CN104103091A - 3d智能建模方法和系统及3d模型柔性制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D智能建模方法和系统及3D模型柔性制造系统。该方法通过对单张照片或图片转换为二维阴影图片，并在构造三维模型后将二维阴影图片信息隐藏在三维模型中，可以使得隐藏二维阴影信息的三维模型通过光照的角度投射呈现的阴影为原始图片或照片的形状，并可以利用累加、拼接、拉伸以及挤压等方法实现3D智能建模。该3D模型柔性制造系统，使用户完整体验3D建模和3D打印过程；为用户提供创建、保存、传输以及管理其3D建模兼容数据，保证其随时随地可以进行3D打印，实现3D模型柔性制造。

Description

3D智能建模方法和系统及3D模型柔性制造系统

技术领域

本发明涉及计算机图形学以及柔性制造技术领域，特别是一种3D智能建模方法和系统及3D模型柔性制造系统。

背景技术

随着技术发展的不断进步，3D智能数字化与3D打印技术不断融合，并且飞速发展。其应用领域也越来越广泛，近年来，三维建模在地理信息、城市建筑、机械电子、医疗和航空航天等工业工程领域的实际制造生产过程中发挥了巨大的作用；尤其是，3D建模与3D打印的不断兼容和技术发展，使得3D智能数字化技术应用越来越完善，实现了利用“虚拟”再造“现实”的崭新境界，并且逐渐从工业工程应用领域扩展到生活领域，一方面，使得人们的日常生活越来越便捷、直观和高效，另一方面，使得传统艺术创作与文化有了一个新的发展方向。

在3D打印民用生活领域，主要有以下几方面应用：3D照相馆，用户可以在3D照相馆中体验3D打印过程，但是缺少了体验3D建模的过程，体验过程不完整，此外3D照相馆缺少简单的自由建模工具，且建造模型数据单一，并非自由建模；模型3D打印体验店，用户可以在模型3D打印体验店中体验3D打印过程，但是其缺点同样是用户缺少了体验3D建模的过程，体验过程不完整，同时，该解决方案的3D模型数据并非兼容用户所有，无法体现3D打印的高度个性化定制模型的优点；3D打印云服务，用户需要给3D打印云服务提供自己的三维模型，但是三维模型数据的生成往往需要专业软件的创建，这对于普通用户很难实现，因此3D打印云服务不能广泛地面向大众用户群。

发明内容

本发明针对现有的3D建模与3D打印存在体验服务过程不完整、3D模型数据不兼容以及3D打印云服务不能广泛地面向大众用户等问题，提供一种3D智能建模方法，通过对单张照片或图片转换为二维阴影图片，并在构造三维模型后将二维阴影图片信息隐藏在三维模型中，可以使得隐藏二维阴影信息的三维模型通过光照的角度投射呈现的阴影为原始图片或照片的形状，并可以利用累加、拼接、拉伸以及挤压等方法实现3D智能建模。本发明还涉及一种3D智能建模系统及3D模型柔性制造系统，使用户完整体验3D建模和3D打印过程；为用户提供保存其创建的3D建模的兼容数据并进行管理，保证其随时随地可以进行3D打印，实现3D模型柔性制造。

本发明的技术方案如下：

一种3D智能建模方法，其特征在于，包括下述步骤：

3D模型智能数字化生成步骤，先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片，所述二维阴影图片包括黑白图片信息；再将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；然后将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中；

触控累加拼接三维建模，先将三维空间进行三维网格单元划分；再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充；然后通过位置坐标的判断进行三维模型拼接；

触控拉伸三维建模，利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；再利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以调整三维模型的形状；

触控挤压三维建模，将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标数据与其运动速度之和形成的距离；再将所述距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

所述3D模型智能数字化生成步骤中将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中具体为，将三维点云数据在二维方向上进行分条处理并在第三维方向上进行叠加处理以形成多个枝条，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

所述3D模型智能数字化生成步骤中在形成多个枝条后还随机对每个枝条在第三维方向进行贝塞尔曲线扭曲形成弧度或延伸新的枝杈，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

所述触控拉伸三维建模在调整三维模型形状后，还根据导入图片的RGBA值改变模型的法向量使生成的三维模型表面上形成凹凸纹理。

在所述触控累加拼接三维建模中，是将触控点的屏幕坐标通过透视投影矩阵的变换算法转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线与三维网格单元的交点集合来确定与近平面的点距离最近的交点，并对所述交点所在的三维网格单元填充数据。

一种3D智能建模系统，其特征在于，包括3D模型智能数字化生成模块，以及分别与3D模型智能数字化生成模块连接的触控累加拼接三维建模模块、触控拉伸三维建模模块和触控挤压三维建模模块，

所述3D模型智能数字化生成模块，先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片，所述二维阴影图片包括黑白图片信息；再将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；然后将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中；

所述触控累加拼接三维建模模块，先将三维空间进行三维网格单元划分；再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充；然后通过位置坐标的判断进行三维模型拼接；

