CN108681627A - 一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种针对彩色三维打印的屏幕软打样算法，以做到实现对三维彩色打印的打印预览效果。首先对输入三维打印机的数据进行数据检查，依次检查数据是否包含空间信息、颜色值、不透明度；其次使用提出的三维误差扩散算法对输入的体数据进行二值化；使用通道过滤器确保每个体素点只有一个颜色；最后利用光线投射体绘制算法，以屏幕平面上的每个像素为原点投射光线穿过二值化后的数据，并在光线路线上进行体绘制积分，将积分后的值依次显示在屏幕上。该屏幕软打样算法能够快速的在显示器中模拟实际打印的颜色效果，显著性的提高打样的效率和减少打样的成本。

Description

一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法

技术领域

本发明属于屏幕软打样领域，具体涉及一种用来进行全彩色三维打印的屏幕软打样算法。

背景技术

三维打印是一种快速成型技术的一个分支，最早由曼彻斯特科学院提出，三维打印基于终端电脑生成的CAD模型。三维打印采用的是增材制造工艺，通过一系列模型的截面切面使产品一层层的建立起来。虽然三维打印机工作方式类似于传统的激光或者喷墨打印机，但是相比使用多色油墨，三维打印机使用的更多是粉末用以一层层建立模型。彩色三维打印属于三维打印的一个分支，因为解决了经典三维打印仅不能连续调彩色打印的问题，在近两年兴起并蓬勃发生。彩色三维打印通常被应用在制作设计模型和人像复制上，并且因为打印材料和人体组织相似的透明性，在医学领域的应用尤其具有前景。

因为彩色三维打印和传统二维印刷原理上的共同性，二维印刷中的许多技术对彩色三维打印是具有借鉴意义的，其中一点就是屏幕软打样。在印刷领域中，屏幕软打样是指在显示器上仿真显示实际印刷的输出效果。这种技术通过色彩管理和校正建立起源数据到目标输出色空间、目标输出色空间到显示器色空间的转换，使原稿在显示器上显示的颜色效果与实际印刷的效果一致，达到“所见即所得”的效果。

众所周知，因为原材料的昂贵和打印方式的限制，三维打印的材料成本和时间成本都是相当高的。同时因为材料的颜色性能的影响，数字显示中的原稿和打印出来的产品颜色上的差异会相当大。如果没有一个良好的打印预览方式，生产人员必须将原稿实际打印出来才能看到最终的效果，一旦效果不尽如人意，那么消耗的材料和时间都相当于浪费了。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种针对彩色三维打印的屏幕软打样算法，以做到实现对三维彩色打印的打印预览效果。该屏幕软打样算法能够快速的在显示器中模拟实际打印的颜色效果，显著性的提高打样的效率和减少打样的成本。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，通过一种全新的三维误差扩散算法对输入3D模型体数据进行二值化，并采用本发明提出的通道滤波器进行过滤，再由光线投射体绘制算法计算二值化后的3D模型在屏幕上的投影图像，具体包括以下步骤：

步骤1，对输入三维打印机的体数据进行数据检查，依次检查体数据的空间信息、颜色值和不透明度，如果不包含以上任何一条信息则报错；

步骤2，利用提出的三维误差扩散算法对体数据进行二值化；

步骤3，使用通道过滤器对二值化的体数据进行过滤，以确保体数据中的每个体素点只有一个颜色；

步骤4，利用光线投射体绘制算法，以屏幕平面上的每个像素为原点投射光线穿过步骤3所得的二值化数据，并在光线路线上进行体绘制积分，将积分后的值依次显示在屏幕上。

进一步的，步骤1中对输入三维打印机的体数据进行数据检查的具体步骤为，

a.提取输入数据的坐标系信息，检查是否为笛卡尔坐标系，如果不是则确认获取的坐标系信息是否包含在可转换的坐标系库中，如果是则转换当前坐标系为笛卡尔坐标系；

b.进行转换后检查当前数据是否有小数值，如果有则取整；

c.检查当前空间信息的起点是否为(0,0,0)，如果不是则利用投射变换将数据投射到以(0,0,0)位原点的模式；

d.提取输入数据的颜色信息，检查是否为RGB模式，如果不是则自动转换为RGB模式；并且检查颜色值数据是否为[0,255]的整数值，如果出现小数则进行四舍五入，如果数值超过[0,255]范围则进行截断，即小于0的取值0，大于255的取值255；

e.检查不透明度是否为[0,1]范围内，且有效数字不超过6位，如果有效数据超过6位，则自动四舍五入；如果不在[0,1]范围内则进行截断，即小于0的不透明度取值0，大于1的不透明度取值1。

