一種可3D列印的鏤空二維碼模型生成方法及系統與流程
2023-06-01 22:19:07 5
本發明涉及面向3d列印的幾何模型定製領域，尤其涉及一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成方法及系統。
背景技術：
二維碼，又稱快速響應碼，使用黑白矩形圖案表示二進位數據，通過掃描設備可解碼獲得二維碼中包含的信息。近年來，二維碼技術日益成熟，尤其對於矩陣式二維碼，由於其具有信息容量大、保密性高、容錯糾錯能力強、解碼可靠性高、尺寸可調、製作成本較低等的優點，它已經被廣泛的應用於信息檢索、信息通訊、電子憑證、廣告媒體等領域，並且逐漸滲透進人們的生活當中。
3d列印，又稱增材製造，常見的3d列印指在計算機的控制下層疊原材料，製作三維物體的過程。隨著3d列印技術的迅速發展，列印精度與列印速度逐漸提高，3d列印設備與列印材料的價格逐漸降低，3d列印也被廣泛的應用於各個領域。
近年來，大量出現紙質二維碼暴露出了容易破損、不耐用不環保、易於偽造安全性較低的問題，常見的動態二維碼又具有對電子設備與信息安全的依賴性較高的問題。相比以上兩種二維碼，3d列印二維碼具有獨立成型、不易更改、不易損壞且使用持久等優點。鑑於3d列印技術的成熟與以上原因，目前已經出現了可3d列印的二維碼三維幾何模型生成技術，即通過對二維碼黑色區域沿面法向量向正方向拉升或向反方向凹陷生成浮雕形式的二維碼三維幾何模型，因此輸入模型都具有厚重的底部，對列印材料的耗費較高。除此之外，現有方法生成的二維碼模型在3d列印時，對於模型的底部區域與模型的上浮二維碼區域需要兩種顏色對比較強的列印材料進行列印，才能保證列印結果能有效的被機器識別並成功解碼。
然而，生成二維碼模型的現有技術存在以下缺陷：
(1)現存技術生成的二維碼模型無法作為較普遍的單一材料3d印表機的輸入模型。
(2)由於二維碼圖像存在大量獨立不連通的區域，根據二維碼圖像生成對應的可3d列印可掃描的鏤空二維碼模型的問題仍待解決。
技術實現要素：
為了解決現有技術的不足，本發明提供了一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成方法，該方法通過用戶輸入的二維碼圖像，考慮到3d印表機精度生成相對應的鏤空二維碼模型，用於單一材料3d印表機的輸入模型，最終可列印得到可以掃描並能成功被解碼的立體鏤空二維碼。
本發明的一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成方法，包括：
輸入二維碼圖像，對鏤空區域進行連通性處理，得到連通圖像ic；其中，二維碼圖像的白色區域為鏤空區域，黑色區域為非鏤空區域；
根據連通圖像ic中每個像素的顏色值，生成映射到單位面積的二維表面網格s；
對二維表面網格s進行放大處理，列印出與3d印表機精度相匹配的三維鏤空模型m。
進一步的，對鏤空區域進行連通性處理之前，還包括：
對二維碼圖像進行閾值預處理，遍歷二維碼圖像並標記所有不同的獨立白色區域。
本發明通過對二維碼圖像閾值預處理，再對預閾值後的二維碼圖像進行獨立區域的檢測，能夠準確得到二維碼圖像信息，最終提高了連通性處理的精度。
進一步的，對鏤空區域進行連通性處理的具體過程包括：
遍歷二維碼圖像的所有不同的獨立白色區域，使用白色直線連接二維碼圖像中距離最近的兩個獨立的白色區域，將兩個白色區域合併為同一個區域；
檢測二維碼圖像的獨立白色區域個數是否大於1，若是，則返回上一步；否則，結束連通化處理過程，得到連通圖像ic。
本發明對任意的二維碼圖像進行獨立區域檢測與連通性處理，得到白色區域連通的二維碼圖像，並據此生成準確地相對應的鏤空二維碼錶面網格，最終得到連通的符合要求的鏤空二維碼模型。
進一步的，生成映射到單位面積的二維表面網格s的具體過程包括：
根據掃描線算法，順序遍歷連通圖像ic中的每個像素，其中，連通圖像ic的像素為n×n；
