捨棄不在三角片內的交點，保存位於三角片或邊界上的交點，形成該射線與實體模型的交點序列zvalues ；
[0018]G5)剔除序列zvalues中的重複點，按照Z坐標由小到大排序；
[0019]H)從模型最底層開始，以層厚thickness (層厚根據成型精度要求設定,一般為50至100微米)為增量，至包圍盒最頂端，逐層判斷圖形像素點是否位於模型內部:每層切片圖形的初始像素值設為黑色；在第η層上，層高為Ζη=ηX thickness,遍歷包圍盒的像素邊界中的每個像素射線，若該層高值處於射線交點序列的有效區段內，則該點處於模型內部，應設為白色像素點；否則為黑色像素點；
[0020]I)支撐的分布由用戶自行定義。最簡單的分布模式是半徑為R的支撐圓柱體形成的間距為d的矩形陣列。對處於支撐圓柱體中心處的像素點，判斷其Z坐標所處的射線交點序列的區段，進而判斷該像素點是否為支撐。
[0021]本發明基於模型半邊數據結構處理任意三維實體的三角面片網格，在切片的同時對模型需要的支撐進行同步運算，提高了算法效率；本發明設計的支撐結構佔用空隙部分少，用最小的支撐體積獲得最佳支撐效果。
[0022]同時，本發明的一些優選實施方式還包括如下優點:採取合適的抗鋸齒措施，而不降低軟體的運算效率；採用最優的拓撲結構構建支撐柱和支撐分支，以實現最小的支撐體積和最優的支撐效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明【具體實施方式】投影面生成的流程圖；
[0024]圖2是本發明實施例3D實體模型的點、邊、半邊和三角形示意圖。
[0025]圖3a、3b分別是本發明實施例人物頭像的三角網格模型示意圖及放大圖。
[0026]圖4是本發明實施例切片基層上所有像素射線穿過實體模型的示意圖。
[0027]圖5是本發明實施例切當前切片層像素點A顏色判斷示意圖。
[0028]圖6是本發明實施例當前切片層中的像素點A輸出切片圖形示意圖。
[0029]圖7是本發明實施例支撐分布圖。
[0030]圖8本發明實施例當前切片層中的像素點A顏色判斷示意圖。
[0031]圖9是圖8中當前切片層上生成的支撐投影。
[0032]圖10a、IOb、10c、10d是本發明實施例生成的支撐結構示意圖。【具體實施方式】
[0033]如圖1所示，本實施例的基於射線追蹤的切片及投影面生成方法包括以下步驟(圖中英文字母標號代表下述步驟編號):
[0034]A)輸入三維實體模型的STL文件(STL文件是增材製造領域中的一種表示三維模型的標準格式)，讀取3D實體模型的頂點、邊、三角形數量，判斷其是否符合三維實體模型的歐拉公式(頂點數目、三角形數目、邊數目分別記為V、T、E，則三者必須滿足網格模型的歐拉公式:T - E+V=2 - 2H，其中H表示通孔的數目)，在滿足的情況下進入步驟B);若不滿足，提示輸入模型錯誤；
[0035]B)建立模型的頂點表格Vt、三角形表格Trt (輸入的原始模型中，包含了點、邊、三角形信息，但是在我們的程序中，需先建立點和三角形的表格，然後再在其基礎上，生成半邊數據表格，半邊數據結構是本發明採用的一種用於遍歷模型的工具.模型是以STL格式讀入，STL文件中包含了頂點和三角形信息，本算法只需再此基礎上建立半邊數據表格)。在建立頂點數據表時，按照頂點坐標的X坐標值升序排列頂點，若X坐標相等，則按照Y坐標值排列。
[0036]頂點表格Vt中存儲了各頂點ID，頂點XYZ坐標值，頂點ID依據頂點排列次序分別命名為1，2，……;三角形表格Trt中存儲了三角片ID，以及該三角片對應的三個頂點的ID，三角片ID按照模型三角面片的導入順序依次命名為1，2，……；
[0037]C)遍歷頂點表格和三角形表格，建立半邊數據表HEt ;如圖2，對於任意三角形 tri I，包含3條按照逆時針順序排列的半邊HE，每條半邊HE在該三角形中對應一個頂點O，以及2個端點vl和v2。按照vl和v2的坐標值以升序排列所有半邊，找出擁有相同端點vl和v2的邊e4,即為el的逆半邊,表示為el.r。如表格所示為建立的半邊數據表格示例。基於該半邊數據結構，模型中的任意頂點、邊和三角形可以被快速查詢，極大地提高了算法的運算效率。
[0038]
【權利要求】
1.一種用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於，包括以下步驟: A)輸入三維實體模型的文件，讀取文件中包含的模型的頂點、邊、三角形數量信息，判斷其是否符合三維實體模型的歐拉公式，在滿足的情況下進入步驟B);若不滿足，提示輸入模型錯誤； B)建立模型的頂點表格Vt、三角形表格Trt； C)遍歷頂點表格和三角形表格，建立半邊數據表HEt； E)設定顯示圖片的像素值，根據加工設備平臺大小，獲取像素點和實體實際尺寸的轉換關係； F)完成實體模型的顯示，將模型的最低面置於空間坐標系的χ-y平面，通過一系列的旋轉、平移，使模型位於最佳加工位置； G)沿z軸負方向一個單位的位置建立一個虛擬平面，稱之為切片基層，在切片基層上計算空間射線； H)從模型最底層開始，以層厚thickness為增量，至包圍盒最頂端，逐層判斷圖形像素點是否位於模型內部:每層切片圖形的初始像素值設為黑色；在第η層上，層高為Ζη=η X thickness,遍歷包圍盒的像素邊界中的每個像素射線,若該層高值處於射線交點序列的有效區段內，則該點處於模型內部，應設為白色像素點；否則為黑色像素點； I)對處於支撐圓柱體中心處的像素點，判斷其Z坐標所處的射線交點序列的區段，進而判斷該像素點是否為支撐。