进一步的，步骤2的具体实现方式如下，

设输入体数据的颜色值为f(x，y，z，c)，输出体数据的颜色值为g(x，y，z，c)，两者的取值范围都为[0,255]，其中x，y，z分别代表笛卡尔坐标系中的横轴、纵轴、竖轴，c代表像素通道RGB；所述三维误差扩散进行二值化的原理为：对于体数据上任意一点任意一通道的值f(x_n，y_n，z_n，c_n)，设阈值为T，如果f(x_n，y_n，z_n，c_n)>T，则g(x_n，y_n，z_n，c_n)＝255；否则f(x_n，y_n，z_n，c_n)＝0，并且设误差ERROR＝f(x_n，y_n，z_n，c_n)-T，将误差EEROR的按以下误差扩散比例加和到周围的相应坐标中：将ERROR值的3/12各加到(x_n+1，y_n，z_n，c_n)，(x_n，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n，y_n，z_n+1，c_n)这三个点上，将ERROR值的1/12各加到(x_n+1，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n，-1，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n+1，y_n，z_n+1，c_n)，(x_n，y_n+1，z_n+1，c_n)这四个点上；利用以上三维误差扩散算法依次遍历完x，y，z三个方向的所有体素点，完成体数据的二值化。

进一步的，阈值T的取值为128。

进一步的，步骤3中所述通道过滤器是一个3*3大小的立方体滤波器，以i层左上角为原点，其(2,0,0)、(1,1,0)、(0,2,0)、(1,0,1)、(0,1,1)、(1,2,1)、(2,1,1)、(0,0,2)、(2,2,2)点的值为C，(1,0,0)、(0,1,0)、(1,2,0)、(2,1,0)、(2,0,1)、(0,2,1)、(2,0,2)、(0,2,2)、(1,1,2)点的值为M，(0,0,0)、(2,2,0)、(0,0,1)、(1,1,1)、(2,2,1)、(1,0,2)、(0,1,2)、(1,2,2)、(2,1,2)点的值为Y。

进一步的，步骤4中所述光线投射体绘制算法分为确定采样距离，光线投射采样，混合输出三个步骤，具体实现步骤如下，

(a)确定采样距离，从错切面视点发出的射线依次与步骤3生成的二值化数据求得近处交点和远处交点，求差得到采样深度；

(b)光线投射采样，在光线投射的过程中，使用三次线性差值进行采样，采样处的颜色值和不透明度由邻近的8个点插值获得；

(c)混合输出，将采样后的数据沿着光线投射的方向进行积分混合，最终得到每条光线方向上的累积颜色值和不透明度，在此过程中，如果累积透明度达到1时，当前光线上的积分过程会直接提前完成，提高运算效率。

经过以上步骤，输入的分色后数据就可以在屏幕上模拟显示实际的打印效果。

本发明的优点和效果在于：采用本发明所述的方法，可以实现一种快速的全彩三维打印屏幕软打样方式，能够快速的在显示器中模拟实际打印的颜色效果，显著性的提高打样的效率和减少打样的成本。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例中三维误差扩散算法的原理图。

图3为本发明实施例中误差扩散比例加和到周围相应坐标的原理图。

图4为本发明实施例中体素点只能填充一个颜色的示意图。

图5为本发明实施例中通道过滤器的结构示意图。

图6为本发明实施例中假设的彩色立方体。

图7为本发明实施例中光线投射体绘制算法原理图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

假设存在一个彩色立方体，如图6，总共包含256*256*256个体素，以某顶点为原点，且原点的体素颜色值为(0,0,0)，则从原点开始沿着x/y/z方向没增加一个体素单位，则其R/G/B值就增加1，直到原点斜对的另一个顶点为止，且此顶点颜色值为(255,255,255)，则此彩色立方体可以取到计算机RGB空间中的所有颜色，此外所有体素点的不透明度都设定为0.8。以此彩色立方体为实例数据，本发明将通过一种全新的三维误差扩散算法对输入体数据进行二值化，再由光线投射体绘制算法计算二值化后的3D模型在屏幕上的投影图像，其具体实施包括以下步骤：

