CN105700468B - 一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，包括以下步骤：1)获取雕刻对象的三角网格数据，根据三角网格数据建立雕刻对象的三维模型；2)计算雕刻对象的三维模型的三维雕刻损耗，根据损耗确定三维模型的增量；3)根据三维模型的增量重新建立雕刻对象的三维模型，数控机床根据新建立雕刻对象的三维模型雕刻出具有增量的雕塑。本发明可预先计算出雕刻损耗，以实现按比例施加增量于雕刻对象的三维模型的目的，达到将复刻模型打磨损耗后仍使其保有精准度的目的；本发明可以广泛应用于三维雕刻的制作过程中。

Description

一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法

技术领域

本发明涉及三维雕刻技术领域，特别是关于一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法。

背景技术

数控机床在雕刻雕塑时，首先通过三维扫描仪扫描得到雕刻对象的点云数据，再将该点云数据网格化生成该雕刻对象用于复刻的三维模型，最终根据三维模型数据复刻出雕刻对象。

数控机床是利用钻头雕刻，而钻头由于其形状的限制，在雕刻斜面时不能完全和斜面贴合，导致其在每行雕刻间都会留下刻痕。为了避免这种情况，现有技术中采用减少钻头横轴位移的方法来使每行雕刻的重叠部分增大，达到减少刻痕的目的。但是钻头行进路径的重叠率过高会导致雕刻速度大大降低，影响雕刻效率。在数控机床雕刻完成后，还需要人工打磨瑕疵；但是在打磨的过程中会磨掉雕塑本体，造成与原雕刻对象的比例不同，使雕塑产生损耗、损失了精确度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够减少复刻模型的损耗并加快雕刻速度的通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取雕刻对象的三角网格数据，根据三角网格数据建立雕刻对象的三维模型；2)计算雕刻对象的三维模型的三维雕刻损耗，确定三维模型的增量；3)根据三维模型的增量重新建立雕刻对象的三维模型，数控机床根据新建立雕刻对象的三维模型雕刻出具有增量的雕塑。

进一步，步骤2)计算雕刻对象的三维模型的三维雕刻损耗，确定三维模型的增量，具体是：任取一三角网格顶点，对其所在三角形的面法向量进行求和归一化，得到三角网格顶点的法向量，根据三角网格顶点的原始位置和法向量确定三维模型的增量。

进一步，步骤2)任取一三角网格顶点，对其所在三角形的面法向量进行求和归一化，得到三角网格顶点的法向量，根据三角网格顶点的原始位置和法向量确定三维模型的增量，具体过程为：

2.1)任取一三角网格顶点，在以三角网格顶点为公共顶点的所有三角形中任取一个三角形，并将该三角形的三个顶点按逆时针排列依次设定为：P₀，P₁，P₂，计算得到该三角形所在平面的法向量n：

n＝(P₁-P₀)×(P₂-P₀)；

2.2)假设以三角网格顶点为公共顶点的所有三角形总数为m个，计算m个三角形的法向量和：

n_total＝n₀+n₁+…+n_m-1，

式中，n_total表示m个法向量和，n₀，n₁，…，n_m-1分别表示具有三角网格顶点的m个三角形所在平面的法向量；

2.3)将法向量和进行归一化处理，得到三角网格顶点的法向量n_p：

n_p＝n_total/m；

2.4)根据三角网格顶点的原始位置Porigin和法向量n_p，计算得到三角网格顶点沿法向量n_p方向的增量，向量增量Pnew的计算公式为：

Pnew＝Porigin+n*a，

式中，a表示移动系数。

进一步，移动系数a＝a_θ+a_p，其中，a_θ为角度移动系数，a_p为重叠率移动系数。

进一步，角度移动系数a_θ根据三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ大小进行设定，a_θ的数值随夹角角度的递减而递增。

进一步，设定角度移动系数aθ＝c*(90-θ)，c为自定义常数。

进一步，三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ的范围为[0°,90°]，当三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ＝0°时，a_θ＝0。

