CN107005621B - 将3d对象的至少一部分转换为适于打印的格式的方法 - Google Patents

Abstract

将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式。确定3D对象的3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量。3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处。确定包括体元位置的M×N×L阵列的矩形立方体，矩形立方体围合3D对象的至少一部分。提供包括阈值阵列的半色调阈值矩阵。转换所述半色调阈值矩阵以提供阈值的M×N×L 3D阵列。将所述至少一部分的每个材料体积覆盖矢量与在对应3D位置处的每个阈值进行比较，以选定在每个3D位置处的可打印体元，从而将所述3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式。

Description

将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式的方法

背景技术

一些打印过程，例如生成三维(3D)对象的打印过程，将3D对象的模型转换为适于打印的格式。可打印的格式例如可以是通过多个材料单元或材料组合单元表现3D对象的各部分或各方面的格式，例如可以是可通过液滴打印的点。例如，在通过增材制造工艺生成3D对象时，3D对象的层是通过构建建造材料的相应层形成的。在增材制造的一个示例中，对象是通过聚结和固化建造材料层的各部分而逐层地生成的。在一个示例中，建造材料可为粉末、流体或片材形式。正确的聚结和固化是通过在建造材料层上打印助剂而实现的。层被加热，并且涂覆有助剂的建造材料在冷却时聚结并固化。

附图说明

为了更完整的理解，现在参照以下结合附图的描述，附图中：

图1是将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式的方法的示例流程图；

图2是用于将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式的装置的示例的简化示意图；以及

图3是图1中方法的更详细的示例。

具体实施方式

可通过添加其他助剂(例如，聚结改性剂)并与聚结剂相结合或者通过添加其他助剂以代替聚结剂而修改固化的建造材料的物理特性。例如，额外的助剂可以为3D对象的外部部分提供更坚固的结构。助剂可以是流体形式并且可以以液滴形式打印到建造材料表面上，从而在建造材料表面上形成点。还可在建造材料表面的各部分上，例如，在建造材料的将要固化的外部部分上打印彩色墨水或者彩色助剂，从而在3D对象上提供表面装饰。这些彩色墨水或彩色助剂还可以是流体形式，并且当在流体助剂的情况下，以液滴形式打印到建造材料的一部分上，该液滴同样在建造材料表面上形成点。

一种将连续色调图像转换为可打印的格式的技术是半色调化技术。半色调化技术可用于剖切的3D对象，以通过在每个切片的每个像素位置处生成由墨水或助剂的液滴构成的或者由大量墨水或助剂构成的半色调内容而将剖切的3D对象转换为适于打印的格式。典型地，整个半色调化工艺是逐个切片地完成的，其中3D对象被剖切为单独的2D图像，其代表3D对象的切片。

由于3D打印的半色调化从根本上涉及每个切片的2D处理，因此这使得更难以将横切面相关性(cross-plane dependencies)考虑在内，且其仍有可能造成吞吐量限制；横切面相关性例如为相邻切片的像素元素之间的影响。

在图1中所示的示例中，获得3D对象的至少一部分的可打印版本。确定3D对象的3D位图的每个体元(三维像素)的材料体积覆盖矢量(101)。3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处。材料体积覆盖矢量的示例可以是：将每种材料(例如，聚结剂、聚结改性剂或彩色墨水)的量、其组合以及叠印(如有需要)确定为体积覆盖比例值。例如，[K：0.2，Z：0.8]可以是：在该位置处体元是聚结剂的概率是20％，并且保留为空的概率是80％；或者，[K：0.1，W：0.1，Z：0.8]可表示：体元位置是黑色墨水的概率是10％，是聚结材料的概率是10％，并且保留为空的概率是80％。

确定包括体元位置的M×N×L阵列的矩形立方体，该矩形立方体围合(enclose)3D对象的至少一部分(103)。在示例中，M×N×L矩形立方体围合整个3D对象。在另一示例中，M×N×L矩形立方体围合3D对象的一部分。当M×N×L矩形立方体围合3D对象的至少一部分时，其包含3D对象的该至少一部分的3D位图的所有体元。提供半色调阈值矩阵，其包括阈值的阵列(105)。所提供的半色调阈值矩阵可包括阈值的2D阵列；或者可替代地，可包括阈值的3D阵列。然后，复制半色调阈值矩阵以提供阈值的M×N×L 3D阵列(107)。然后，将每个材料体积覆盖矢量与所复制的3D半色调阈值矩阵中的在对应3D位置处的每个阈值进行比较，以选定在每个3D位置处的可打印体元，以用于生成3D对象的该至少一部分的可打印版本(109)。3D位置处的体元包括：例如，使得3D空间中的位置能够被打印的数据。