(1)对输入三维打印机的数据进行数据检查，依次检查数据是否包含空间信息、颜色值、不透明度。因为输入数据是笛卡尔坐标系的体数据，且每个体素都包含了颜色值和不透明度，且颜色值的取值也在[0,255]内，不透明度的取值也在[0,1]，所以数据检查通过。

(2)使用三维误差扩散算法对输入的体数据进行二值化。设输入体数据的颜色值为f(x，y，z，c)，输出体数据的颜色值为g(x，y，z，c)，两者的取值范围都为[0,255]，其中x，y，z分别代表笛卡尔坐标系中的横轴、纵轴、竖轴，c代表像素通道RGB。如图2所示，三维误差扩散进行的二值化原理就是，对于体数据上任意一点任意一通道的值f(x_n，y_n，z_n，c_n)，以128为阈值T，如果f(x_n，y_n，z_n，c_n)>T，则g(x_n，y_n，z_n，c_n)＝255。否则f(x_n，y_n，z_n，c_n)＝0，并且设误差ERROR＝f(x_n，y_n，z_n，c_n)-T，将误差EEROR按图3所显示的误差扩散比例加和到周围的相应坐标中，如图所示，其比例应当是将ERROR值的3/12各加到(x_n+1，y_n，z_n，c_n)，(x_n，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n，y_n，z_n+1，c_n)这三个点上，将ERROR值的1/12各加到(x_n+1，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n，-1，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n+1，y_n，z_n+1，c_n)，(x_n，y_n+1，z_n+1，c_n)这四个点上。在依次遍历完x，y，z三个方向的所有体素点并应用以上所述算法后，二值化就完成了。

根据色立方的假设可知，以其上的某点O(150,170,50)举例，其代表的颜色值为(150,170,50)，若以此点开始误差扩散，首先分别判断它每个通道的颜色值是否小于T。对R通道来说，显然150＞128，所以将此时O点的R通道赋值为255，并且求得ERROR＝150-255＝-105。让ERROR按照图3显示比例对各个方向进行扩散并加和，以其右邻点O₂(151,170,50)举例，在扩散后O₂的R通道颜色值R＝151+(-105)/12*3＝124.75。同理可知O点的G通道赋值255，B通道赋值0，扩散后O₂的G通道颜色值G＝170+(-85)/12*3＝148.75、Y通道颜色值Y＝50＋50/12*3＝62.5，则点O(150,170,50)变为(255，255,0)，右邻点O₂(151,170,50)的值由(151,170,50)变为(124.75,148.75,62.5)。当此像素点的误差扩散结束后，则按照顺序遍历到了右邻点O₂，开始新一轮的误差扩散。在依次遍历完x，y，z三个方向的所有体素点并应用以上所述算法后，二值化就完成了。

