CN105825033A - 一种面向3d打印的灯具三维在线设计系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向3D打印的灯具三维在线设计系统与方法，用户通过在线交互在预置的分解模型中自主选择，本方法通过模型适配将用户所选的分解模型自动组装并设计接口；在每一步中为用户提供风格化的模型设计功能，如浮雕、镂空、刻字等；最后生成完整的可打印的三维模型文件，直接通过3D打印进行个性化定制。通过风格化操作，使用户在自选各个组件之后可以进行浮雕、镂空、刻字等操作，扩展了用户进行风格化定制的自由度，自动进行各组件的拼接，并生成可直接用于3D打印的三维模型文件，方便用户操作。

Description

一种面向3D打印的灯具三维在线设计系统与方法

技术领域

本发明涉及一种面向3D打印的灯具三维在线设计系统与方法。

背景技术

近些年，3D打印技术发展迅速，随着3D打印成型材料可选范围的增大，成型精度与速度的提高，各类设备价格的降低，它已经开始广泛的应用于医疗、航空、娱乐与时尚等各个领域，甚至逐渐渗透进普通人的生活。

随着使用3D打印技术门槛和设备成本的降低，越来越多的普通大众开始接触到这项此前被认为不可能接触到的技术，甚至能获得3D打印制作的成品，于是各种贴近大众生活的3D打印相关制作服务开始出现，比如三维人像、工艺礼品、卡通手办等类别物品的制作。虽然3D打印技术的设备与材料成本都在逐步降低，但是三维建模与几何模型处理的门槛依然很高，相关软件的操作界面较为复杂，缺乏三维建模专业知识的普通用户无法真正参与到三维模型的设计过程中，因此使得产品的用户定制难以实现。

3D打印的输入模型一般来自两个方面，一是对于现实物体进行扫描重建得到的数字模型，二是由设计者创造编辑的模型。前者通常需要并非普通用户常备的专业设备，而后者通常需要使用专业的模型创作的编辑软件，这些软件的操作非常复杂且学习成本很高，也不是普通用户能够掌握。因此，对于普通用户来讲，迫切需要大量简单易用的三维模型个性化定制工具，帮助用户通过少量而简单的参数或自然的交互操作，即可完成三维模型的个性化定制设计。这将吸引更多非专业人员通过3D打印满足个性化定制的需求，从而扩大3D打印技术的用户群与市场规模。

鉴于以上的原因，目前已经出现一些简单易用的面向3D打印的模型定制工具，尤其是在首饰设计方面，然而，这些工具或者只提供非常简单的风格化选择，或者只能在局部改变模型，用户并无法从整体模型的角度来生产模型。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种面向3D打印的灯具三维在线设计系统与方法，本发明通过给用户预置一个有若干灯罩、灯柱和底座的模型库，让用户在操作框中自由选择组合成一个完整的灯具。同时也提供一些局部风格化的功能，比如浮雕、镂空、刻字等操作。最后组合生成一个完整的可打印的三维模型文件，完成之后使用3D打印机打印出用户自主设计的灯具。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向3D打印的灯具三维在线设计系统，包括三维模型数据库、选择单元、操作场景单元、控制单元和风格化单元，其中：