所述触控拉伸三维建模模块，利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；再利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以调整三维模型的形状；

所述触控挤压三维建模模块，将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标数据与其运动速度之和形成的距离；再将所述距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

所述3D模型智能数字化生成模块包括依次连接的生成二维阴影模块、构造三维模型模块和隐藏二维信息模块；所述生成二维阴影模块先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片；所述构造三维模型模块将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；所述隐藏二维信息模块将三维点云数据在二维方向上进行分条处理并在第三维方向上进行叠加处理以形成多个枝条，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

所述触控累加拼接三维建模模块包括依次连接的三维空间划分模块、数据填充模块以及模型拼接模块，所述三维空间划分模块将三维空间进行三维网格单元划分；所述数据填充模块将触控点的屏幕坐标通过透视投影矩阵的变换算法转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线与三维网格单元的交点集合来确定与近平面的点距离最近的交点，并对所述交点所在的三维网格单元填充数据；所述模型拼接模块根据上述三维网格单元的填充数据通过位置坐标的判断将重复的面以及交错的点或面进行拼接；

和/或，所述触控拉伸三维建模模块包括依次连接的创建曲面轮廓模块、调整形状模块和生成纹理模块，所述创建曲面轮廓模块利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；所述调整形状模块利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以改变其弯曲程度或形式从而调整三维模型的形状；所述生成纹理模块根据导入图片的RGBA值改变模型的法向量使生成的三维模型表面上形成凹凸纹理；

和/或，所述触控挤压三维建模模块，包括互相连接的距离计算模块和实现切削模块，所述距离计算模块将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标的相应数据与其运动速度之和形成的距离；所述实现切削模块将距离计算模块得到的距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

包括上述的3D智能建模系统以及与3D智能建模系统对应设置的个人触控终端设备，还包括云服务端和3D模型制造端，所述3D智能建模系统通过对应的个人触控终端设备连接至3D模型制造端和云服务端，所述3D模型制造端包括管理终端以及一台或多台与管理终端连接的数字控制加工设备，所述管理终端分别与个人触控终端设备和云服务端连接。

所述云服务端包括云数据库以及与云数据库连接的管理服务器、Web服务器、打印服务器和应用服务器，所述个人触控终端设备依次通过无线接入点和路由器分别连接至管理终端和应用服务器，所述管理服务器和web服务器均连接有系统管理端，所述web服务器还连接有web前端，所述打印服务器连接有打印管理端。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及一种3D智能建模方法，包括3D模型智能数字化生成步骤、触控累加拼接三维建模、触控拉伸三维建模和触控挤压三维建模实现3D智能建模，其中，通过3D模型智能数字化生成步骤对单张照片或图片转换的二维阴影进行上述处理并且生成三维模型，减少了对原始照片或图片的需求，实现了单张照片或图片的三维模型智能数字化生成技术，可以将一张图片或照片转换为不同的三维模型；将照片或图片信息隐藏在三维模型之中，让观察者无法通过直接观察三维模型读出照片图片信息，完全不同于传统技术中将图片中可辨识的二维的物体转换为可辨识的三维的物体；本发明隐藏二维阴影信息的三维模型智能数字化生成方法通过某一特定角度的光照所产生的投影就是二维阴影图片所包含的信息，避免了传统技术转换出的三维模型通过光照投射出的阴影形状不可控制、均不包含任何含义等问题，本发明生成的三维模型本身在光照下的呈现出独特效果，该三维模型智能数字化生成方法可控制阴影的投影角度、呈现出的阴影形状。配合触控累加拼接三维建模、触控拉伸三维建模和触控挤压三维建模实现3D智能建模，能够通过双手进行单点、多点触摸终端屏幕，也可以通过单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸终端屏幕，将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标再进行建模处理，通过利用累加、拼接、拉伸以及挤压等多方式触控实现操控三维模型数据的创建更加简单，使得没有经过专业培训的人员，通过最基本的触控操作就能创建三维模型，并且在简化模型构造方式的同时保证建模的高度自由性，避免了传统的三维建模方法操作复杂、技巧繁多以及一般只能实现单点触控等问题，实现了傻瓜式的三维建模的需求，让每个人都能参与到自由建模的过程中来；并且其仅仅依靠手指和触控终端屏幕的配合就可以实现随心所欲的人机交互体验自己的个性化三维建模。