进一步，重叠率移动系数a_p根据数控机床的雕刻路径重叠率p的大小进行设定，a_p的数值随重叠率p的递减而递增。

进一步，设定重叠率移动系数a_p＝k*(1-p)，k为自定义常数。

进一步，重叠率p的范围为[0,1]，当重叠率p＝0时，a_p达到设定最大值，当重叠率p＝1时，a_p＝0。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明预先计算雕刻对象的三维模型的三维雕刻损耗，确定三维模型的增量，再根据增量移动网格顶点的位置按比例增大雕塑三维模型数据；后期数控机床按具有增量的三维雕塑模型进行雕刻，再经手工打磨后即可得到与雕刻对象比例相同的复刻模型，在打磨的过程中不会磨掉雕塑本体，因此复刻出雕刻对象精确度高，且算法简单，易于实现，具有很强的实用性。2、由于数控机床雕刻加工出的模型具有增量，可以使后期进行快速打磨而不必考虑因打磨过度而产生损耗的问题，本发明数控机床雕刻时即可减少钻头行走路径的重叠率，大大提高雕刻的速度。本发明可以广泛应用于三维雕刻的制作过程中。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明实施例中的雕刻对象的三维模型图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明的通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，包括以下步骤：

1、采用三维数据扫描仪对雕刻对象进行扫描，获得雕刻对象的三维点云数据，并通过计算机将三维点云数据进行三角形网格化，得到三角网格数据，根据三角网格数据建立雕刻对象的三维模型。

2、计算雕刻对象的三维模型的三维雕刻损耗，确定三维模型的三维雕刻增量。

三角网格数据中的每个网格顶点被多个三角形共有，计算三角形所在平面的法向量，要将法向量求和并归一化，所得结果即为网格顶点的法向量，再根据网格顶点法向量求得损耗量、确定增量，具体计算过程为：

1)任取一三角网格顶点，在以三角网格顶点为公共顶点的所有三角形中任取一个三角形，并将该三角形的三个顶点按逆时针排列依次设定为：P₀，P₁，P₂，计算得到该三角形所在平面的法向量n：

n＝(P₁-P₀)×(P₂-P₀)；

2)假设以三角网格顶点为公共顶点的所有三角形总数为m个，计算m个三角形的法向量和：

n_total＝n₀+n₁+…+n_m-1，

式中，n_total表示m个法向量和，n₀，n₁，…，n_m-1分别表示具有三角网格顶点的m个三角形所在平面的法向量；

3)将法向量和进行归一化处理，得到三角网格顶点的法向量n_p：

n_p＝n_total/m，

4)根据三角网格顶点的原始位置Porigin和法向量n_p，计算得到三角网格顶点沿法向量n_p方向的增量，向量增量Pnew的计算公式为：

Pnew＝Porigin+n*a，

式中，a表示移动系数，a＝a_θ+a_p，其中，a_θ为角度移动系数，a_p为重叠率移动系数。

3、计算机根据增量Pnew重新建立三维雕刻模型，数控机床根据具有增量的三维雕刻模型数据雕刻出具有增量的雕塑，后期打磨损耗量与增量持平，打磨后即可得到与原始雕刻对象等比例的复刻雕塑。

在一个优选的实施例中，由于数控机床钻头形状的固定，雕刻面的形状不固定，所以当雕刻面越倾斜，钻头与雕刻面贴合的面积越小。夹角越大雕刻痕迹越明显，后期打磨时对雕塑的损耗越大，所以需要的增量Pnew越大，故角度移动系数a_θ根据三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ大小进行设定，角度移动系数a_θ的数值随夹角角度的递减而递增，角度移动系数a_θ和夹角θ呈现线性关系，a_θ＝c*(90-θ)，其中，c为自定义常数；设定当夹角θ＝0°时，角度移动系数a_θ＝0。夹角θ的范围为[0,90°]，当夹角θ＝90°时，钻头与雕刻面完全贴合或近乎完全贴合，则设定雕塑无损耗、不需要增量，故a_θ＝0；夹角θ＝0°时，钻头为垂直或近乎垂直切割雕刻面，则设定雕塑无损耗、不需要增量，故a_θ＝0；夹角θ为(0,90°]时，设定夹角θ越小，钻头与雕刻面贴合的面积越小、雕塑损耗越大、需要增量Pnew越多，a_θ越大。