所述三维模型数据库，提供灯罩、灯座、灯柱和连接件的三维模型，供给选择单元选择；

所述选择单元，选择需要设计的灯具的相应的三维模型，为操作场景单元提供素材模型；

所述操作场景单元，将选择的三维模型进行拼接，组装成一个完整的灯具，并赋予平移、缩放和旋转操作；

所述控制单元，拼接和导出组装的三维灯具模型；

所述风格化单元，对导出的三维灯具模型进行浮雕、镂空或刻字处理。

一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，包括以下步骤：

(1)搜集或制作灯罩、灯柱、底座以及连接件的三维模型，同时做归一化和三角化处理，分类存入三维模型库，供给选择；

(2)选择需要设计的灯具的相应的三维模型；

(3)在操作场景单元中调整已选的三维模型部件，并赋予平移、缩放和旋转操作；

(4)根据所选三维模型部件自动生成尺寸适合的连接件以匹配所选部件，拼接和导出待组装的三维模型；

(5)对导出的三维模型进行浮雕、镂空或刻字处理；

(6)利用3D打印机将三维模型进行打印，形成完整灯具。

所述步骤(1)中，具体步骤包括：

(1-1)根据模型的顶点坐标计算模型的包围盒；

(1-2)将计算得出的包围盒缩放比例至[0,1]之间，保证三个维度都在此范围之内；

(1-3)将各个顶点的坐标与该比例相乘得到新的顶点坐标，并更新。

所述步骤(4)中，具体步骤包括：

(4-1)将预置的三维模型按照底座、灯柱、灯罩的顺序读入，记录各个顶点的x、y和z空间坐标；

(4-2)将被选中的底座、灯柱、灯罩模型按照当前的空间位置关系在界面中摆放；

(4-3)根据选择的底座、灯柱、灯罩模型自动匹配相应的连接件；

(4-4)将所有灯具各个部分和连接件文件数据转换为可打印模型文件并导出。

所述步骤(4-2)中，具体步骤包括：

(4-2-1)归一化后的模型中心均置于空间坐标系原点位置，各个顶点的x、y和z坐标以此为基准；

(4-2-2)当重新选择模型之后，计算新选择模型的包围盒，重新计算竖轴高度；根据新模型的高度重新放置其他模型在竖轴上的位置。

所述步骤(4-2-1)中，模型放置的平面区域事先设定好，即给定横、纵坐标平面范围内的区域，使得所有模型的正投影均落在该区域中，默认顺序为底座、灯柱、灯罩，从下至上计算高度，然后依次摆放。

所述步骤(4-3)具体步骤包括：

(4-3-1)底座和灯柱之间默认提供若干螺丝模型作为连接件，根据灯柱截面粗细调整螺丝大小；

(4-3-2)底座和螺丝做布尔运算，在底座上做出螺丝孔；

(4-3-3)灯柱和螺丝做布尔运算，将同一个螺丝和灯柱模型合成为一个网格模型；

(4-3-4)灯柱和灯罩之间提供两种形式的连接件，螺丝连接或螺丝和卡扣结合连接方式，不同连接方式由灯罩放置方式决定，根据灯柱截面粗细调整螺丝大小。

所述步骤(4-3-4)中，当灯罩口径大于连接件，使用螺丝和卡扣结合的连接方式连接，灯柱和螺丝做布尔运算，连接件与螺丝做布尔运算，连接件拧在灯柱上，连接件支撑架与灯罩做连接件与螺丝做布尔运算，支撑架固定在灯罩内侧的卡槽中，LED灯放置在连接件上。

所述步骤(4-3-4)中，当灯罩口径等于连接件，使用螺丝连接，灯柱和螺丝做布尔运算，连接件内侧与螺丝做布尔运算，连接件拧在灯柱上，螺丝与灯罩口做布尔运算，螺丝与连接件外沿做布尔运算，灯罩拧在连接件外沿上，LED灯放置在连接件上。

所述步骤(4-4)中，计算各个三角面片的法向量，依次写入各个三角面片的法向量和三个顶点的x、y、z坐标，将灯具各个部分和连接件网格数据依次导出。

本发明的有益效果为：

(1)通过浏览器为用户提供操作界面，无需安装其他软件或插件；

(2)有提供了预置的三维模型库，充分考虑了用户专业知识可能不足的问题；同时又提供了多样、快捷的操作选项，充分考虑了用户对于定制的需求；

(3)通过风格化操作，使用户在自选各个组件之后可以进行浮雕、镂空、刻字等操作，扩展了用户进行风格化定制的自由度；

(4)自动进行各组件的拼接，并生成可直接用于3D打印的三维模型文件，方便用户操作。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为一个组装完毕的灯具大致形状示意图(各个部分根据用户选择会有不同)；

图3为灯罩口径大于连接件时，灯罩-灯柱间连接区域示意图；

图4为灯罩口径等于连接件时，灯罩-灯柱间连接区域示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种在线的灯具三维设计与定制造型系统包括：