参照图2，图示了用于将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式的装置200。装置200包括处理器203，用于确定3D对象的3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量。处理器203还确定包括体元位置的M×N×L阵列的矩形立方体。矩形立方体围合3D对象的至少一部分。装置200还包括复制器207，用于复制半色调阈值矩阵以提供阈值的M×N×L 3D阵列。可提供从存储设备205输出的预定矩阵作为要通过复制器207复制的半色调阈值矩阵。装置200进一步包括比较器209，用于将每个材料体积覆盖矢量与所复制的3D半色调阈值矩阵中的在对应3D位置处的每个阈值进行比较，以选定在每个3D位置处的可打印体元，从而将3D对象的该至少一部分转换为适于打印的格式。

更详细地，处理器203的输出被提供到比较器209的第一输入，并且复制器207的输出被提供到比较器209的第二输入。在示例中，比较器209可包括并联的多个比较器单元211_1至211_n。比较器209的每个比较器单元211_1至211_n的输入被提供有所复制的3D半色调阈值矩阵在一位置处的阈值，并且在与提供到另一输入的阈值的矩阵位置对应的体元位置处被提供有材料体积覆盖矢量。每个比较器单元211_1至211_n将体元位置处的材料体积覆盖矢量与所复制的3D半色调阈值矩阵中的在对应3D位置处的阈值进行比较。

每个比较器单元211_1至211_n的输出包括每个体元位置处的选定的可打印体元，并且然后这些可打印体元在输出模块213中组合，以将3D对象的至少一部分的可打印版本提供到装置200的输出终端215。

然后，可针对3D对象的每个部分重复此过程，以输出整个3D对象的可打印版本。

比较器单元211_1至211_n的数量可等于M×N×L立方体的体元位置的数量。然后可大致同时执行比较。可替代地，比较器单元211_1至211_n的数量可等于M×N×L立方体的体元位置的一部分，并且然后可针对各体元位置中的每一个部分重复该比较过程，直至已比较了M×N×L立方体的所有体元位置。

装置200连接至预处理器201的输出。在图2中所示的示例中，预处理器201在装置200外部。在另一示例中，预处理器201可以是装置200的集成部分。预处理器201执行多个预处理步骤(下面会更详细描述)并且将要生成的3D对象的3D图提供到其输出。然后，将该3D图表示提供到处理器203的输入。

复制器207还将提供预定的2D半色调阈值矩阵的存储设备205连接至复制器207。预定的2D矩阵包括：例如，分散点型矩阵(诸如白噪声、蓝噪声)或者集群点型矩阵(诸如绿噪声、AM网筛状图案等)。在另一示例中，存储设备205存储提供给复制器207的预定的3D半色调阈值矩阵。

在一示例中，将通过增材制造技术生成3D对象。在对象模型内定义对象形状及其特性。对象模型可具有带有不同特性的部分，例如对象多孔特性、层间强度特性、对象弹性特性、密度等。对象模型还可定义具有不同颜色的部分，比如提供表面装饰的外部部分。特性和产生的颜色可取决于建造材料所用材料的类型或者用于生成对象的助剂和流体的类型。

在图3中所示示例中，将对象模型301定义为3D中的适量图像(307)。在附图中，已经以简化的立方体形式图示了对象模型301。然而，可理解的是，这用于图示的目的并且对象模型可包括复杂的变化程度的任何形式的3D对象。剖切(309)该3D对象以生成剖切的3D对象303。3D对象被剖切(309)为切片305，切片305的数量与通过增材制造技术生成3D对象时3D打印所需或者所使用的切片的数量相同。矢量切片305是沿z轴制得的，以使得x-y轴定义每个切片305的平面。切片的数量取决于若干因素，例如，所使用的建造材料的类型、聚结剂的类型、聚结改性剂的类型以及其每层的厚度，以提供特性和/或加工等。

