面向3D打印的图像透雕系统设计与关键问题研究
发布时间：2021-01-15 10:49
镂空是一种虚实相交极具美感的艺术表现形式,因其强烈且特殊的创造性和通透的视觉效果深受艺术家与设计师的喜爱,因而被广泛的应用于家具装饰、建筑设计及珠宝加工等各个领域中。随着对于立体空间和结构美感的认知逐渐鲜明,人们愈发的渴求更加多样化的镂空工艺品。然而精致的工艺作品通常需要富有想象力的艺术家精心设计,再由精通工艺且经验丰富的工匠手工制作而成,其设计门槛与制作成本都比较高。随着3D打印技术的出现,复杂几何模型的制造能力得到了显著的提高,这给镂空工艺品从手工制作推广到数字制造提供了机会,并使得研究人员可以专注于镂空原型的设计与生成。目前,现有的研究主要集中于通过在三维曲面贴合拼接基础元素,来生成具有重复性纹理图案的镂空三维模型。如何通过任意图像得到用户可控并且可3D打印的镂空几何模型,仍然是一个未解决的问题。此外,面向3D打印且基于任意二值图像生成镂空模型的几何建模问题并不简单。首先,镂空模型通过3D打印进行制造生产时,可能会因为打印设备限制而丢失部分细节。其次,在视觉感知中组成图案的实体部分与镂空部分具有同等重要的意义。然而,物理模型的体积与空间是有限的,实体区域与镂空区域相互交错,这使得...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１设备对接功能模块用例图??
?山东大学硕士学位论文???２．３．２图像优化??由于三维镂空模型是基于用户输入的任意二值图像生成的，可能会存在不连??通的悬浮壳体，无法用于３Ｄ打樱此外，当用户期望的制造尺寸较小与打印机精??度不匹配时，几何模型的部分细节将无法被成功打樱因此，在完成设备对接后，??本系统需要解决基于用户输入二值图像生成的镂空数字模型无法直接用于打印??制造的问题，用例图如图２－２所示，具体需求分析如下：??１．系统需要输入图像进行连通处理，需要保证图像中被选作实体部分的色调??区域是全连通的，以此保证生成的镂空模型的可３Ｄ打印性。??２．由于３Ｄ打印的过程中，材料推挤膨胀会导致物理结果的实体部分轻微扩大，??孔洞部分被挤压轻微缩校系统需要在预先进行补偿处理，初步减少因材料推挤??膨胀造成的误差。??３．为了在制造尺寸与打印机精度不匹配时尽可能的保留细节特征，增强物理??结果的视觉效果，最小化用户输入的目标图像与物理结果误差，系统需要预先评??估得到无法打印的细节区域并对其进行适当调整。??系统图像优化模块??＞？??？ｊｎｄｕｄｅ？??Ｈｈ?＜＜ｉｎｃｉｕｄｅ＞＞?－?差补＾）?节评??用户?？ｉｎｃｌｕｄｏ？?？Ｊｎｃ！ｕｄｅ？??节增?节调??图２－２图像优化功能模块用例图??２．?３．?３结构优化??由于输入图像的多样性，对应生成的几何模型中可能会包含不稳定结构，主??要分布于具有较多节点的分支处，即附坠了较大实体部分的连接处，因此系统需??要増强模型结构的稳定性，用例图如图２－３所示，具体的需求分析如下：??１．系统需要对镂空几何模型进行受力分析，计算得到受力后的应力分布情况??１２??
?山东大学硕士学位论文???与形变情况，由此分析得到不稳定的脆弱区域，用于后续的结构优化。??２．系统需要在不稳定的脆弱区域增加连接支撑，增强结果模型的稳定性，保??证物理结果足够坚固。??系统结构优化模块????乂镂空??导入优化＼?？ｉｎｃｌｕｄｅ？??〇?＾?，?＾???（结构优化＞Ｃｉｎｃｌｕｄｅ？－卜（受力分析）??＞Ｎ．?？ｉｎｃｌｕｄｅ？?、、??ｍｐ?、＾＼?目标?？ｉｎｃｌｕｄｅ？??加支＾）??图２－３结构优化功能模块用例图??２．?３．?４镂空特殊图像??当用户输入包含功能性信息的特殊图像时，在优化处理与几何建模时可能需??要考虑额外的问题。其中，二维码图像在生活中尤为常见，基于二维码图像生成??可３Ｄ打印的镂空模型时，系统需要保证镂空二维码的可读性即功能信息不失效。??因此，本系还需要引入附加模块来处理特殊的二维码图像，用例图如图２－４所示，??具体需求分析如下：??１．由于二维码各个区域的功能不同，被修改后的表现也不同。系统需要设置??—个二维码评估器，用于识别与分析二维码图像，划分其组成结构，以此来分而??治之。此外，系统还需要分析当前二维码纠错能力并评估其损失程度，用于指导??后续的各项优化处理，保证二维码的损失在可读范围内，确保二维码可解码且信??息正确。??２．在评估器的指导下，系统需要对二维码图像进行考虑可读性的连通处理，??保证二维码的损失较小，生成可３Ｄ打印和可解码的镂空二维码模型。??３．由于二维码图像也具有多样性，镂空模型中也可能包含不稳定结构，因此??系统需要对其进行结构优化，并在评估器的指导下增加适当的连接支撑，在保证??可读性
本文编号：2978768
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１设备对接功能模块用例图??
