曲面浮雕的高效表示及3D打印算法

发布时间：2020-02-17 03:52

【摘要】：针对3D浮雕网格点数、面数空间占用大,在打印过程中耗费内存等缺点,提出将凹凸贴图表示的浮雕模型直接进行切片完成打印,并提出基于凹凸贴图的浮雕网格的3D打印自适应细分切片算法.在切片过程中,先对输入的粗网格根据凹凸图深度信息进行自适应中点细分,并更新细分后三角网格顶点的几何位置;然后对生成的局部三角网格集合与切片进行求交运算,将所获得的交线段存储后释放此三角形集合的内存;最后将生成的交线段重组成闭合多边形,生成打印路径,交由打印机完成浮雕模型打印.实验结果证明,将凹凸贴图推广到3D打印中,与传统的打印过程进行对比,该方法的空间利用率得到显著性提高.
【图文】：

深度图,方法流程

高度值,更新三角网格的顶点坐标,生成局部的3D浮雕模型;最后选取等厚度的切片,与更新几何位置后的三角网格进行求交运算,将所获得的交线段保存,释放切片后的三角网格所占的内存空间.依次对粗网格中每一个三角形进行切片计算,直到整体的粗网格完成切片,对于切片过程中存储的交线段,在每一层中将散乱的交线段以首尾相连的方式,重新组合成闭合的多边形,并划分每个多边形所属的区域,生成打印路径,转换成G代码交由打印机完成打印.定义.打印机对模型切片时,将平行于X-Y平面的横截面称为切片,简称Z平面.本文方法具体流程如图2所示.图2本文方法流程图输入.2D图片,3D基本粗网格.输出.浮雕模型的打印实体.Step1.自适应中点细分.对粗网格上的单个三角行i进行自适应中点细分,将细分得到的三角网格集合记为1T.Step2.更新顶点几何位置.根据输入2D图片生成深度图,利用凹凸映射原理,更新1T中三角形顶点几何位置,并将此时三角形集合记为2T.Step3.与切片求交运算.对2T中三角形集合与相交的切片集进行求交运算,存储运算中所获交线段后释放2T所占的内存空间.Step4.对下一个i1重复以上操作,直到模型的三角网格中所有三角形都完成切片计算为止.然后将所获得的交线段按切片所在层重新组合成闭合多边形,并对所有多边形划分、标记出打印区域后生成打印路径,最终将打印路径数据转化成G代码,交由打印机完成模型的打印.3.3自适应中点细分算法中点细分算法本是一种特殊的Loop细分,即

高度图,三角网格,自适应,中点

阜峙卸?判断的准则为切片过程是否会产生无效线段,主要分为相交测试和细分的终止条件设定.按照以上规则细分后的三角网格,既保证了模型打印后的视觉效果,又减少了三角形与切片的求交运算的次数,避免了过多的无效线段生成.因为每次细分一个三角网格,避免了全局细分时占用大量存储空间的问题,所以综合来看,提高了打印速度、减少了内存消耗.在细化过程中对三角形进行相交测试,主要是根据三角形顶点对应的灰度值求出此三角形对应的高度值区间.选取介于此区间的切片集合iz,在细分过程中判断每个三角是否与iz相交.图3a中的△ABC与Z平面不相交,则不对△ABC做任何细分;图3b中的△AEF与Z平面相交,其余三角形不与Z平面相交,此时只细分△AEF,其余三角形不做任何处理.经过相交测试后细分的三角形与全细分的三角形相比,减少了三角形的数量,在模型存储以及后续切片中减少内存的占用,从而减少了切片计算,提高了切片效率.a.△ABC与切片不相交不细分b.△AEF与切片相交细分图3三角网格自适应中点细分2种情况细分的目的是要细化网格,提升网格细节,增加浮雕在视觉上的柔和细腻感.为了在细分网格的同时不降低细分后网格的视觉质量,在细化的过程中设定三角形细分的终止条件.本文借助Wang等[9]提出的显著图原理,将待细分的浮雕模型对应的凹凸贴图的视觉重要性作为三角形细分的终止条件.根据映射关系可知,显著图能衡量高度图中的像素视觉重要性,它亦能反映网格点的高度值所对应区域的重要性,显著性从低到高的递增变化过程,对应区域显示的颜色从蓝色到红色递增变化,如图4所示.在对三角形进行递归细分的过程中,本文遵循视觉重要性高的位置增加细分次数,反之减少细分次数的原则,当三角形三个顶点的视觉重要性或者三角形面积小于文献[9]

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