若第y+1行且第x+1列的像素顏色為白色，則記為p(x，y)＝1；否則，記為p(x，y)＝0，得到標記集合p，其中，1≤x≤n，n為正整數；
遍歷標記集合p，若p(x，y)＝1，則添加v0((x-1)/n，(y-1)/n)、v1(x/n，(y-1)/n)、v2((x-1)/n，y/n)和v3(x/n，y/n)這四個頂點，分別添加連接v0與v1、v1與v2、v2與v3、v3與v0提及v0與v2的邊，若邊已存在，則不添加，得到連通圖像ic映射到單位面積的二維表面網格s。
其中，標記集合p與鏤空表面網格成線性映射關係。
進一步的，對二維表面網格s進行放大處理，列印出與3d印表機精度相匹配的三維鏤空模型m的具體過程包括：
遍歷二維表面網格s的鏤空區域，查找到面積最小的鏤空區域，並對其求最大內接圓，得到內接圓直徑d，計算得到放大倍數m1＝ω/d，其中，ω為3d印表機精度；
根據白色直線的寬度w，計算得到放大倍數m2＝ω/w；若m1＞m2，則將二維表面網格s放大m1倍，否則，放大m2倍；
將放大後的二維表面網格s按照面法向量，即沿著z軸正方向延伸kω距離，列印出三維鏤空模型m，其中，k≥1。
其中，k為用戶根據需要自定義的列印厚度倍數。
本發明的第二目的是提供一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成系統。
本發明的一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成系統，包括：
圖像連通性處理模塊，其用於輸入二維碼圖像，對鏤空區域進行連通性處理，得到連通圖像ic；其中，二維碼圖像的白色區域為鏤空區域，黑色區域為非鏤空區域；
二維表面網格映射模塊，其用於根據連通圖像ic中每個像素的顏色值，生成映射到單位面積的二維表面網格s；
二維表面網格放大及列印模塊，其用於對二維表面網格s進行放大處理，列印出與3d印表機精度相匹配的三維鏤空模型m。
進一步的，該系統還包括：
圖像預處理模塊，其用於對二維碼圖像進行閾值預處理，遍歷二維碼圖像並標記所有不同的獨立白色區域。
進一步的，所述圖像連通性處理模塊包括：
白色區域遍歷模塊，其用於遍歷二維碼圖像的所有不同的獨立白色區域，使用白色直線連接二維碼圖像中距離最近的兩個獨立的白色區域，將兩個白色區域合併為同一個區域；
連通圖像生成模塊，其用於檢測二維碼圖像的獨立白色區域個數是否大於1，若是，則返回上一步；否則，結束連通化處理過程，得到連通圖像ic。
進一步的，所述二維表面網格映射模塊包括：
掃描模塊，其用於根據掃描線算法，順序遍歷連通圖像ic中的每個像素，其中，連通圖像ic的像素為n×n；若第y+1行且第x+1列的像素顏色為白色，則記為p(x，y)＝1；否則，記為p(x，y)＝0，得到標記集合p，其中，1≤x≤n，n為正整數；
標記集合遍歷模塊，其用於遍歷標記集合p，若p(x，y)＝1，則添加v0((x-1)/n，(y-1)/n)、v1(x/n，(y-1)/n)、v2((x-1)/n，y/n)和v3(x/n，y/n)這四個頂點，分別添加連接v0與v1、v1與v2、v2與v3、v3與v0提及v0與v2的邊，若邊已存在，則不添加，得到連通圖像ic映射到單位面積的二維表面網格s。
進一步的，所述二維表面網格放大及列印模塊包括：
放大倍數計算模塊，其用於遍歷二維表面網格s的鏤空區域，查找到面積最小的鏤空區域，並對其求最大內接圓，得到內接圓直徑d，計算得到放大倍數m1＝ω/d，其中，ω為3d印表機精度；根據白色直線的寬度w，計算得到放大倍數m2＝ω/w；若m1＞m2，則將二維表面網格s放大m1倍，否則，放大m2倍；
z軸延伸及列印模塊，其用於將放大後的二維表面網格s按照面法向量，即沿著z軸正方向延伸kω距離，列印出三維鏤空模型m，其中，k≥1。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