本发明提供的3D智能建模系统，包括3D模型智能数字化生成模块，以及分别与3D模型智能数字化生成模块连接的触控累加拼接三维建模模块、触控拉伸三维建模模块和触控挤压三维建模模块，通过3D模型智能数字化生成模块对单张照片或图片转换为二维阴影图片，并在构造三维模型后将二维阴影图片信息隐藏在三维模型中，可以使得隐藏二维阴影信息的三维模型通过光照的角度投射呈现的阴影为原始图片或照片的形状。各建模模块配合工作，通过识别触控点坐标并进行三维世界坐标转换，利用累加拼接、拉伸以及挤压等方法实现操控三维建模，简化了三维模型构造方式，以多点触控人机交互的方式实现个性化三维建模。该3D智能建模系统使用户完整体验3D建模过程；充分发挥3D高度个性化定制模型的优点，使用户可自由创建完成自己的3D模型；为用户提供傻瓜式3D建模工具，降低3D建模的要求，面向更广泛的用户群；为用户提供创建、保存及管理其3D建模兼容数据。

本发明涉及一种3D模型柔性制造系统，包括一个或多个3D智能建模系统以及与3D智能建模系统对应设置的个人触控终端设备，还包括云服务端和3D模型制造端，3D智能建模系统通过对应的个人触控终端设备连接至3D模型制造端和云服务端，该3D模型柔性制造系统为用户提供3D建模平台，使用户可以完整体验3D建模和3D打印过程，用户可以带着自己的创意建模想法进行3D自由建模，生成隐藏二维阴影信息的三维模型，并通过多方式的触控累加、拼接、拉伸以及挤压等方法实现3D智能建模，让每个人都能参与到自由建模的过程中来，仅仅依靠手指和触控终端屏幕的配合就可以实现随心所欲的人机交互体验自己的个性化三维建模，最终生成的3D模型可以通过3D模型制造端实现3D模型打印，也可以将3D模型存储至云服务器中，保存和打印用户的个性化3D模型，满足用户的收藏爱好。为用户提供创建、保存、传输以及管理其3D建模兼容数据，保证其随时随地可以进行3D打印，实现3D模型柔性制造。

附图说明

图1为本发明3D智能建模方法中的优选流程图。

图2为本发明3D智能建模方法中的3D模型智能数字化生成步骤的优选流程图。

图3为本发明3D智能建模方法中的3D模型智能数字化生成步骤的原理图。

图4为本发明3D智能建模系统的优选结构示意图。

图5为本发明3D模型柔性制造系统的结构示意图。

图6为本发明3D模型柔性制造系统的优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－云数据库；2－管理服务器；3－Web服务器；4－打印服务器；5－应用服务器；6－路由器；7－管理终端；8－无线接入点；9－PC端；10－个人触控终端设备；11－3D打印机；12－用户；13－三维模型；14－底座；15－二维阴影图片；16－光照。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种3D智能建模方法，包括3D模型智能数字化生成步骤、触控累加拼接三维建模、触控拉伸三维建模和触控挤压三维建模。其中，3D模型智能数字化生成步骤，先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片，所述二维阴影图片包括黑白图片信息；再将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；然后将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中；触控累加拼接三维建模，先将三维空间进行三维网格单元划分；再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充；然后通过位置坐标的判断进行三维模型拼接；触控拉伸三维建模，利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；再利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以调整三维模型的形状；触控挤压三维建模，将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标数据与其运动速度之和形成的距离；再将所述距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

参考图1所示优选流程图，下面对本发明所述方法的具体步骤进行详细说明。

1、3D模型智能数字化生成步骤

其优选工作流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

1)载入图片

2)转换为二维阴影图片

识别彩色图片中的RGBA颜色数据信息，通过识别图片中的每一个像素点的RGBA彩色信息，通过下列公式对RGB每种颜色值计算得到RGB合成值rgb的值：

$\mathrm{rgb}=r\×{\∂}_1+g\×{\∂}_2+b\×{\∂}_3$

其中，rgb为RGB合成值；r为红色值；g为绿色值；b为蓝色值；为权值，其取值范围为0～1；为权值，其取值范围为0～1；为权值，其取值范围为0～1。

并且根据如下公式，将小于阀值θ₁的RGBA的值转换为白色，将大于等于第一阀值θ₁的RGBA值转换为黑色，其中第一阀值θ₁的取值范围为0～255，通过调整第一阀值θ₁的取值控制黑白图片信息中的黑白二值数据比例以生成不同的二维阴影：

$r=g=b=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{rgb}<{\mathrm{\&theta;}}_1\\ 255,& \mathrm{rgb}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_1\end{array}\right.$

3)生成二维点云数据以及赋予第三维坐标y的坐标数据值

利用生成二维阴影步骤中转换后的黑白二维阴影图片中的RGBA颜色参数，将阴影图片中的每个像素对应到世界坐标系中的每个点，生成点云数据，此时的点云数据为平面数据只有x和z坐标数据值，y的坐标数据值为0，需要说明的是，此处的x轴和z轴属于平面直角坐标系，x轴向右，z轴向前，y轴向上；然后，通过每个像素的RGBA的参数值，根据如下公式，判断rgb的值小于第二阀值θ₂时，赋予第三维坐标y的坐标数据值为0，rgb的值大于等于第二阀值θ₂时，赋予y的坐标数据值为rgb：