?山东大学硕士学位论文???２．３．２图像优化??由于三维镂空模型是基于用户输入的任意二值图像生成的，可能会存在不连??通的悬浮壳体，无法用于３Ｄ打樱此外，当用户期望的制造尺寸较小与打印机精??度不匹配时，几何模型的部分细节将无法被成功打樱因此，在完成设备对接后，??本系统需要解决基于用户输入二值图像生成的镂空数字模型无法直接用于打印??制造的问题，用例图如图２－２所示，具体需求分析如下：??１．系统需要输入图像进行连通处理，需要保证图像中被选作实体部分的色调??区域是全连通的，以此保证生成的镂空模型的可３Ｄ打印性。??２．由于３Ｄ打印的过程中，材料推挤膨胀会导致物理结果的实体部分轻微扩大，??孔洞部分被挤压轻微缩校系统需要在预先进行补偿处理，初步减少因材料推挤??膨胀造成的误差。??３．为了在制造尺寸与打印机精度不匹配时尽可能的保留细节特征，增强物理??结果的视觉效果，最小化用户输入的目标图像与物理结果误差，系统需要预先评??估得到无法打印的细节区域并对其进行适当调整。??系统图像优化模块??＞？??？ｊｎｄｕｄｅ？??Ｈｈ?＜＜ｉｎｃｉｕｄｅ＞＞?－?差补＾）?节评??用户?？ｉｎｃｌｕｄｏ？?？Ｊｎｃ！ｕｄｅ？??节增?节调??图２－２图像优化功能模块用例图??２．?３．?３结构优化??由于输入图像的多样性，对应生成的几何模型中可能会包含不稳定结构，主??要分布于具有较多节点的分支处，即附坠了较大实体部分的连接处，因此系统需??要増强模型结构的稳定性，用例图如图２－３所示，具体的需求分析如下：??１．系统需要对镂空几何模型进行受力分析，计算得到受力后的应力分布情况??１２??
?山东大学硕士学位论文???与形变情况，由此分析得到不稳定的脆弱区域，用于后续的结构优化。??２．系统需要在不稳定的脆弱区域增加连接支撑，增强结果模型的稳定性，保??证物理结果足够坚固。??系统结构优化模块????乂镂空??导入优化＼?？ｉｎｃｌｕｄｅ？??〇?＾?，?＾???（结构优化＞Ｃｉｎｃｌｕｄｅ？－卜（受力分析）??＞Ｎ．?？ｉｎｃｌｕｄｅ？?、、??ｍｐ?、＾＼?目标?？ｉｎｃｌｕｄｅ？??加支＾）??图２－３结构优化功能模块用例图??２．?３．?４镂空特殊图像??当用户输入包含功能性信息的特殊图像时，在优化处理与几何建模时可能需??要考虑额外的问题。其中，二维码图像在生活中尤为常见，基于二维码图像生成??可３Ｄ打印的镂空模型时，系统需要保证镂空二维码的可读性即功能信息不失效。??因此，本系还需要引入附加模块来处理特殊的二维码图像，用例图如图２－４所示，??具体需求分析如下：??１．由于二维码各个区域的功能不同，被修改后的表现也不同。系统需要设置??—个二维码评估器，用于识别与分析二维码图像，划分其组成结构，以此来分而??治之。此外，系统还需要分析当前二维码纠错能力并评估其损失程度，用于指导??后续的各项优化处理，保证二维码的损失在可读范围内，确保二维码可解码且信??息正确。??２．在评估器的指导下，系统需要对二维码图像进行考虑可读性的连通处理，??保证二维码的损失较小，生成可３Ｄ打印和可解码的镂空二维码模型。??３．由于二维码图像也具有多样性，镂空模型中也可能包含不稳定结构，因此??系统需要对其进行结构优化，并在评估器的指导下增加适当的连接支撑，在保证??可读性
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