(3)使用通道过滤器确保每个体素点只有一个颜色。此时每个体素点三个通道的值仅在{0,255}内取值，以R通道为例，在实际的三维打印中f(x_n，y_n，z_n，c_n)＝0代表着坐标为(x_n，y_n，z_n)的点此时不填充颜色青，相反f(x_n，y_n，z_n，c_n)＝255时代表填充颜色青。填充青色的原因是显示屏呈色和打印呈色的呈色原理的不同导致的，对于显示屏来说，其呈色方式是色光加色法，即RGB混合之后呈色为白色光；对于打印来说，其呈色方式是色光减色法，即CMY混色之后环境白光照射到其上反射出的是黑色，所以R通道为255时，体素点上需要填充青色C，同理G通道为255时填充品红色M，B通道为255时填充黄色Y。因为三个通道都有可能取到255，因此必然会出现某个体素点有两个通道以上的颜色，这在实际三维打印中是不可能的出现的，因为大多数三维打印一个体素点只能填充一个颜色，如图4所示。因此我们要对二值化后体数据用通道过滤器进行过滤，过滤器如图5所示是一个3*3大小的立方体滤波器，以i层左上角为原点，其(2,0,0)、(1,1,0)、(0,2,0)、(1,0,1)、(0,1,1)、(1,2,1)、(2,1,1)、(0,0,2)、(2,2,2)点的值为C，(1,0,0)、(0,1,0)、(1,2,0)、(2,1,0)、(2,0,1)、(0,2,1)、(2,0,2)、(0,2,2)、(1,1,2)点的值为M，(0,0,0)、(2,2,0)、(0,0,1)、(1,1,1)、(2,2,1)、(1,0,2)、(0,1,2)、(1,2,2)、(2,1,2)点的值为Y。过滤器将会以数据的(1,1,1)坐标为起点，以3为间隔依次遍历x,y,z三个方向的轴，在遍历过程中，体素对应过滤器上的点仅取过滤器上标识的通道，其他通道置为0。举个例子，设有一个3*3*3大小的、所有R、G、B通道值都为255的立方体数据，并设其一个顶点的坐标为(0,0,0)，可知立方体的中心点为(1,1,1)。如果将过滤器应用到这个立方体上，因为R通道对应的颜色是青色C，那么这个立方体的(2,0,0)、(1,1,0)、(0,2,0)、(1,0,1)、(0,1,1)、(1,2,1)、(2,1,1)、(0,0,2)、(2,2,2)这9个点只会取R通道的255值，其他的G、B通道都会取空值；同理，其(1,0,0)、(0,1,0)、(1,2,0)、(2,1,0)、(2,0,1)、(0,2,1)、(2,0,2)、(0,2,2)、(1,1,2)只取G通道的255值，其(0,0,0)、(2,2,0)、(0,0,1)、(1,1,1)、(2,2,1)、(1,0,2)、(0,1,2)、(1,2,2)、(2,1,2)只取Y通道的255值。

以O点举例，O点此时的RGB值为(255,255,0)，对应的是在实际打印中C、M两种原料打印，假设它在过滤器遍历到附近的时候，对应的是过滤器i+2层左上角的值C，这代表此点经过过滤后，应当只剩C这一种原料进行打印，因为在色光加色法和色料减色法相互转换的过程中，CMY对应的值是RGB，所以此时O点经过过滤后的值变为(255,0,0)。同理进行过滤，则3*3*3大小内体素的颜色值只会剩下一个通道的有效值。接下来以3为间隔依次遍历x，y，z三个方向的轴，在遍历过程中，体素对应过滤器上的点仅取过滤器上标识的通道，其他通道置为0。经过处理后的色立方二值化数据应该是非常接近这个色立方的实际打印效果了，此时再利用光线投射算法模拟绘制这组数据，就可以得到色立方模型实际打印的模拟视觉效果了。

(4)体绘制提供屏幕软打样效果，利用光线投射体绘制算法，以屏幕平面上的每个像素为原点投射光线穿过二值化后的数据，并在光线路线上进行体绘制积分，将积分后的每个值显示在屏幕上。根据此算法，屏幕上将会模拟输入数据的实际打印效果。

原理参考图7描述，光线投射体绘制算法的具体实施方式可以分为确定采样距离，光纤投射采样，混合输出三个步骤。

a.确定采样距离，从错切面视点发出的射线r依次与步骤3生成的二值化数据求得近处交点f和远处交点l，求差d＝l-f得到采样深度。

b.光线投射采样，在光线投射的过程中，使用三次线性差值进行采样，采样处的颜色值和不透明度由邻近的8个点插值获得。

c.混合输出，将采样后的数据沿着光线投射的方向进行积分混合，最终得到每条光线方向上的累积颜色值和不透明度。在此过程中，如果累积透明度达到1时，当前光线上的积分过程会直接提前完成，提高运算效率。其积分公式为：

代表的是经由光线投射算法混合得到的最终呈现在屏幕上某一点的颜色值，C_i代表的是从错切面发射的射线途经的体素点上的颜色值，A_i代表的是从错切面发射的涉嫌途经的体素点的不透明度。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对输入三维打印机的体数据进行数据检查，依次检查体数据的空间信息、颜色值和不透明度，如果不包含以上任何一条信息则报错；