2.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:步驟A)中，所述文件是STL文件；步驟B)中，在建立頂點數據表時，按照頂點坐標的X坐標值升序排列頂點，若X坐標相等，則按照Y坐標值排列；頂點表格Vt中存儲了各頂點ID，頂點XYZ坐標值，頂點ID依據頂點排列次序分別命名為1，2，……;三角形表格Trt中存儲了三角形ID，以及該三角形對應的三個頂點的ID，三角形ID按照模型STL文件中的三角形的導入順序依次命名為1，2，......。
3.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:G)中建立的射線的變量包含交點序列zvalues、穿透的三角片ID。
4.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:H)中利用射線交點序列快速判斷圖形像素值；其中，根據層高z判斷其所在的區間段。
5.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:步驟C)中，對於任意三角形triI，包含3條按照逆時針順序排列的半邊HE，每條半邊HE在該三角形中對應一個頂點O，以及2個端點vl和v2;按照vl和v2的坐標值以升序排列所有半邊，找出擁有相同端點vl和v2的邊e4，即為el的逆半邊，表示為el.r。
6.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:還包括步驟D):模型的顯示和渲染，模型的顯示基於開源的OpenGL，渲染方法採用Phong著色法。
7.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:步驟F)中，所述最佳加工位置位於圖形及加工平臺的中心，即:讓模型最底面的中心點，位於加工平臺的中心。
8.根據權利要求3所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:步驟G)中，在切片基層上計算空間射線分別有如下幾個步驟: Gl)計算實體模型的包圍盒坐標，包圍盒指能夠包圍實體模型的最小的長方體，作為整個空間射線計算的邊界Xmin, Xmax, Ymin, Ymax ； G2)該虛擬平面的z坐標值存儲為各像素點對應的射線的初始邊界點； G3)遍歷實體模型的所有三角片，提取其包圍盒邊界坐標，利用步驟E)中所得的像素實體尺寸轉換關係獲得三角形邊界Xmin, Xmax, Ymin, Ymax對應的像素值,標記位於該像素邊界中的所有像素點對應的射線，保存該三角片的ID於射線中，並將射線類中記錄其穿過包圍盒的三角形個數的變量Tri_num增加I ; G4)遍歷虛擬平面上各像素點的空間射線，提取出G3)獲得的三角形ID，將射線與保存其中的三角形逐個求交，並判斷該交點是否位於三角片中，捨棄不在三角片內的交點，保存位於三角片或邊界上的交點，形成該射線與實體模型的交點序列zvalues ； G5)剔除序列zvalues中的重複點，按照Z坐標由小到大排序。
9.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:步驟I)中，支撐的分布由用戶自行定義，至少包括如下的分布模式:半徑為R的支撐圓柱體形成的間距為d的矩形陣列。
10.根據權利要求1所述的用於面曝光增材成型的3D模型的切片及投影面生成方法，其特徵在於:還採用多通道抗鋸齒算法消除射線求解帶來的鋸齒影響，所述多通道過濾器為
{-0.52，0.38，0.128，
`0.41，0.56，0.119，
`0.27，0.08，0.294，
-0.17，-0.29，0.249，
`0.58，-0.55，0.104，
-0.31，-0.71，0.106}。
【文檔編號】G06F17/50GK103761397SQ201410037525
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月26日 優先權日:2014年1月26日
【發明者】張靖, 金良, 宋軒, 王彬, 潘亞月 申請人:張靖, 金良, 宋軒, 王彬, 潘亞月