栅格化(311)每个矢量切片305以提供包括多个体元的对象模型的3D图表示，多个体元在每个体元位置[x、y、z]处具有色彩/材料值。

确定(313)对象的围合矩形立方体。这可将其宽度、深度和高度标记为M、N和L，使得该矩形立方体的尺寸为[M×N×L]。

接下来，提供(315)尺寸是[O×P×Q]的半色调阈值矩阵。所生成的半色调阈值矩阵可包括阈值的3D阵列或阈值的2D阵列。

在一示例中，半色调阈值矩阵包括阈值的2D阵列，即，Q＝1。2D半色调矩阵包含阈值的2D阵列。在一示例中，阈值用于实施半色调操作，半色调操作将阈值矩阵的值与材料(诸如助剂)的值进行比较或者与诸如NPac(纽介堡主区域覆盖)的颜色概率分布的值进行比较，并且基于阈值选择单个“状态”-材料或墨水或组合。此矩阵可以以多种方式设计并且具有关键参数为x-y平面上的0值的数量。这是由遍及(across)每个切片所需的所有着色剂和材料的整个区域覆盖确定的。在另一示例中，半色调阈值矩阵是尺寸为[O×P×Q](Q≠1，即，具有Q*P*Q阈值)的完整的本地(native)3D矩阵，使得阈值选择在3D中进行。将M×N×L立方体的包含材料体积覆盖矢量的体元直接与阈值矩阵中同一[x，y，z]体元位置处的阈值进行比较。在此情况下，依原样直接应用并允许进行本地动态区域覆盖处理。

应考虑到，所生成的[O×P×Q]3D半色调阈值矩阵还可使用优化、固定的区域覆盖构建，由此获得沿z轴恒定的区域覆盖。这可具有一些互补性并且可从本来的本地2D阈值矩阵建立。如果使用此矩阵(其具有O×P，并且在每个高度值处存在给定的预定区域覆盖水平的状态的恒定频率分布，例如，在每个高度值处存在在宽度和高度上为10％的区域覆盖)，则发生2D矩阵转换，由此沿z轴的生成有效地变为模运算操作；因此如果高度是L，则仅需要复制L/Q次。

以此方式，可提供半色调阈值矩阵的互补性，其中，不会在同一位置处放置材料(例如，助剂或墨水)液滴两次。这是通过以下方式实现的：在沿z轴复制每个后续2D阵列值的过程中，非零阈值处于互补的空间位置处(即，在高度z_i与z_i+1之间的相同[x，y]位置上不存在非零阈值)。

与2D打印中使用的那些矩阵(例如，阈值的[O×P]矩阵)一样，本地2D半色调阈值矩阵也可用于生成3D半色调阈值矩阵。例如，这可通过如下形式实现：如果矩阵具有10个位元值并且期望的每切片区域覆盖为10％，则原始2D矩阵被转换为[O×P×10]矩阵，使得10个z-水平平面中的每一个平面包含10％的区域覆盖。然后，这10个平面必须被复制约Q/10次，从而获得[O×P×10]3D半色调阈值矩阵。如果平面不具有固定的区域覆盖、而是在平面内变动，则可在构建并且复制该3D半色调阈值矩阵的点处考虑这种变动。这可在具有本地“连续色调”阈值的2D阈值矩阵上执行，并且该“连续色调”阈值可容易地格式化以依照区域覆盖具有局部可变性。如果不同的高度需要不同的区域覆盖，则这也同样适用；可再次使用可变平铺/复制。

然后，在全部三个维度上复制(或平铺)(317)所生成的半色调阈值矩阵，使得平铺/复制的矩阵与3D对象的围合矩形立方体的尺寸相匹配。在一个示例中，复制(重复)所生成的3D半色调矩阵，直至其填充M×N×L立方体。在另一示例中，计算乘系数i、j、k，使得M＝O*i，N＝P*j，并且L＝Q*k(在Q＝1的示例中，2D矩阵情况下，L＝k)。输出(319)所复制的M×N×L 3D半色调阈值矩阵。

在简单的比较阈值操作中，将3D对象的每个材料体积覆盖矢量与对应阈值进行比较(321)，从而输出3D对象的可打印版本或者3D对象的一部分的可打印版本(323)。例如，假设阈值是X，则重要的是确定X落入材料体积覆盖矢量值的哪里(即，如果X是12，材料体积覆盖矢量具有用于两种材料的体积覆盖比例，第一种材料的体积覆盖为10，第二种材料的体积覆盖为90，则由于12大于10，仅在该体元位置处放置第二种材料)。