1.三维模型库：为用户提供预置的灯罩、灯柱和底座的三维模型，供用户选择；

2.模型选择单元：用户从中选择灯具各部分的三维模型，为场景提供可供操作的素材模型；

3.主要操作场景单元：在该单元内拼接已选择的各个部分模型，使其合成一个完整的灯具，也可进行基本的平移、缩放和旋转等操作；

4.后台运算单元：该单元主要负责处理主要操作场景单元中已选择的三维模型数据，主要提供拼接和导出功能；

5.艺术风格化单元：该单元主要负责为灯罩模型进行一些艺术风格化处理，包括浮雕、镂空、刻字等处理，使灯罩具有艺术性。

该定制系统的架构主要包括：

前端：Bootstrap框架+Three.js框架。

后端：Nodejs框架。

如图1所示，基于WebGL的三维灯具定制系统主要设计方法，具体步骤为：

步骤1：搜集或制作灯罩、灯柱、底座以及连接件的三维模型，同时做归一化和三角化处理，分类存入三维模型库；三维模型库中预置的灯罩、灯柱和底座模型均为.obj格式；

步骤2：在模型选择单元中展示各个部分的模型缩略图，供用户选择；

步骤3：选择模型至主要操作场景单元，可在该场景中各个角度查看选中的三维模型，并提供基本三维操作功能，如平移、旋转、缩放等；

步骤4：自动生成尺寸适合的连接件拼接所选模型成为一个完整的灯具模型，拼接完成之后导出为可直接打印的三维模型文件(如果不选步骤5则在此步骤中直接导出可打印的三维模型文件，否则在步骤5中导出)；

步骤5(可选)：选择风格化类型，将其应用到灯罩、灯柱或底座上，处理完成可导出为可直接打印的三维模型文件；

如图2所示，步骤6：将可打印模型文件.stl打印出之后组装成一个完整灯具。

步骤1的具体步骤为：

1.1根据模型的顶点坐标计算模型的包围盒；

1.2将计算得出的包围盒缩放比例至[0,1]之间，保证三个维度都在此范围之内；

1.3将各个顶点的坐标与该比例相乘得到新的顶点坐标，并更新文件。

步骤4的具体步骤为：

4.1将obj模型文件按照底座、灯柱、灯罩的顺序读入，记录各个顶点的x,y,z空间坐标；

4.2将被选中的底座、灯柱、灯罩模型按照当前的空间位置关系在界面中摆放；

4.3根据选择的底座、灯柱、灯罩模型自动匹配相应的连接件；

4.4将所有灯具各个部分和连接件文件数据转换为.stl文件结构，生成若干可打印模型文件并导出。

步骤4具体步骤具体阐述为：

4.2.1初始状态下(归一化之后)的模型中心均在空间坐标系原点位置，各个顶点的x、y、z坐标也以此为基准。其中模型放置的平面区域事先设定好，即给定横、纵坐标平面范围内的区域，使得所有模型的正投影均落在该区域中。默认顺序为底座、灯柱、灯罩，从下至上计算高度，然后依次摆放。

4.2.2当用户重新选择模型之后，计算新选择模型的包围盒，重新计算竖轴高度；根据新模型的高度重新放置其他模型在竖轴上的位置(横纵平面上的位置不变)；

4.3.1底座和灯柱之间默认提供若干螺丝模型作为连接件，根据灯柱截面粗细调整螺丝大小；

4.3.2底座和螺丝做布尔运算(Subtraction)，在底座上做出螺丝孔；

4.3.3灯柱和螺丝做布尔运算(Union)，将同一个螺丝和灯柱模型合成为一个网格模型；

4.3.4灯柱和灯罩之间提供两种形式的连接件，螺丝连接和螺丝&卡扣连接方式，不同连接方式由灯罩放置方式决定，如图3、图4所示，根据灯柱截面粗细调整螺丝大小；

4.3.5如图3所示，当第一种情况时，即灯罩口径大于连接件，使用螺丝&卡扣连接，灯柱和螺丝做布尔运算(Subtraction)，连接件与螺丝做布尔运算(Union)，连接件拧在灯柱上，连接件支撑架与灯罩做连接件与螺丝做布尔运算(Subtraction)，支撑架固定在灯罩内侧的卡槽中，LED灯放置在连接件上；

4.3.6如图4所示，当第二种情况时，即灯罩口径等于连接件，使用螺丝连接，灯柱和螺丝做布尔运算(Union)，连接件内侧与螺丝做布尔运算(Subtraction)，连接件拧在灯柱上，螺丝与灯罩口做布尔运算(Subtraction)，螺丝与连接件外沿做布尔运算(Union)，灯罩拧在连接件外沿上，LED灯放置在连接件上；

4.4计算各个三角面片的法向量，按照stl文件格式依次写入各个三角面片的法向量和三个顶点的x、y、z坐标，将灯具各个部分和连接件网格数据依次导出为.stl格式文件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种面向3D打印的灯具三维在线设计系统，其特征是：包括三维模型数据库、选择单元、操作场景单元、控制单元和风格化单元，其中：