$y=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{rgb}<{\mathrm{\&theta;}}_2\\ \mathrm{rgb},& \mathrm{rgb}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&theta;}}_2\end{array}\right.$

其中，rgb为RGB合成值；y为第三维坐标y的坐标值；第二阀值θ₂的取值范围为0～255，通过调整第二阀值θ₂的取值控制赋予第三维坐标y的坐标数据值。

4)重新序列化三维点云数据

此时，获得全部三维空间坐标x、y和z的三维点云数据，删除y＝0的三维点云数据，并将剩余的三维点云数据，按照每三个点逆时针排序重新序列化三维点云数据以形成基本轮廓的三维模型。

5)三维点云数据在x、z平面进行分条处理

为使二维阴影信息隐藏在三维模型中，根据如下公式，三维点云数据在x(z)方向上进行分条处理，枝条条数为row，从而形成多个枝条：

$\mathrm{row}=\frac{\mathrm{Max}(w,h)}{[\mathrm{Max}\left(y\right)-\mathrm{Min}\left(y\right)]{\mathrm{\&theta;}}_3}$

其中，w为二维阴影图片宽度；h为二维阴影图片高度；y为y方向坐标值；每条枝条的宽度为[Max(y)-Min(y)]θ₃，第三阀值θ₃的取值范围为0～10，通过调整第三阀值θ₃的取值控制每条枝条的宽度值，以控制二维阴影信息隐藏在三维模型中的隐藏程度。

6)三维点云数据在y方向进行叠加处理

为保证生成的三维模型通过光照可以投影出二维阴影信息，根据如下公式，对三维点云数据在y方向进行叠加处理(或称为叠加层片处理)，枝条层数为col：

$\mathrm{col}=\frac{\mathrm{Max}(w,h)}{[\mathrm{Max}\left(y\right)-\mathrm{Min}\left(y\right)]{\mathrm{\&theta;}}_4}$

其中，w为二维阴影图片宽度；h为二维阴影图片高度；y为y方向坐标值；每层枝条的宽度为[Max(y)-Min(y)]θ₄，第四阀值θ₄的取值范围为0～10，通过调整第四阀值θ₄的取值控制每层的宽度值，以控制三维点云数据在y方向的叠加的枝条层数。

7)三维点云数据在y方向随机形成弧度

为使二维阴影信息的隐藏更加隐蔽，且可以每次生成不同形状的三维模型，则随机对每个枝条在y方向利用如下公式进行贝塞尔曲线扭曲形成弧度，从而形成不同的形状的模型：

$P\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{L!}{k!(L-k)!}{(1-t)}^{L-k}{t}^k{P}_k$

其中，t的取值范围为0～1，k、L的取值范围为0～∞，得到P点轨迹即为L+1个点确定的贝塞尔曲线，可以通过调整点的数量、位置以得到任意曲线。

8)三维点云数据在y方向随机生成枝杈

为了进一步增加二维阴影信息的隐藏程度，且同时可以每次生成不同形状的三维模型，在不影响二维阴影信息的前提下，任意选取部分枝条，在其y方向上随机选取部分三维点云数据，根据如下矩阵公式进行坐标变换，并且为了保证枝杈不发生交错，使其在y方向上的偏移在[0,[Max(y)-Min(y)]θ₄]的范围内延伸生成新的枝杈，从而形成不同的形状的模型：

$\left[\begin{array}{c}{Q}_x\\ Q_y\\ Q_z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right.1\left[\begin{array}{c}{P}_x\\ P_y\\ P_z\\ 1\end{array}\right]$

其中，m₁₁～m₁₄、m₂₁～m₂₄和m₃₁～m₃₄分别为坐标变换矩阵参数，并且可以通过选取不同的参数，实现三维点坐标的平移、旋转和缩放； $\left[\begin{array}{c}{Q}_x\\ Q_y\\ Q_z\\ 1\end{array}\right]$ 为变换后的三维点云坐标； $\left[\begin{array}{c}{P}_x\\ P_y\\ P_z\\ 1\end{array}\right]$ 为变换前的三维点云坐标。

9)三维点云数据透视投影变换

为保证人眼不能直接看出三维模型与其隐藏的二维阴影信息的关联，就要保证投影角度并非180°(因为人眼光线为直线)，所以利用如下公式对三维点的数据进行透视投影变换，彻底隐藏二维阴影图片信息在三维模型中：

$\left[\begin{array}{c}{x}_h\\ y_h\\ z_h\\ h\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& -z_{\mathrm{vp}/d_p}& z_{\mathrm{vp}}\left(z_{\mathrm{prp}/d_p}\right)\\ 0& 0& {-1}_{/d_p}& z_{\mathrm{prp}/d_p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

