CN106530388A - 一种基于二维图像的3d打印装置及其三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维图像的3D打印装置，包括：二维图形信息输入界面、二维图形信息存储模块、二维图形信息处理模块、三维模型显示界面以及三维模型打印模块；还公开了一种基于二维图形的三维建模方法，首先提取待打印物品六个面的视图，然后分别提取六个面视图上的二维图形信息并进行存储，再对二维图形信息进行配准生成三维模型，最后根据三维模型生成用于3D打印的STL文件。本发明中基于二维图像的3D打印装置及其三维建模方法，整个建模过程全自动完成，操作简便、生成率高而又有一定的精度；对硬件要求较低，可跨平台跨终端使用，资源消耗低。

Description

一种基于二维图像的3D打印装置及其三维建模方法

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种基于二维图像的3D打印装置及其三维建模方法。

背景技术

目前，3D打印机技术及其相关产业均取得了突飞猛进的发展，其商业化运作也逐渐成熟。目前市场上3D打印机的建模方法主要有三种：第一种，也是最常用的建模方法，是使用专业的图形设计软件，采样交互的方法进行几何建模；第二种，是使用三维数字化扫描仪进行几何建模；第三种，是使用一些现有的图形库中的基本几何模型来创建物体形状。

传统建模方法，因其建模过程手动完成，耗时费力、工作量大，操作复杂，需要通过专业培训，上手难度较大，并且商业软件过于昂贵。将建好的几何模型转化为STL格式时，会有许多不兼容和需要修改的地方，对电脑硬件要求较高，一般专业的三维建模软件不能安装于手机或者平板等移动终端上。因此，亟需设计一种成本低、效率高、兼容性好、易操作的三维建模软件，配合3D打印设备满足市场的需求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于二维图像的3D打印装置及其三维建模方法，方便操作且成本较低。

为解决上述技术问题，本发明中基于二维图形的3D打印装置，包括：

二维图形信息输入界面，用于为用户提供绘制窗口，获取并显示用户所设置的二维图形信息，所述二维图形信息包括二维图形的顶点及边的位置参数；

二维图形信息存储模块，用于将二维图形信息输入界面所获取到的二维图形信息按照不同视图分别进行存储；

二维图形信息处理模块，用于对二维图形信息存储模块所存储的二维信息进行信息配准，根据各视图的位置关系构建三维模型，并将三维模型转换成STL文件；

三维模型显示界面，用于显示所构建的三维模型；

三维模型打印模块，用于根据STL文件打印构建好的三维模型。

进一步地，所述三维模型显示界面还用于提取用户对三维模型的修改信息发送给二维图形信息处理模块；所述二维图形信息处理模块根据修改信息更新三维模型。

相应地，本发明中基于二维图形的三维建模方法，包括以下步骤：

(1)依次绘制待打印物品前、后、左、右、上、下六个面的视图的二维图形，并分别对六个视图的二维图形的信息进行提取，获取二维图形的顶点以及边的位置参数，将所获取到的二维图形信息按照不同视图分别进行存储；

(2)根据二维图形的顶点以及边的位置参数进行信息配准；

(3)根据各视图的位置关系构建三维模型，并对三维模型进行渲染，基于三维模型生成STL文件。

其中，步骤(1)中对于每个视图中的二维图形信息进行提取并保存包含以下步骤：

1)获取鼠标或者电子笔点击屏幕的动作，或者提取输入窗口中用户输入的顶点坐标作为顶点的位置参数并进行存储；

2)获取鼠标或者电子笔点击屏幕的动作，若鼠标位置靠近某个顶点，则该顶点被选中，鼠标或电子笔在屏幕上拖动，直到靠近另一个顶点并发生点击动作后，该顶点也被选中，两个顶点之间构成一条边，存储这条边对应的2个顶点；若鼠标或电子笔第二次点击没有发生或者发生时不靠近任何顶点，则不会生成任何边；