在一个优选的实施例中，在雕刻过程中，数控机床控制钻头的横轴位移越大，每行雕刻的重叠部分越小、刻痕面积越大，所以后期打磨损耗就会越大，故重叠率移动系数a_p需要根据雕刻重叠率p的进行设定，a_p的数值随重叠率p的递减而递增。重叠率移动系数a_p和重叠率p呈现线性关系，a_p＝k*(1-p)，其中，k为自定义常数。重叠率p的范围为[0,1]，当重叠率p＝0时，雕刻路径无重叠、刻痕面积最大，则设定雕塑损耗最大，需要增量Pnew最多、a_p达到设定最大值；设定重叠率p＝1时，雕刻路径完全重叠、雕塑无损耗，则不需要增量Pnew，重叠率移动系数a_p＝0；当重叠率p趋近于1时，设定雕塑损耗最小，则需要增量Pnew最少，重叠率移动系数a_p趋近于0。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取雕刻对象的三角网格数据，根据三角网格数据建立雕刻对象的三维模型；

2)计算雕刻对象的三维模型的三维雕刻损耗，确定三维模型的增量，具体是：任取一三角网格顶点，对其所在三角形的面法向量进行求和归一化，得到三角网格顶点的法向量，根据三角网格顶点的原始位置和法向量确定三维模型的增量的具体过程为：

2.1)任取一三角网格顶点，在以三角网格顶点为公共顶点的所有三角形中任取一个三角形，并将该三角形的三个顶点按逆时针排列依次设定为：P₀，P₁，P₂，计算得到该三角形所在平面的法向量n：

n＝(P₁-P₀)×(P₂-P₀)；

2.2)假设以三角网格顶点为公共顶点的所有三角形总数为m个，计算m个三角形的法向量和：

n_total＝n₀+n₁+…+n_m-1，

式中，n_total表示m个法向量和，n₀，n₁，…，n_m-1分别表示具有三角网格顶点的m个三角形所在平面的法向量；

2.3)将法向量和进行归一化处理，得到三角网格顶点的法向量n_p：

n_p＝n_total/m；

2.4)根据三角网格顶点的原始位置Porigin和法向量n_p，计算得到三角网格顶点沿法向量n_p方向的增量，向量增量Pnew的计算公式为：

Pnew＝Porigin+n*a，

式中，a表示移动系数；

3)根据三维模型的增量重新建立雕刻对象的三维模型，数控机床根据新建立雕刻对象的三维模型雕刻出具有增量的雕塑。

2.如权利要求1所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，移动系数a＝a_θ+a_p，其中，a_θ为角度移动系数，a_p为重叠率移动系数。

3.如权利要求2所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，角度移动系数a_θ根据三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ大小进行设定，a_θ的数值随夹角角度的递减而递增。

4.如权利要求3所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，设定角度移动系数a_θ＝c*(90-θ)，c为自定义常数。

5.如权利要求3所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ的范围为[0°,90°]，当三角网格顶点法向量n_p与水平面的夹角θ＝0°时，a_θ＝0。

6.如权利要求2所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，重叠率移动系数a_p根据数控机床的雕刻路径重叠率p的大小进行设定，a_p的数值随重叠率p的递减而递增。

7.如权利要求6所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，设定重叠率移动系数a_p＝k*(1-p)，k为自定义常数。

8.如权利要求6所述的一种通过增量预计算优化三维雕刻损耗的方法，其特征在于，重叠率p的范围为[0,1]，当重叠率p＝0时，a_p达到设定最大值，当重叠率p＝1时，a_p＝0。