CN105653773B - 一种适于3d打印的棱透镜复合眼镜片stl模型的修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适于3D打印的棱镜复合眼镜片STL模型的修复方法，通过对错误顶点进行筛选、删除以及合并，建立模型的拓扑信息关系，针对光学镜片的结构以及成型质量要求，从而依据点、边和面的邻接关系进行空洞、裂缝以及重叠等主要错误的修复，并逐步循环操作上述步骤，直至满足错误修复效果，使其高效完成光学眼镜片的快速制造，并能大大提高其内部成型效果，本发明仅仅针对光学结构模型，主要降低其3D打印出现的台阶效应，提高其内部结构的精度，以满足光学矫正的技术要求。

Description

一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法
【技术领域】
本发明涉及一种STL模型的修复算法，具体涉及一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法。
【背景技术】
STL模型文件是CAD系统与快速原型系统之间进行数据交换的标准格式，由于STL文件的表示方式比较简单，即为所有小三角面片的集合，每一个面片的信息包括其法矢和三个顶点的坐标值。STL文件必须遵循一定的规范才能正确地描述三维实体模型，在实际创建STL文件时会产生许多错误，如果这些错误不加以处理的话，会影响到后面的数据处理和加工。
STL模型文件的格式规范包括：(1)共顶点规则：每一个三角面片必须与其相邻的每一个面片共两个顶点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；(2)取向规则：单个面片法向量符合右手法则且其法向量必须指向实体外面；(3)充满规则：小三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；(4)取值规则：每个顶点的坐标值必须为非负，即STL文件的实体应该在坐标系的第一象限。
STL模型的文件错误有很多种类，其中最常见的错误有：(1)丢失三角面片造成的间隙，裂纹或者孔洞；当CAD模型的表面的有较大曲率的曲面相交时，在曲面的相交部分会出现丢失三角面片而造成孔洞；(2)两个或两个以上的三角面片共一条边造成的顶点错误；(3)由三角形顶点计算时的舍入误差所造成的重叠或分离。(4)三角形的顶点次序与三角形面片的法向量不满足右手规则造成的法向量错误。
已经有很多研究人员针对STL文件错误的修复进行了研究，如Leong等采用穷举法进行处理，但未考虑模型的拓扑信息，使得修复效率低下；赵吉宾等建立点、边和面的拓扑关系，通过建立对象链表并扫描边对象链表的标志项来检查错误并进行修复，但是没有考虑多边共边的错误；Van Niekerk等将STL模型的错误进行了分类研究，只针对其中的某一类进行了修复研究。
目前STL模型错误修复的研究主要存在如下不足：(1)没有专门针对光学眼镜片STL模型错误的检测修复算法，其主要的错误类型没有进行归纳，缺乏针对性，系统性和实用性。(2)未把模型转化的错误根据各自的特点进行完整的归类，缺乏合理的修复策略与步骤；(3)目前很多修复算法虽然建立了模型的拓扑信息，但是并没有考虑修复算法带来的弊端，如修复某一类错误时又产生了新的错误，而且没有进行最终的欧拉公式验证。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，能够高效的实现STL文件错误的修复功能，大大提高快速制造的光学镜片的成型效果。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，导入棱透镜复合眼镜片STL模型文件，删除冗余顶点数据，建立模型的点、边以及面的邻接拓扑信息关系；
步骤二，结合镜片模型结构的特点以及光学矫正的质量要求，研究分析普通分层算法打印成型的模型特点，找到影响成型效果的STL模型主要错误；
步骤三，设计检测修复算法，有针对性的对其进行检查和修复错误；
步骤四，建立点、边和面的数据库，进行欧拉公式的验证，若不符合重新返回步骤三进行进行错误修复，若满足欧拉公式验证，则完成修复方法。
所述步骤一中，STL模型文件由三维制图软件设计出眼镜片的三维模型，然后再转换成快速制造中的标准文件格式，即STL模型文件。
所述三维制图软件采用Proe，三维模型为CAD模型。
所述步骤一中，建立模型的点、边以及面的邻接拓扑信息关系是指STL模型的点、边以及面之间的相互邻接关系，STL三维实体的拓扑关系重建是将三角面片的各个顶点的冗余去除，并删除多余的噪音点，将STL数据文件中重复出现的顶点在构建实体模型时只显示一个顶点，从而确定三角面片间的拓扑关系。
所述步骤三中，设计检测修复算法包括针对光学眼镜片结构特点的结构分析，将球镜和棱镜相结合的结构设计，并针对现有3D打印光学镜片成型质量的问题进行原因总结，根据找到的光学镜片STL模型在影响成型质量中主要的错误类型，然后针对该错误类型设置相关相应的检测标志，进行错误检测并设计对应类型的修复算法。
所述步骤四中，欧拉公式有平面和空间两部分，作为判断STL文件的顶点数V、边数E和面片数F之间是否符合多面体之间的关系，其中欧拉公式为V-E+F＝2，E＝1.5F。
与现有技术相比，本发明通过对错误顶点进行筛选、删除以及合并，建立模型的拓扑信息关系，针对光学镜片的结构以及成型质量要求，从而依据点、边和面的邻接关系进行空洞、裂缝以及重叠等错误的修复，并逐步循环操作上述步骤，直至满足错误修复效果，使其高效完成光学眼镜片的快速制造，并能大大提高其内部成型效果，本发明仅仅针对光学结构模型，主要降低其3D打印出现的台阶效应，提高其内部结构的精度，以满足光学矫正的技术要求。
【附图说明】
图1为本发明的流程图；
图2为本发明所用到的棱透镜复合眼镜片的示意图。
【具体实施方式】
下面参见附图对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，本发明包括以下步骤：
步骤一，三维制图软件设计出眼镜片的三维模型，然后再转换成快速制造中的标准文件格式，即STL模型文件，导入STL模型文件，删除冗余顶点数据，建立模型的点、边以及面的邻接拓扑信息关系；
其中，三维制图软件采用Proe，三维模型为CAD模型；建立模型的点、边以及面的邻接拓扑信息关系是指STL模型的点、边以及面之间的相互邻接关系，STL三维实体的拓扑关系重建是将三角面片的各个顶点的冗余去除，即将STL数据文件中重复出现的顶点在构建实体模型时只显示一个顶点，从而确定三角面片间的拓扑关系；
步骤二，结合镜片模型结构的特点以及光学矫正的质量要求，研究分析普通分层算法打印成型的模型特点，找到影响成型效果的STL模型主要错误；
步骤三，设计检测修复算法，有针对性的对其进行检查和修复错误；设计检测修复算法包括针对光学眼镜片结构特点的结构分析，将球镜和棱镜相结合的结构设计，并针对现有3D打印光学镜片成型质量的问题进行原因总结，根据找到的光学镜片STL模型在影响成型质量中主要的错误类型，然后针对该错误类型设置相关相应的检测标志，进行错误检测并设计对应类型的修复算法；
步骤四，建立点、边和面的数据库，进行欧拉公式的验证，若不符合重新返回步骤三进行进行错误修复，若满足欧拉公式验证，则完成修复方法；其中，欧拉公式可以作为判断STL文件的顶点数V、边数E和面片数F之间是否符合多面体之间的关系，其中欧拉公式为V-E+F＝2，E＝1.5F。
参见图2，棱透镜复合眼镜片结合了棱镜和球镜的技术，可以有效地针对青少年视近时用眼过度的治疗，使双眼一直处于网元的自由状态，减轻了双眼眼肌的受力负荷，从而能够极大地缓解青少年长时间近距离学习造成的视疲劳和更深程度的近视。
对现有修复算法的不足，本发明在建立模型的拓扑信息基础上，通过分析研究镜片模型结构的特点以及光学眼镜片成型质量的要求，找到影响成型效果的STL模型主要错误，然后有针对性的对其进行检查和修复错误，使其能够高效的实现STL文件错误的修复功能，大大提高快速制造的光学镜片的成型效果。
本发明的修复算法是修复光学眼镜片STL模型数据错误的独立模块，并没有集成于分层切片系统中，考虑到程序之间的兼容性要求以及程序的自动化和便捷性，在以后的研究中将会尝试把本发明的修复算法和现有的模型分层系统进行集成，使其更加方便快捷。