由于矩形立方体和所复制的3D半色调阈值矩阵具有相同尺寸，并且由于不存在关联性并且由于在此执行的是上文中概述的一种操作：因此可在整个立方体上一次性执行将阈值与材料体积覆盖矢量进行比较的比较操作，材料体积覆盖矢量例如是围合立方体的对象的每个[x，y，z]体元位置处的材料/着色剂概率分布。

所生成的系统可在高速下操作并且仅仅受到比较器单元的数量的约束。可适当地预先复制该阈值矩阵，例如，可以预先离线计算整个打印平面的完整3D[M×N×L]矩阵并且在线使用与将要打印的3D对象相关的子立方体。然后，如果比较器单元的数量与3D体元的数量相同，并且存储器足以支持这些比较器单元，则可在单次打印/循环中完成整个工艺，即，在例如GPU(一组GPU)上基本同时完成整个工艺。在更受约束的情况下，当每个比较器单元的处理核和存储器受限时，可对图像分部分进行处理而不考虑其顺序/位置。

可在单次打印中、完全独立于x坐标和y坐标(平面)、并且在平行度增加的切片(z轴)上执行半色调化操作，这转而又允许获得显著的吞吐增益。在本地并且在三个维度上执行半色调化(生成可打印的3D对象)，而不是将这三个维度作为一系列2D平面进行处理。这允许一次性预处理或后处理后续平面，并且允许在单次操作中(存储和处理能力容许的情况下)半色调化将要完成的对象。

其结果是提高了吞吐量/速度，因为可以随时以任何顺序半色调化对象的任何部分(这是由半色调化操作的固有的独立特性造成的)。所产生的整个对象的半色调意味着，对半色调的调整不同于逐个切片等级，其可以在整个3D中完成，这可在半色调化的对象上完成和/或在扩展/复制的半色调矩阵上完成，从而允许一次将多个切片同时半色调化。

简化的比较方法适用于GPU核(作为比较器单元)。取决于所需的存储器的数量和处理功率的大小，可在单次打印中半色调化整个对象。可替代地，如果性能上允许，可并行处理任何子立方体或子区域。

如果期望对将要打印的3D对象进行预分析从而对半色调化对象进行调整，这又是一种适当并且快速地预处理图像的方式。这可通过定向方式完成，例如，基于来自矢量图像的信息完成(确保以不同的方式完成脆弱/薄的部分、以不同方式处理边缘，例如，制造为使得材料更刚硬)。

进一步，这允许打印系统具有将要利用的多种墨水/助剂分发部件，其中墨水/助剂分发部件是独立供料并且独立存放/移动的。例如，如果打印系统将材料/墨水存放在不同空间位置的4个打印头并且具有x-y-z独立性(即，其可以以不同速率移动和发展)，则可使用此方案、通过半色调化每个打印头打印的3D对象的每个部分所需的相关子立方体而同时对这些打印头供料。

应注意的是，上面所述示例阐释而非限制本文描述的内容，并且本领域技术人员将能够在不脱离随附权利要求书的范围的情况下设计出许多可替代实施方式。词语“包括”不排除权利要求书所列那些元素之外的其他元素的存在，“一”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可履行权利要求书中记载的若干单元的功能。

Claims (15)

1.一种将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式的方法，所述方法包括：

(a)确定3D对象的3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量，所述3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处，所述材料体积覆盖矢量是将每种材料的量、每种材料的组合以及叠印确定为体积覆盖比例值；

(b)确定包括体元位置的M×N×L阵列的矩形立方体，所述矩形立方体围合所述3D对象的至少一部分；

(c)提供包括阈值阵列的半色调阈值矩阵；

(d)将所述半色调阈值矩阵复制到阈值的M×N×L 3D阵列；以及

(e)将每个材料体积覆盖矢量与所复制的3D半色调阈值矩阵中的在对应3D位置处的每个阈值进行比较，以选定在每个3D位置处的可打印体元，从而将所述3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