步骤2，利用提出的三维误差扩散算法对体数据进行二值化；

步骤3，使用通道过滤器对二值化的体数据进行过滤，以确保体数据中的每个体素点只有一个颜色；

步骤4，利用光线投射体绘制算法，以屏幕平面上的每个像素为原点投射光线穿过步骤3所得的二值化数据，并在光线路线上进行体绘制积分，将积分后的值依次显示在屏幕上。

2.如权利要求1所述的一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，其特征在于：步骤1中对输入三维打印机的体数据进行数据检查的具体步骤为，

a.提取输入数据的坐标系信息，检查是否为笛卡尔坐标系，如果不是则确认获取的坐标系信息是否包含在可转换的坐标系库中，如果是则转换当前坐标系为笛卡尔坐标系；

b.进行转换后检查当前数据是否有小数值，如果有则取整；

c.检查当前空间信息的起点是否为(0，0，0)，如果不是则利用投射变换将数据投射到以(0，0，0)位原点的模式；

d.提取输入数据的颜色信息，检查是否为RGB模式，如果不是则自动转换为RGB模式；并且检查颜色值数据是否为[0，255]的整数值，如果出现小数则进行四舍五入，如果数值超过[0，255]范围则进行截断，即小于0的取值0，大于255的取值255；

e.检查不透明度是否为[0，1]范围内，且有效数字不超过6位，如果有效数据超过6位，则自动四舍五入；如果不在[0，1]范围内则进行截断，即小于0的不透明度取值0，大于1的不透明度取值1。

3.如权利要求1所述的一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，其特征在于：步骤2的具体实现方式如下，

设输入体数据的颜色值为f(x，y，z，c)，输出体数据的颜色值为g(x，y，z，c)，两者的取值范围都为[0，255]，其中x，y，z分别代表笛卡尔坐标系中的横轴、纵轴、竖轴，c代表像素通道RGB；所述三维误差扩散进行二值化的原理为：对于体数据上任意一点任意一通道的值f(x_n，y_n，z_n，c_n)，设阈值为T，如果f(x_n，y_n，z_n，c_n)＞T，则g(x_n，y_n，z_n，c_n)＝255；否则f(x_n，y_n，z_n，c_n)＝0，并且设误差ERROR＝f(x_n，y_n，z_n，c_n)-T，将误差EEROR的按以下误差扩散比例加和到周围的相应坐标中：将ERROR值的3/12各加到(x_n+1，y_n，z_n，c_n)，(x_n，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n，y_n，z_n+1，c_n)这三个点上，将ERROR值的1/12各加到(x_n+1，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n，-1，y_n+1，z_n，c_n)，(x_n+1，y_n，z_n+1，c_n)，(x_n，y_n+1，z_n+1，c_n)这四个点上；利用以上三维误差扩散算法依次遍历完x，y，z三个方向的所有体素点，完成体数据的二值化。

4.如权利要求3所述的一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，其特征在于：阈值T的取值为128。

5.如权利要求1所述的一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，其特征在于：步骤3中所述通道过滤器是一个3*3大小的立方体滤波器，以i层左上角为原点，其(2，0，0)、(1，1，0)、(0，2，0)、(1，0，1)、(0，1，1)、(1，2，1)、(2，1，1)、(0，0，2)、(2，2，2)点的值为C，(1，0，0)、(0，1，0)、(1，2，0)、(2，1，0)、(2，0，1)、(0，2，1)、(2，0，2)、(0，2，2)、(1，1，2)点的值为M，(0，0，0)、(2，2，0)、(0，0，1)、(1，1，1)、(2，2，1)、(1，0，2)、(0，1，2)、(1，2，2)、(2，1，2)点的值为Y。

6.如权利要求1所述的一种全彩色三维打印的屏幕软打样算法，其特征在于：步骤4中所述光线投射体绘制算法分为确定采样距离，光线投射采样，混合输出三个步骤，具体实现步骤如下，

(a)确定采样距离，从错切面视点发出的射线依次与步骤3生成的二值化数据求得近处交点和远处交点，求差得到采样深度；

(b)光线投射采样，在光线投射的过程中，使用三次线性差值进行采样，采样处的颜色值和不透明度由邻近的8个点插值获得；

(c)混合输出，将采样后的数据沿着光线投射的方向进行积分混合，最终得到每条光线方向上的累积颜色值和不透明度，在此过程中，如果累积透明度达到1时，当前光线上的积分过程会直接提前完成，提高运算效率。