3)验证所有顶点连接后是否组成一个闭合的多边形，且该多边形至少由三条边组成；

4)将同一平面内所有顶点、顶点坐标以及边均保存在二维信息库的一个文件中。

其中，步骤(2)中根据二维图形的顶点以及边的位置参数进行信息配准，包括以下步骤：

1)将二维信息库中的所有顶点保存到数据结构中，对顶点进行编号，并去除相同的顶点，同时记录该顶点重复次数；

2)将二维信息库中的所有边对应的两个顶点的编号存储到数据结构中，并去除相同的边；

3)对六个面的视图二维信息库配准完毕后，对所有顶点进行验证，如果所有顶点重复出现的次数均大于等于3，则所构成三维模型封闭，否则报错；

其中，步骤(3)中对构建三维模型包含以下步骤：

1)基于顶点及其连接关系依次连接各个顶点，绘制出三维模型；

2)对三维模型表面进行着色或纹理贴图；

3)添加光照模型。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：本发明中基于二维图像的3D打印装置可结合电脑端、平板或者手机等移动终端，使用者可通过鼠标在屏幕上绘制，也可使用电子笔直接在触摸屏上手绘，然后对二维图形进行自动处理和分析，从中提取出模型的三维信息及拓扑结构，生成三维模型，使用者可在此基础上进行修改、编辑、着色等操作，然后一键式生成STL文件，发送到3D打印机上进行打印；本发明中基于二维图像的三维建模方法将复杂的三维建模简化，利用最容易绘制的二维图形进行三维建模，且算法速度快，可实现实时的二维转化三维，同时快速、便捷、无错的将三维模型转化成STL格式，可无需修改直接打印；整个建模过程全自动完成，操作简便、生成率高而又有一定的精度；对硬件要求较低，可跨平台跨终端使用，资源消耗低；使用者，特别是对二维及三维图形建模完全没有基础的使用者，可直接通过在触摸屏上手绘，便可快速、便捷的绘制出三维模型。

附图说明

图1是本发明中基于二维图形的3D打印装置的模块示意图；

图2是本发明中基于二维图形的三维建模方法的流程图；

图3是所绘制的待打印物品的前、后、左、右、上、下六个面的视图，图3(a)是前面的二维图形，图3(b)是后面的视图，图3(c)是左面的视图，图3(d)是右面的视图，图3(e)是上面的视图，图3(f)是下面的视图；

图4是所存储的图3中前视图的二维信息；

图5是由图3中六个面视图的二维图形转换而成的三维模型。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

图1中基于二维图形的3D打印装置包括：二维图形信息输入界面、二维图形信息存储模块、二维图形信息处理模块、三维模型显示界面以及三维模型打印模块；二维图形信息输入界面用于为用户提供绘制窗口，获取并显示用户所设置的二维图形信息，所述二维图形信息包括二维图形的顶点及边的位置参数，用户可以采用鼠标点击、触摸或输入框输入等方式来设置二维图形信息；二维图形信息存储模块用于将二维图形信息输入界面所获取到的二维图形信息按照不同视图分别进行存储；二维图形信息处理模块用于对二维图形信息存储模块所存储的二维信息进行信息配准，根据各视图的位置关系构建三维模型，并将三维模型转换成STL文件发送给三维模型打印模块；三维模型显示界面用于显示所构建的三维模型并提取用户的修改信息发送给二维图形信息处理模块；三维模型打印模块用于根据STL文件打印构建好的三维模型。

使用上述基于二维图形的3D打印装置时，用户在二维图形信息输入界面所提供的绘制窗口中依次完成前、后、左、右、上、下六个视图的绘制，二维图形信息输入界面对六个视图分别进行处理，先获取鼠标点击的动作，再结合用户的坐标设置，生成各个顶点的世界坐标，其次，获取各个顶点的连接关系，利用获取的顶点及其连接关系分别生成六个视图对应的二维图形并进行显示；二维图形信息存储模块将各个视图的顶点以及顶点之间的连接关系进行存储；二维图形信息处理模块在三维场景中，利用二维图形中获取的点的世界坐标依次生成三维中的各个顶点，合并坐标相同的顶点，然后基于各顶点的连接关系生成边，合并相同顶点之间的边，再通过OpenGL进行渲染，生成三维模型；三维模型显示界面显示相应的三维模型，在该显示界面，用户还可在该窗口中进行编辑修改，即可以随意拖动某个顶点或某条边，以改变三维模型的形状，还可以改变某个平面的颜色，三维模型显示界面获取用户的修改信息并发送给二维图形信息处理模块；如果在二维图形信息处理模块配准的过程中，发现若干顶点位置信息错误，导致三维模型无法闭合，将向三维模型显示界面发送错误提示，将错误顶点标红显示；最后，二维图形信息存储模块基于OpenGL生成的三维模型，将其转换为STL文件发送到三维模型打印模块进行打印。

上述基于二维图形的3D打印装置，其所采用的三维建模方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)如图3所示，依次绘制待打印物品前、后、左、右、上、下六个面的视图的二维图形，并对六个视图的二维图形的信息进行提取，获取二维图形的顶点以及边的位置参数，将所获取到的二维图形信息按照不同视图分别进行存储；

(2)根据二维图形的顶点以及边的位置参数进行信息配准；

(3)构建三维模型，并对三维模型进行渲染，基于三维模型生成STL文件用于3D打印模块的打印。

上述步骤(1)中对于每个视图中的二维图形信息进行提取并保存包含以下步骤：

1)获取二维图形的顶点位置参数并进行存储。

获取鼠标或者电子笔点击屏幕的动作，或者提取输入窗口中用户输入的坐标，之后存储用户的坐标设置，同时根据用户的坐标设置将顶点在对应的位置上显示。

2)获取二维图形的边位置参数并进行存储。

获取鼠标或者电子笔点击屏幕的动作，若此时鼠标位置靠近某个顶点，则该顶点变为选中状态，鼠标或电子笔在屏幕上拖动，直到靠近另一个顶点并发生点击动作后，该顶点也变为选中状态，则这两个顶点之间将显示为直线连接，存储这条边对应的2个顶点；若鼠标或电子笔第二次点击没有发生或者发生时不靠近任何顶点，则不会生成任何边。