针对所述3D对象的每个部分重复步骤(b)至步骤(e)。

3.如权利要求1所述的方法，其中，比较每个材料体积覆盖矢量包括：

将至少一部分所述材料体积覆盖矢量与在该至少一部分所述材料体积覆盖矢量的对应3D位置处的阈值进行比较是基本上同时执行的。

4.如权利要求1所述的方法，其中，提供半色调阈值矩阵包括：

通过将预定的O×P 2D半色调阈值矩阵转换为O×P×Q 3D半色调阈值矩阵而生成包括阈值的O×P×Q 3D阵列的O×P×Q 3D半色调阈值矩阵。

5.如权利要求4所述的方法，其中，转换预定的O×P 2D半色调阈值矩阵包括：

基于所述3D对象的每个2D切片的区域覆盖百分比，确定3D半色调阈值矩阵的第三维度Q；以及

针对所确定的第三维度的每个层级生成阈值的2D阵列。

6.如权利要求1所述的方法，其中，复制所述半色调阈值矩阵以提供阈值的M×N×L 3D阵列包括：

重复所述半色调阈值矩阵以填充所述M×N×L 3D阵列。

7.如权利要求6所述的方法，其中，复制所述半色调阈值矩阵以提供阈值的M×N×L 3D阵列包括：

针对所述半色调阈值矩阵的每个维度计算乘系数，以生成M×N×L 3D阵列的对应维度；以及

将所述半色调阈值矩阵的每个维度与对应的、所计算的乘系数相乘。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

生成3D对象的3D位图，所述3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处；并且

确定3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量的步骤包括：确定所生成的3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量。

9.如权利要求8所述的方法，其中，生成3D对象的3D位图的步骤包括：

确定3D对象的3D中的矢量图像；

将3D矢量图像剖切为多个矢量切片；以及

栅格化每个矢量切片；

拼装每个栅格化后的切片以生成所述3D对象的3D位图，所述3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处。

10.一种将3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式的装置，所述装置包括：

处理器，所述处理器用于确定3D对象的3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量，所述3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处，并且用于确定包括体元位置的M×N×L阵列的矩形立方体，所述矩形立方体围合所述3D对象的至少一部分，所述材料体积覆盖矢量是将每种材料的量、每种材料的组合以及叠印确定为体积覆盖比例值；

复制器，所述复制器用于将所提供的半色调阈值矩阵复制到阈值的M×N×L 3D阵列；以及

比较器，所述比较器用于将每个材料体积覆盖矢量与所复制的3D半色调阈值矩阵中的在对应3D位置处的每个阈值进行比较，以选定在每个3D位置处的可打印体元，从而将所述3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述比较器包括：

并联连接的多个比较器单元，所述多个比较器单元用于基本上同时地将至少一部分所述材料体积覆盖矢量与在该至少一部分所述材料体积覆盖矢量的对应3D位置处的阈值进行比较。

12.如权利要求10所述的装置，其中，所述装置进一步包括预处理器，所述预处理器用于生成3D对象的3D位图，所述3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处。

13.如权利要求10所述的装置，其中，所述处理器进一步用于通过将预定的O×P 2D半色调阈值矩阵转换为O×P×Q 3D半色调阈值矩阵而生成包括阈值的O×P×Q 3D阵列的O×P×Q 3D半色调阈值矩阵，来提供所述半色调阈值矩阵。

14.一种计算机可读存储介质，包括存储在所述计算机可读存储介质上的指令，所述指令在执行时引导处理器执行一种方法，所述方法包括：

确定3D对象的3D位图的每个体元的材料体积覆盖矢量，所述3D位图包括多个体元，每个体元位于唯一的3D位置处，所述材料体积覆盖矢量是将每种材料的量、每种材料的组合以及叠印确定为体积覆盖比例值；

确定包括体元位置的M×N×L阵列的矩形立方体，所述矩形立方体围合所述3D对象的至少一部分；

将所提供的半色调阈值矩阵复制到阈值的M×N×L 3D阵列；以及

将每个材料体积覆盖矢量与所复制的3D半色调阈值矩阵中的在对应3D位置处的每个阈值进行比较，以选定在每个3D位置处的可打印体元，从而将所述3D对象的至少一部分转换为适于打印的格式。

15.如权利要求14所述的计算机可读存储介质，其中，所述介质进一步包括存储在所述介质上的指令，所述指令在执行时引导处理器：

通过将预定的O×P 2D半色调阈值矩阵转换为O×P×Q 3D半色调阈值矩阵而生成包括阈值的O×P×Q 3D阵列的O×P×Q 3D半色调阈值矩阵。