其中，d_p＝z_prp-z_vp； $\left[\begin{array}{c}{x}_h\\ y_h\\ z_h\\ h\end{array}\right]$ 为变换后的三维点坐标； $\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$ 为变换前的三维点坐标；z_prp为观察点坐标；z_vp为投影平面坐标。综上所述，可以通过对枝条延伸枝杈的数量的调整、枝条形状的调整以及投影角度的调整，改变二维阴影信息的隐藏程度；其中，枝条延伸枝杈的数量与二维阴影信息隐藏程度成正比，枝条扭曲弯度程度与二维阴影信息隐藏程度成正比，并且在投影角度为180°时隐藏程度最小。

本发明3D智能建模方法中的3D模型智能数字化生成步骤生成的三维模型能够基本隐藏二维阴影信息，如图3所示原理图，该图包括生成的三维模型13，三维模型的下方可优选增设底座14，从图3可以看出，从生成的三维模型1中无法直接观察出二维阴影信息，通过光照16对三维模型13进行投射，可投射出二维阴影图片15，该二维阴影图片15与原始图片形状一致。用户可自定义隐藏的二维阴影信息，二维阴影信息可以完全隐藏；同一张图片可生成不同形状的三维模型，但通过光照投射出的二维阴影信息一致；改变三维模型通过光照投射出的具有特定的含义的阴影形状并构建形状各异的三维模型。

10)打印输出三维模型

优选地，还可以进一步将三维模型的数据(即三维点云数据)序列化为打印机可识别的文件格式，传输给3D打印机进行打印输出。

2、触控累加拼接三维建模

可通过双手进行单点、多点触摸终端屏幕，也可以通过单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸终端屏幕，通过识别触控点坐标，选择累加最小单元来创建三维模型，例如，通过累加四边形、圆球、圆环、方块等实现自由建模，具体步骤是将三维空间进行最小单元的划分，再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，然后通过最小单元累加(即对最小单元进行填充操作)，完成自由建模的过程。

1)三维空间划分步骤

通过三维数组中的三个维度对应三维空间中的x、y、z，对三维空间进行最小单元的划分，这里所述的最小单元可理解为是三维网格单元。

2)数据填充步骤

将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充。

通过识别点击触控信息，并利用透视投影原理通过透视投影矩阵的变换算法将触控点的屏幕坐标转换为世界坐标。其中，触控点的坐标与摄像机近平面上的坐标是线性相关的，转换公式如下：

X_Near＝(X_触-HW)LLR/HW

Y_Near＝(HH-Y_触)LTB/HH

其中，X_Near、Y_Near分别为摄像机近平面X、Y方向的坐标值；LLR、LTB、HW和HH分别为：

LLR＝LEFT＝RIGHT

LTB＝TOP＝BOTTOM

HW＝SCREEN_WIDTH/2

HH＝SCREEN_HEIGHT/2

其中，LEFT、RIGHT、TOP和BOTTOM分别为屏幕中心点至左右上下方向的坐标距离值；SCREEN_WIDTH和SCREEN_HEIGHT分别为屏幕宽度和屏幕高度。

并且，由于在摄像机坐标系中认为摄像机位于远点，沿Z轴负方向观察，因此换算后近平面上点的Z坐标为-near，其中near为近平面与摄像机之间的距离。在摄像机坐标系中，距离观察点相对近的平面为近平面，距离观察点相对远的平面为远平面，并且far为远平面与摄像机之间的距离。

综上，可以求得摄像机近平面上点坐标如下：

[X_Near,Y_Near,-near]

在求得摄像机近平面上一点(例如点A，即X_A＝X_Near；Y_A＝Y_Near；Z_A＝-near)的坐标后，根据相似三角形原理即可求出远平面上一点(例如点B)的坐标，根据相似三角形原理，X_A、X_B、near和far之间满足如下等式关系：

X_A/X_B＝near/far

同理，Y_A、Y_B、near和far之间满足如下关系：

Y_A/Y_B＝near/far

综上，可以求得摄像机远平面上点的坐标如下：

[far·X_A/near,far·Y_A/near,-far]

在求得A、B两点在摄像机坐标系中的坐标之后，再将此坐标经摄像机矩阵的逆矩阵变换即可得到A、B两点在世界坐标系中的坐标，矩阵变换公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$

其中，其中M为摄像机的逆矩阵； $\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right]$ 为变换后的三维点坐标； $\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]$ 为变换前的三维点坐标。

最后，在求得A、B两点在世界坐标系中的坐标后，根据AB的直线方程，通过求解AB直线方程与三维网格单元(或者说是模型平面)的交点得到交点集合，在交点集合中计算判断出距离A点最近的交点，选中该交点所在的平面处的最小单元(即三维网格单元)进行数据填充，即累加(填充)操作。换句话说，如对方块累加时，是通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别用户对当前方块(之前已有的三维模型中的方块)的六个面中的哪一个面进行了触摸，识别之后在相应平面的方向上填充方块，从而实现自由建模。