Claims (6)

1.一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，导入棱透镜复合眼镜片STL模型文件，删除冗余顶点数据，建立模型的点、边以及面的邻接拓扑信息关系；
步骤二，结合镜片模型结构的特点以及光学矫正的质量要求，研究分析普通分层算法打印成型的模型特点，找到影响成型效果的STL模型主要错误；
步骤三，设计检测修复算法，有针对性的对STL模型进行检查和修复错误；
步骤四，建立点、边和面的数据库，进行欧拉公式的验证，若不符合重新返回步骤三进行进行错误修复，若满足欧拉公式验证，则完成修复方法。
2.根据权利要求1所述的一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，其特征在于，所述步骤一中，STL模型文件由三维制图软件设计出棱透镜复合眼镜片的三维模型，然后再转换成快速制造中的标准文件格式，即STL模型文件。
3.根据权利要求2所述的一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，其特征在于，所述三维制图软件采用Proe，三维模型为CAD模型。
4.根据权利要求1所述的一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，其特征在于，所述步骤一中，建立模型的点、边以及面的邻接拓扑信息关系是指STL模型的点、边以及面之间的相互邻接关系，STL三维实体的拓扑关系重建是将三角面片的各个顶点的冗余去除，即将STL数据文件中重复出现的顶点在构建实体模型时只显示一个顶点，并删除多余的噪音点，从而确定三角面片间的拓扑关系。
5.根据权利要求1所述的一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，其特征在于，所述步骤三中，设计检测修复算法包括针对光学眼镜片结构特点的结构分析，将球镜和棱镜相结合的结构设计，并针对现有3D打印光学镜片成型质量的问题进行原因总结，根据找到的光学镜片STL模型在影响成型质量中主要的错误类型，然后针对该错误类型设置相关相应的检测标志，进行错误检测并设计对应类型的修复算法。
6.根据权利要求1所述的一种适于3D打印的棱透镜复合眼镜片STL模型的修复方法，其特征在于，所述步骤四中，欧拉公式作为判断STL文件的顶点数V、边数E和面片数F之间是否符合多面体之间的关系，其中欧拉公式为V-E+F＝2，E＝1.5F。
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