所述三维模型数据库，提供灯罩、灯座、灯柱和连接件的三维模型，供给选择单元选择；

所述选择单元，选择需要设计的灯具的相应的三维模型，为操作场景单元提供素材模型；

所述操作场景单元，将选择的三维模型进行拼接，组装成一个完整的灯具，并赋予平移、缩放和旋转操作；

所述控制单元，拼接和导出组装的三维灯具模型；

所述风格化单元，对导出的三维灯具模型进行浮雕、镂空或刻字处理。

2.一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)搜集或制作灯罩、灯柱、底座以及连接件的三维模型，同时做归一化和三角化处理，分类存入三维模型库，供给选择；

(2)选择需要设计的灯具的相应的三维模型；

(3)在操作场景单元中调整已选的三维模型部件，并赋予平移、缩放和旋转操作；

(4)根据所选三维模型部件自动生成尺寸适合的连接件以匹配所选部件，拼接和导出待组装的三维模型；

(5)对导出的三维模型进行浮雕、镂空或刻字处理；

(6)利用3D打印机将三维模型进行打印，形成完整灯具。

3.如权利要求2所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体步骤包括：

(1-1)根据模型的顶点坐标计算模型的包围盒；

(1-2)将计算得出的包围盒缩放比例至[0,1]之间，保证三个维度都在此范围之内；

(1-3)将各个顶点的坐标与该比例相乘得到新的顶点坐标，并更新。

4.如权利要求2所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体步骤包括：

(4-1)将预置的三维模型按照底座、灯柱、灯罩的顺序读入，记录各个顶点的x、y和z空间坐标；

(4-2)将被选中的底座、灯柱、灯罩模型按照当前的空间位置关系在界面中摆放；

(4-3)根据选择的底座、灯柱、灯罩模型自动匹配相应的连接件；

(4-4)将所有灯具各个部分和连接件文件数据转换为可打印模型文件并导出。

5.如权利要求4所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4-2)中，具体步骤包括：

(4-2-1)归一化后的模型中心均置于空间坐标系原点位置，各个顶点的x、y和z坐标以此为基准；

(4-2-2)当重新选择模型之后，计算新选择模型的包围盒，重新计算竖轴高度；根据新模型的高度重新放置其他模型在竖轴上的位置。

6.如权利要求5所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4-2-1)中，模型放置的平面区域事先设定好，即给定横、纵坐标平面范围内的区域，使得所有模型的正投影均落在该区域中，默认顺序为底座、灯柱、灯罩，从下至上计算高度，然后依次摆放。

7.如权利要求4所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4-3)具体步骤包括：

(4-3-1)底座和灯柱之间默认提供若干螺丝模型作为连接件，根据灯柱截面粗细调整螺丝大小；

(4-3-2)底座和螺丝做布尔运算，在底座上做出螺丝孔；

(4-3-3)灯柱和螺丝做布尔运算，将同一个螺丝和灯柱模型合成为一个网格模型；

(4-3-4)灯柱和灯罩之间提供两种形式的连接件，螺丝连接或螺丝和卡扣结合连接方式，不同连接方式由灯罩放置方式决定，根据灯柱截面粗细调整螺丝大小。

8.如权利要求7所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4-3-4)中，当灯罩口径大于连接件，使用螺丝和卡扣结合的连接方式连接，灯柱和螺丝做布尔运算，连接件与螺丝做布尔运算，连接件拧在灯柱上，连接件支撑架与灯罩做连接件与螺丝做布尔运算，支撑架固定在灯罩内侧的卡槽中，LED灯放置在连接件上。

9.如权利要求7所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4-3-4)中，当灯罩口径等于连接件，使用螺丝连接，灯柱和螺丝做布尔运算，连接件内侧与螺丝做布尔运算，连接件拧在灯柱上，螺丝与灯罩口做布尔运算，螺丝与连接件外沿做布尔运算，灯罩拧在连接件外沿上，LED灯放置在连接件上。

10.如权利要求4所述的一种面向3D打印的灯具三维在线设计方法，其特征是：所述步骤(4-4)中，计算各个三角面片的法向量，依次写入各个三角面片的法向量和三个顶点的x、y、z坐标，将灯具各个部分和连接件网格数据依次导出。