3)模型拼接步骤

完成模型累加之后，根据三维空间中的最小单元的填充数据，通过模型拼接，即将重复的面，交错的点或面，通过位置坐标的判断进行拼接。

然后，还可以将三维点云数据序列化为一个完整的封闭的，且与3D打印机匹配的三维模型文件格式输出。

3、触控拉伸三维建模

可通过双手进行单点、多点触摸终端屏幕，也可以通过单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸终端屏幕，通过识别触控点的屏幕坐标，，利用触摸、滑动拉伸模型，从而改变模型的形状，实现自由建模。

1)创建曲面轮廓步骤

利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，从而形成不同的形状的模型：

$P\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{L!}{k!(L-k)!}{(1-t)}^{L-k}{t}^k{P}_k$

其中，t的取值范围为(0,1)，k、L的取值范围为(0,∞)，得到P点轨迹即为L+1个点确定的贝塞尔曲线，可以通过调整点的数量、位置以得到任意曲线。例如陶艺胚体利用贝塞尔曲线旋转成形生成三维陶艺的毛坯。

2)调整形状步骤

利用屏幕触控识别触控点的屏幕坐标，通过手指滑动来改变贝塞尔曲线P点轨迹，从而改变其弯曲程度或形式，以调整三维模型具体形状，如旋转成形为陶艺模型。

3)生成纹理步骤

通过导入图片在生成的三维模型表面生成凹凸纹理，如通过导入图片在陶艺模型表面生成凹凸纹理贴图贴附在陶艺模型之上。其原理是根据导入图片的RGBA值改变模型的法向量使生成的三维模型表面上形成凹凸感，即纹理图中的每个像素都代表了一个扰动后的法向量，导入图片的RGB值分别为扰动后法向量的X、Y、Z分量。当获得扰动后法向量时，可以将其与此片元(即三维模型的三维网格单元)处不考虑表面细节的法向量进行计算得出此片元处考虑了表面细节后的法向量。最后用计算后的法向量进行正常的光照计算即可渲染出具有表面凹凸纹理细节的三维模型。

然后，还可以将三维点云数据序列化为一个完整的封闭的，且与3D打印机匹配的三维模型文件格式输出。

4、触控挤压三维建模

可通过双手进行单点、多点触摸终端屏幕，也可以通过单击、双击、平移、按压、滚动以及旋转等不同手势触摸终端屏幕，通过识别触控点的屏幕坐标，或控制其他模型在另外一个模型表面滑动，利用矩阵变换公式对三维点数据进行变换，使其表面产生凹凸效果，从而改变模型的形状，实现自由建模。

1)距离计算步骤

利用屏幕触控识别触控点的屏幕坐标，并利用透视投影原理将屏幕坐标转换为三维世界坐标，并且通过近平面与远平面形成的拾取射线来识别预估模型的片元(即与拾取射线相交的片元)，同时判断触控点的操作方式是挤压还是拉伸，利用如下公式相应转换模型三维点数据：

$\left[\begin{array}{c}{Q}_x\\ Q_y\\ Q_z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}& m_{14}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}& m_{24}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}& m_{34}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right.1\left[\begin{array}{c}{P}_x\\ P_y\\ P_z\\ 1\end{array}\right]$

其中，m₁₁～m₁₄、m₂₁～m₂₄、m₃₁～m₃₄分别为坐标变换矩阵参数，并且可以通过选取不同的参数，实现三维点坐标的平移、旋转和缩放； $\left[\begin{array}{c}{Q}_x\\ Q_y\\ Q_z\\ 1\end{array}\right]$ 为变换后的三维点坐标； $\left[\begin{array}{c}{P}_x\\ P_y\\ P_z\\ 1\end{array}\right]$ 为变换前的三维点坐标。

然后，计算三维模型(如刀具模型)的点位的三维点数据与其运动方向的运动速度之和形成的距离。需要说明的是，这里所述的三维点数据即为三维点云数据或三维坐标数据。

2)实现切削步骤

将上述距离作为被挤压的三维模型的点位其反方向的偏移的距离，从而实现切削效果。

然后，还可以将三维点云数据序列化为一个完整的封闭的，且与3D打印机匹配的三维模型文件格式输出。

本发明还涉及一种3D智能建模系统，该系统与上述3D智能建模方法相对应，也可以理解为是实现上述方法的系统。该系统的结构如图4所示，包括3D模型智能数字化生成模块，以及分别与3D模型智能数字化生成模块连接的触控累加拼接三维建模模块、触控拉伸三维建模模块和触控挤压三维建模模块。

其中，3D模型智能数字化生成模块，先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片，所述二维阴影图片包括黑白图片信息；再将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；然后将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。3D模型智能数字化生成模块的优选结构如图4所示包括依次连接的生成二维阴影模块、构造三维模型模块和隐藏二维信息模块；所述生成二维阴影模块先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片；所述构造三维模型模块将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；所述隐藏二维信息模块将三维点云数据在二维方向上进行分条处理并在第三维方向上进行叠加处理以形成多个枝条，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