(1)本發明將二維碼圖像分成鏤空區域和非鏤空區域，並對其進行處理，不但能滿足常見的單一材料列印結果可掃描並成功解碼，與浮雕式二維碼相比還在降低材料耗費、減少列印時間、節省製作成本、環境保護等方面具有顯著優勢。
(2)本發明的該方法對任意的二維碼圖像進行獨立區域檢測與連通性處理，得到白色區域連通的二維碼圖像，並據此生成對應的鏤空二維碼錶面網格，進而得到連通的鏤空二維碼模型。
(3)本發明的該方法根據不同3d印表機的精度可自動生成合適大小的可3d列印的三維鏤空二維碼模型。
(4)本發明的該方法得到的模型可直接進行3d列印，採用3d印表機即可完成，對於列印材料屬性沒有要求，所需列印材料和列印時間較少，成型成本較低。3d列印結果可掃描並能被成功解碼，不易破損，使用周期較長，具有一定的環保價值。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。
圖1為本發明的可3d列印的鏤空二維碼模型生成方法流程圖；
圖2為對輸入的二維碼圖像進行第一次白色獨立區域檢測結果圖；
圖3(a)為遍歷獨立白色區域後，得到的距離最近兩區域即區域1與區域2；
圖3(b)為以寬度為2像素的白色直線連接距離最近的兩區域的示意圖；
圖4(a)為輸入的二維碼圖像i；
圖4(b)為對輸入的二維碼圖像i進行連通性處理後的結果圖ic；
圖4(c)為輸入的二維碼圖像i與連通性處理結果圖ic的差異圖；
圖5(a)為根據通性處理結果圖ic特寫部分的標記集合p示意圖
圖5(b)為根據圖5(a)所示的標記集合生成的表面網格；
圖6為生成的表面網格s；
圖7為生成的三維鏤空模型m及其3d列印的實物模型；
圖8為本發明的可3d列印的鏤空二維碼模型生成系統的結構示意圖；
圖9為圖像連通性處理模塊的結構示意圖；
圖10為二維表面網格映射模塊的結構示意圖；
圖11為二維表面網格放大及列印模塊的結構示意圖。
具體實施方式
應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
圖1為本發明的可3d列印的鏤空二維碼模型生成方法流程圖。
本實施例中，採用i表示用戶輸入的二維碼二值圖像，如附圖4(a)所示。
如附圖4(b)所示，ic表示連通性處理後的二維碼圖像，ω表示來自用戶3d印表機列印精度的參數，首先生成的二維表面網格s時的橫、縱坐標都歸一化到[0,1]範圍內，然後對二維表面網格s進行調整並擠出，得到可3d列印的三維鏤空二維碼模型m。
如圖1所示，本發明的一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成方法，包括：
步驟(1)：輸入二維碼圖像，對鏤空區域進行連通性處理，得到連通圖像ic；其中，二維碼圖像的白色區域為鏤空區域，黑色區域為非鏤空區域。
其中，對鏤空區域進行連通性處理之前，還包括：
對二維碼圖像進行閾值預處理，遍歷二維碼圖像並標記所有不同的獨立白色區域。
具體地，對輸入二維碼圖像i的每個像素通過掃描線算法，從上到下，從左到右進行遍歷，並採用以下公式進行全局閾值預處理：
其中，以圖像左上角為原點，i(x，y)表示圖像某一坐標位置下的像素顏色，i′(x，y)表示處理後該像素顏色，對應為第y+1行，第x+1列對應的像素顏色，1表示白色，0表示黑色，t為閾值。
對預閾值後的二維碼圖像進行獨立區域的檢測，通過種子填充法的連通區域分析方法確定不同的獨立白色區域，下面給出分析方法：
a.初始化不同區域的標記值label＝1；
b.對圖像中像素按掃描線算法進行遍歷，直到i(x，y)＝1；
c.若該點沒有被標記，將該點作為種子，並賦予一個label標記值，然後將4領域相鄰的色值為1的像素都壓入棧中；
d.將棧頂像素賦予相同標記值後彈出，將與彈出棧頂像素4領域相鄰的色值為1的像素都壓入棧中；
e.重複步驟d直到棧為空，更改標記值label＝label+1，若圖像遍歷未結束，回到步驟b，否則結束分析算法，得到不同獨立白色區域，如附圖2所示，圖2中的不同色值的灰色區域表示不同的獨立白色區域。