3)验证所有顶点连接后是否组成一个闭合的多边形，且该多边形至少由三条边组成，如果小于三条边，将提醒用户无法生成该二维图形。

4)将同一平面内所有顶点、顶点坐标以及边均保存在二维信息库的一个文件中，如图4所示。

上述步骤(2)中根据二维图形的顶点以及边的位置参数进行信息配准，包括以下步骤：

1)将二维信息库中的所有顶点保存到数据结构中，对顶点进行编号，并去除相同的顶点，同时记录该顶点重复次数；

2)将二维信息库中的所有边对应的两个顶点的编号存储到数据结构中，并去除相同的边；

3)六个二维信息库配准完毕后，对所有顶点进行验证，如果所有顶点重复出现的次数均大于等于3，则所构成三维模型封闭；否则，将报错，并将重复次数小于3次的顶点显示给用户。

上述步骤(3)中对构建三维模型包含以下步骤：

1)基于顶点及其连接关系依次连接各个顶点，绘制出三维模型，如图5所示；

2)对三维模型表面进行着色或纹理贴图；

3)添加光照模型。

上述步骤(3)中基于三维模型生成STL文件包含以下步骤：

1)设置弦高，将三维模型表面分割成许多三角形面片；

2)存储三角形面片的顶点坐标到STL文件中。

Claims (6)

1.一种基于二维图形的3D打印装置，其特征在于，包括：

二维图形信息输入界面，用于为用户提供绘制窗口，获取并显示用户所设置的二维图形信息，所述二维图形信息包括二维图形的顶点及边的位置参数；

二维图形信息存储模块，用于将二维图形信息输入界面所获取到的二维图形信息按照不同视图分别进行存储；

二维图形信息处理模块，用于对二维图形信息存储模块所存储的二维信息进行信息配准，根据各视图的位置关系构建三维模型，并将三维模型转换成STL文件；

三维模型显示界面，用于显示所构建的三维模型；

三维模型打印模块，用于根据STL文件打印构建好的三维模型。

2.根据权利要求1所述的基于二维图形的3D打印装置，其特征在于，所述三维模型显示界面还用于提取用户对三维模型的修改信息发送给二维图形信息处理模块；所述二维图形信息处理模块根据修改信息更新三维模型。

3.一种基于二维图形的三维建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）依次绘制待打印物品前、后、左、右、上、下六个面的视图的二维图形，并分别对六个视图的二维图形的信息进行提取，获取二维图形的顶点以及边的位置参数，将所获取到的二维图形信息按照不同视图分别进行存储；

（2）根据二维图形的顶点以及边的位置参数进行信息配准；

（3）根据各视图的位置关系构建三维模型，并对三维模型进行渲染，基于三维模型生成STL文件。

4.根据权利要求3所述的基于二维图形的三维建模方法，其特征在于，步骤（1）中对于每个视图中的二维图形信息进行提取并保存包含以下步骤：

1）获取鼠标或者电子笔点击屏幕的动作，或者提取输入窗口中用户输入的顶点坐标作为顶点的位置参数并进行存储；

2）获取鼠标或者电子笔点击屏幕的动作，若鼠标位置靠近某个顶点，则该顶点被选中，鼠标或电子笔在屏幕上拖动，直到靠近另一个顶点并发生点击动作后，该顶点也被选中，两个顶点之间构成一条边，存储这条边对应的2个顶点；若鼠标或电子笔第二次点击没有发生或者发生时不靠近任何顶点，则不会生成任何边；

3）验证所有顶点连接后是否组成一个闭合的多边形，且该多边形至少由三条边组成；

4）将同一平面内所有顶点、顶点坐标以及边均保存在二维信息库的一个文件中。

5.根据权利要求4所述的基于二维图形的三维建模方法，其特征在于，步骤（2）中根据二维图形的顶点以及边的位置参数进行信息配准，包括以下步骤：

1）将二维信息库中的所有顶点保存到数据结构中，对顶点进行编号，并去除相同的顶点，同时记录该顶点重复次数；

2）将二维信息库中的所有边对应的两个顶点的编号存储到数据结构中，并去除相同的边；

3）对六个面的视图二维信息库配准完毕后，对所有顶点进行验证，如果所有顶点重复出现的次数均大于等于3，则所构成三维模型封闭，否则报错。

6.根据权利要求5所述的基于二维图形的三维建模方法，其特征在于，步骤（3）中对构建三维模型包含以下步骤：

1）基于顶点及其连接关系依次连接各个顶点，绘制出三维模型；

2）对三维模型表面进行着色或纹理贴图；

3）添加光照模型。