触控累加拼接三维建模模块，先将三维空间进行三维网格单元划分；再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充；然后通过位置坐标的判断进行三维模型拼接。触控累加拼接三维建模模块的优选结构如图4所示包括依次连接的三维空间划分模块、数据填充模块以及模型拼接模块，所述三维空间划分模块将三维空间进行三维网格单元划分；所述数据填充模块将触控点的屏幕坐标通过透视投影矩阵的变换算法转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线与三维网格单元的交点集合来确定与近平面的点距离最近的交点，并对所述交点所在的三维网格单元填充数据；所述模型拼接模块根据上述三维网格单元的填充数据通过位置坐标的判断将重复的面以及交错的点或面进行拼接。

触控拉伸三维建模模块，利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；再利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以调整三维模型的形状。触控拉伸三维建模模块的优选结构如图4所示包括依次连接的创建曲面轮廓模块、调整形状模块和生成纹理模块，所述创建曲面轮廓模块利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；所述调整形状模块利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以改变其弯曲程度或形式从而调整三维模型的形状；所述生成纹理模块根据导入图片的RGBA值改变模型的法向量使生成的三维模型表面上形成凹凸纹理。

触控挤压三维建模模块的优选结构如图4所示包括互相连接的距离计算模块和实现切削模块，所述距离计算模块将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标数据与其运动速度之和形成的距离；所述实现切削模块将距离计算模块得到的距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

本发明涉及一种3D模型柔性制造系统，其系统结构如图5所示，包括一个或多个本发明所述的3D智能建模系统，该实施例为多个3D智能建模系统，还包括云服务端、3D模型制造端以及与3D智能建模系统对应设置的个人触控终端设备，其中，3D智能建模系统通过对应的个人触控终端设备连接至3D模型制造端和云服务端，3D模型制造端包括管理终端以及一台或多台与管理终端连接的数字控制加工设备，管理终端分别与个人触控终端设备和云服务端连接。用户的个性化创建的3D模型可以通过3D模型制造端实现3D模型打印，也可以将3D模型存储至云服务器中。

图6为本发明3D模型柔性制造系统的优选结构示意图。该系统除云服务端、3D模型制造端、多个3D智能建模系统以及对应设置的个人触控终端设备外，还包括系统管理端、Web前端和打印管理端，其中，云服务端包括云数据库1以及与云数据库1均连接的管理服务器2、Web服务器3、打印服务器4和应用服务器5；管理服务器2和web服务器3均连接系统管理端，web服务器3还连接web前端，打印服务器4连接打印管理端；系统管理端包括管理终端7和其对应的用户12；Web前端包括PC端9和其对应的用户12；打印管理端包括管理终端7以及与管理终端7连接的数字控制加工设备(例如3D打印机11)；3D模型制造端包括其管理终端7和数字控制加工设备，数字控制加工设备优选采用3D打印机11；个人触控终端设备10依次通过无线接入点8和路由器7分别连接至管理终端7和应用服务器5。路由器6、无线接入点8、其管理终端7、数字控制加工设备(例如3D打印机11)、个人触控终端设备10、3D智能建模系统和其用户12均属于本地，这些部件可理解为是属于现场应用端。

应用服务器5通过路由器6和无线接入点8与个人触控终端设备10相连接，利用3D智能建模系统中的3D模型智能数字化生成模块、触控累加拼接三维建模模块、触控拉伸三维建模模块和触控挤压三维建模模块进行3D智能建模，其中，3D智能建模系统可以通过软件的形式(可理解为是3D智能建模APP)载入对应的个人触控终端设10中，用户12(普通用户)利用个人触控终端设备10安装的上述3D智能建模APP(例如i印影APP、i立方APP、i陶艺APP和iCutAPP)进行实时3D智能建模，并且通过路由器6和无线接入点8与应用服务器5进行确认用户ID、传输3D模型数据、应用数据更新和传输3D打印信息等处理；并通过与其管理终端7和其数字控制加工设备(例如3D打印机11)相连接进行传输本地打印模型数据和3D模型打印，即可以现场交付3D模型，或通过与打印服务器4及其管理终端7和其数字控制加工设备(例如3D打印机11)相连接进行传输远程打印模型数据和3D模型打印，即可以邮寄3D模型。

应用服务器5通过云数据库1分别与管理服务器2、Web服务器3和打印服务器4相连接进行3D模型柔性制造。其中，管理服务器2通过与其系统管理端的管理终端7相连接，进行用户12(管理员或普通用户或VIP用户)数据管理，并根据用户级别设置不同管理等级；Web服务器3通过与其系统管理端的管理终端7相连接，进行用户12(管理员或VIP用户)数据管理，并根据用户级别设置不同管理等级；Web服务器3还可以通过与web前端的PC端9相连接进行用户12(普通用户)管理3D模型数据以及上传3D模型数据或其它图片数据等处理。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种3D智能建模方法，其特征在于，包括下述步骤：

3D模型智能数字化生成步骤，先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片，所述二维阴影图片包括黑白图片信息；再将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；然后将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中；