本發明通過對二維碼圖像閾值預處理，再對預閾值後的二維碼圖像進行獨立區域的檢測，能夠準確得到二維碼圖像信息，最終提高了連通性處理的精度。
其中，對鏤空區域進行連通性處理的具體過程包括：
步驟(1.1)：遍歷二維碼圖像的所有不同的獨立白色區域，使用白色直線連接二維碼圖像中距離最近的兩個獨立的白色區域，將兩個白色區域合併為同一個區域。
具體地，兩區域間的距離通過，遍歷屬於兩個不同區域邊界上的像素，根據以下公式計算它們之間的距離di，並取最小值得到，並以距離最小的兩個像素點作為終點與起點，以寬度為w的白色直線相連接，為保證處理後的二維碼圖像可掃描連接線寬度w小於等於0.8倍定位標記的線框寬度，如附圖3(a)和圖3(b)所示；
其中，圖3(a)表示遍歷獨立白色區域後，得到的距離最近兩區域即區域1與區域2，灰色像素點表示連接線的起點與終點；
圖3(b)表示以寬度為2像素的白色直線連接距離最近的兩區域的示意圖，黑框表示連接線輪廓。
其中，di為位於兩區域邊界上的像素值之間的距離，以圖像左上角為原點，x1y1和x2y2分別代表位於兩區域邊界上的像素值對應坐標。
步驟(1.2)：檢測二維碼圖像的獨立白色區域個數是否大於1，若是，則返回上一步；否則，結束連通化處理過程，得到連通圖像ic。
具體地，通過種子填充法的連通區域分析二維碼圖像後，若label≥1表示圖像的獨立白色區域個數大於1，則返回步驟(1.1)，否則，結束連通化處理過程，得到白色區域連通的二維碼圖像ic，如附圖4(b)所示。
本發明對任意的二維碼圖像進行獨立區域檢測與連通性處理，得到白色區域連通的二維碼圖像，並據此生成準確地相對應的鏤空二維碼錶面網格，最終得到連通的符合要求的鏤空二維碼模型。
步驟(2)：根據連通圖像ic中每個像素的顏色值，生成映射到單位面積的二維表面網格s。
具體地，生成映射到單位面積的二維表面網格s的具體過程包括：
步驟(2.1)：根據掃描線算法，順序遍歷連通圖像ic中的每個像素，其中，連通圖像ic的像素為n×n；
若第y+1行且第x+1列的像素顏色為白色，則記為p(x，y)＝1；否則，記為p(x，y)＝0，得到標記集合p，其中，1≤x≤n，n為正整數。
在具體實施過程中，根據掃描線算法，從左到右，從上到下的遍歷n×n像素的圖像ic中的每個像素,若第y+1行,第x+1列的像素顏色為白色記p(x，y)＝1,否則記為p(x，y)＝0,得到標記集合p，圖像特寫部分的標記如附圖5(a)所示；
步驟(2.2)：遍歷標記集合p，若p(x，y)＝1，則添加v0((x-1)/n，(y-1)/n)、v1(x/n，(y-1)/n)、v2((x-1)/n，y/n)、v3(x/n，y/n)四個頂點，分別添加連接v0與v1，v1與v2，v2與v3，v3與v0，v0與v2的邊，若邊已存在則不添加，得到通過連通二維碼圖像ic生成的映射到單位面積的二維表面網格s，結果網格部分特寫如附圖5(b)所示，得到的表面網格如附圖6所示。
其中，標記集合p與鏤空表面網格成線性映射關係。
步驟(3)：對二維表面網格s進行放大處理，列印出與3d印表機精度相匹配的三維鏤空模型m。
具體地，對二維表面網格s進行放大處理，列印出與3d印表機精度相匹配的三維鏤空模型m的具體過程包括：
步驟(3.1)：遍歷二維表面網格s的鏤空區域，查找到面積最小的鏤空區域，並對其求最大內接圓，得到內接圓直徑d，計算得到放大倍數m1＝ω/d，其中，ω為3d印表機精度；
根據白色直線的寬度w，計算得到放大倍數m2＝ω/d；若m1＞m2，則將二維表面網格s放大m1倍，否則，放大m2倍；
步驟(3.2)：將放大後的二維表面網格s按照面法向量，即沿著z軸正方向延伸kω距離，列印出三維鏤空模型m，其中，k≥1。
其中k為用戶根據需要自定義的列印厚度倍數，得到的可3d列印鏤空模型m如附圖7所示。
本發明將二維碼圖像分成鏤空區域和非鏤空區域，並對其進行處理，不但能滿足常見的單一材料列印結果可掃描並成功解碼，與浮雕式二維碼相比還在降低材料耗費、減少列印時間、節省製作成本、環境保護等方面具有顯著優勢。
本發明的該方法對任意的二維碼圖像進行獨立區域檢測與連通性處理，得到白色區域連通的二維碼圖像，並據此生成對應的鏤空二維碼錶面網格，進而得到連通的鏤空二維碼模型。
本發明的該方法根據不同3d印表機的精度可自動生成合適大小的可3d列印的三維鏤空二維碼模型。
本發明的該方法得到的模型可直接進行3d列印，採用3d印表機即可完成，對於列印材料屬性沒有要求，所需列印材料和列印時間較少，成型成本較低。3d列印結果可掃描並能被成功解碼，不易破損，使用周期較長，具有一定的環保價值。
圖8是本發明的可3d列印的鏤空二維碼模型生成系統的結構示意圖。
如圖8所示，本發明的一種可3d列印的鏤空二維碼模型生成系統，包括：
(1)圖像連通性處理模塊，其用於輸入二維碼圖像，對鏤空區域進行連通性處理，得到連通圖像ic；其中，二維碼圖像的白色區域為鏤空區域，黑色區域為非鏤空區域。
如圖9所示，所述圖像連通性處理模塊包括：
(1.1)白色區域遍歷模塊，其用於遍歷二維碼圖像的所有不同的獨立白色區域，使用白色直線連接二維碼圖像中距離最近的兩個獨立的白色區域，將兩個白色區域合併為同一個區域；
(1.2)連通圖像生成模塊，其用於檢測二維碼圖像的獨立白色區域個數是否大於1，若是，則返回上一步；否則，結束連通化處理過程，得到連通圖像ic。
(2)二維表面網格映射模塊，其用於根據連通圖像ic中每個像素的顏色值，生成映射到單位面積的二維表面網格s。
如圖10所示，所述二維表面網格映射模塊包括：
(2.1)掃描模塊，其用於根據掃描線算法，順序遍歷連通圖像ic中的每個像素，其中，連通圖像ic的像素為n×n；若第y+1行且第x+1列的像素顏色為白色，則記為p(x，y)＝1；否則，記為p(x，y)＝0，得到標記集合p，其中，1≤x≤n，n為正整數；
(2.2)標記集合遍歷模塊，其用於遍歷標記集合p，若p(x，y)＝1，則添加v0((x-1)/n，(y-1)/n)、v1(x/n，(y-1)/n)、v2((x-1)/n，y/n)和ν3(x/n，y/n)這四個頂點，分別添加連接v0與v1、v1與v2、v2與v3、v3與v0提及v0與v2的邊，若邊已存在，則不添加，得到連通圖像ic映射到單位面積的二維表面網格s。
(3)二維表面網格放大及列印模塊，其用於對二維表面網格s進行放大處理，列印出與3d印表機精度相匹配的三維鏤空模型m。
如圖11所示，所述二維表面網格放大及列印模塊包括：
(3.1)放大倍數計算模塊，其用於遍歷二維表面網格s的鏤空區域，查找到面積最小的鏤空區域，並對其求最大內接圓，得到內接圓直徑d，計算得到放大倍數m1＝ω/d，其中，ω為3d印表機精度；根據白色直線的寬度w，計算得到放大倍數m2＝ω/w；若m1＞m2，則將二維表面網格s放大m1倍，否則，放大m2倍；
(3.2)z軸延伸及列印模塊，其用於將放大後的二維表面網格s按照面法向量，即沿著z軸正方向延伸kω距離，列印出三維鏤空模型m，其中，k≥1。
其中，該系統還包括：
(4)圖像預處理模塊，其用於對二維碼圖像進行閾值預處理，遍歷二維碼圖像並標記所有不同的獨立白色區域。
本發明將二維碼圖像分成鏤空區域和非鏤空區域，並對其進行處理，不但能滿足常見的單一材料列印結果可掃描並成功解碼，與浮雕式二維碼相比還在降低材料耗費、減少列印時間、節省製作成本、環境保護等方面具有顯著優勢。
本發明對任意的二維碼圖像進行獨立區域檢測與連通性處理，得到白色區域連通的二維碼圖像，並據此生成對應的鏤空二維碼錶面網格，進而得到連通的鏤空二維碼模型。
本發明根據不同3d印表機的精度可自動生成合適大小的可3d列印的三維鏤空二維碼模型。
本發明得到的模型可直接進行3d列印，採用3d印表機即可完成，對於列印材料屬性沒有要求，所需列印材料和列印時間較少，成型成本較低。3d列印結果可掃描並能被成功解碼，不易破損，使用周期較長，具有一定的環保價值。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。