触控累加拼接三维建模，先将三维空间进行三维网格单元划分；再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充；然后通过位置坐标的判断进行三维模型拼接；

触控拉伸三维建模，利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；再利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以调整三维模型的形状；

触控挤压三维建模，将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标数据与其运动速度之和形成的距离；再将所述距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3D模型智能数字化生成步骤中将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中具体为，将三维点云数据在二维方向上进行分条处理并在第三维方向上进行叠加处理以形成多个枝条，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述3D模型智能数字化生成步骤中在形成多个枝条后还随机对每个枝条在第三维方向进行贝塞尔曲线扭曲形成弧度或延伸新的枝杈，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述触控拉伸三维建模在调整三维模型形状后，还根据导入图片的RGBA值改变模型的法向量使生成的三维模型表面上形成凹凸纹理。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述触控累加拼接三维建模中，是将触控点的屏幕坐标通过透视投影矩阵的变换算法转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线与三维网格单元的交点集合来确定与近平面的点距离最近的交点，并对所述交点所在的三维网格单元填充数据。

6.一种3D智能建模系统，其特征在于，包括3D模型智能数字化生成模块，以及分别与3D模型智能数字化生成模块连接的触控累加拼接三维建模模块、触控拉伸三维建模模块和触控挤压三维建模模块，

所述3D模型智能数字化生成模块，先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片，所述二维阴影图片包括黑白图片信息；再将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；然后将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中；

所述触控累加拼接三维建模模块，先将三维空间进行三维网格单元划分；再将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线来识别待填充的三维网格单元并对其进行数据填充；然后通过位置坐标的判断进行三维模型拼接；

所述触控拉伸三维建模模块，利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；再利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以调整三维模型的形状；

所述触控挤压三维建模模块，将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标数据与其运动速度之和形成的距离；再将所述距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述3D模型智能数字化生成模块包括依次连接的生成二维阴影模块、构造三维模型模块和隐藏二维信息模块；所述生成二维阴影模块先利用图形处理技术将图片或照片转换为二维阴影图片；所述构造三维模型模块将二维阴影图片中的各像素生成二维点云数据，并赋予第三维坐标数据，重新序列化三维点云数据从而形成三维模型；所述隐藏二维信息模块将三维点云数据在二维方向上进行分条处理并在第三维方向上进行叠加处理以形成多个枝条，再对三维点云数据进行透视投影变换从而将二维阴影图片的信息隐藏在三维模型中。

8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述触控累加拼接三维建模模块包括依次连接的三维空间划分模块、数据填充模块以及模型拼接模块，所述三维空间划分模块将三维空间进行三维网格单元划分；所述数据填充模块将触控点的屏幕坐标通过透视投影矩阵的变换算法转换为三维世界坐标，通过近平面的点与远平面的点形成的射线与三维网格单元的交点集合来确定与近平面的点距离最近的交点，并对所述交点所在的三维网格单元填充数据；所述模型拼接模块根据上述三维网格单元的填充数据通过位置坐标的判断将重复的面以及交错的点或面进行拼接；

和/或，所述触控拉伸三维建模模块包括依次连接的创建曲面轮廓模块、调整形状模块和生成纹理模块，所述创建曲面轮廓模块利用贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓，建立不同的形状的三维模型；所述调整形状模块利用触控点的屏幕坐标来改变贝塞尔曲线轨迹以改变其弯曲程度或形式从而调整三维模型的形状；所述生成纹理模块根据导入图片的RGBA值改变模型的法向量使生成的三维模型表面上形成凹凸纹理；

和/或，所述触控挤压三维建模模块，包括互相连接的距离计算模块和实现切削模块，所述距离计算模块将触控点的屏幕坐标转换为三维世界坐标，判断触控点的操作是挤压还是拉伸，计算三维模型的点位的三维世界坐标的相应数据与其运动速度之和形成的距离；所述实现切削模块将距离计算模块得到的距离作为被挤压的三维模型的点位反方向的偏移的距离以实现切削。

9.一种3D模型柔性制造系统，其特征在于，包括一个或多个权利要求6至8之一所述的3D智能建模系统以及与3D智能建模系统对应设置的个人触控终端设备，还包括云服务端和3D模型制造端，所述3D智能建模系统通过对应的个人触控终端设备连接至3D模型制造端和云服务端，所述3D模型制造端包括管理终端以及一台或多台与管理终端连接的数字控制加工设备，所述管理终端分别与个人触控终端设备和云服务端连接。

10.根据权利要求9所述的3D模型柔性制造系统，其特征在于，所述云服务端包括云数据库以及与云数据库连接的管理服务器、Web服务器、打印服务器和应用服务器，所述个人触控终端设备依次通过无线接入点和路由器分别连接至管理终端和应用服务器，所述管理服务器和web服务器均连接有系统管理端，所述web服务器还连接有web前端，所述打印服务器连接有打印管理端。