CN109591297A - 一种自定义三维模型外观的3d打印方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自定义三维模型外观的3D打印方法，包括如下步骤：S1：导入三维模型；S2：实时修改mask贴图；S3：对场景进行实时渲染；S4：进行3D实时打印。步骤S3包括：S3.1编写或调用着色器；S3.2将步骤S1中三维模型的“着色器属性”修改为步骤S3.1中所述着色器，将步骤S3.1中着色器的“mask贴图属性”修改为步骤S2中修改的“mask贴图”。S3.3步骤S3.1中的着色器根据步骤S2中的“mask贴图”对各通道进行实时混合，实现为模型实时描绘不同图案的效果；S3.4生成步骤S1中三维模型的动态自定义外观的效果。由此，本发明简单、快捷的实现了对三维模型外观的个性化定制。本发明还公开了一种自定义三维模型外观的3D打印系统。

Description

一种自定义三维模型外观的3D打印方法及系统

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种自定义三维模型外观的3D打印方法及系统。

背景技术

快速成型技术是一种以计算机建立的三维模型为基础，利用各种可粘合材料通过逐层叠加的方式构造三维模型的技术，该技术目前已经在发达国家得到了广泛应用。

3D打印是快速成型领域的一种新型技术，其工作原理类似于喷墨打印，即响应计算机的数字信号，使喷嘴工作腔内的熔融态材料或粘结剂在瞬间形成液滴，并以一定的速度从喷嘴挤压出来，喷射到支撑模型上，形成轮廓的形状，薄层固化后继续逐层喷射堆积，得到精度高的成形部件。3D打印技术不需要昂贵的激光设备，因此设备价格便宜，运行和维护成本很低，而且，3D打印技术还有操作简单、成形速度快、成形过程无污染的特点。

3D打印的输入模型一般从以下渠道获得，一是对于现实物体进行三维扫描重建得到的数字模型，二是由设计者使用专业的3D建模软件如3D MAX等创造编辑的模型。前者通常需要并非普通用户常备的专业设备，设备费用非常昂贵；而后者通常需要使用专业的模型创作的编辑软件，这些软件的操作复杂且学习成本很高，也不是普通用户能够掌握。

就如在各大商场里，给固定的石膏模型涂上个性化的颜色和图案一样，普通用户存在对白模进行个性化的颜色和图案设置的需求，因此，对于普通用户来讲，迫切需要一种能够在已有的三维模型白模上进行个性化图案及颜色定制设计的方法，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，目前已经出现的一些简单易用的面向3D打印的模型定制工具，但只能对已有模型在预先设定好的几种风格中进行选择，还是无法让用户，尤其是外观设计、儿童创意教育等行业用户，根据自己的需求进行完全个性化的外观定制，因此目前的工具还远远不能满足用户自定义3D打印模型外观的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种自定义三维模型外观的3D打印方法和系统，使用户便利地实现定制自定义3D打印模型外观的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种自定义三维模型外观的3D打印方法，步骤如下：

步骤1：导入三维模型；将已有的三维模型导入到三维引擎中；

步骤2：实时修改“mask贴图”(又称“蒙版贴图”)；

步骤3：对场景进行实时渲染，生成三维模型在不同笔刷描绘过程中的外观表现。

步骤4：进行3D实时打印。调用现有的3D打印机程序，进行3D实时打印。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，所述步骤2实时修改“mask贴图”的具体方法是：编写脚本获取笔刷的形状、大小及笔刷与三维模型的实时碰撞位置和笔刷的运动轨迹，并根据笔刷的形状、大小、笔刷与三维模型的碰撞位置的坐标、笔刷的运动轨迹实时绘制修改“mask贴图”；“mask贴图”包含多个并列的通道，每个通道对应一幅用户指定的贴图，用户为至少一个通道指定贴图，未指定贴图的通道为空值；“mask贴图”各个通道之间不存在上下叠放关系；不同通道中的贴图的叠放次序依赖于用户调用相应贴图的时间上的次序，在先调用的贴图置于在后调用的贴图的下层；此步实时绘制修改“mask贴图”即为实时修改“mask贴图”不同通道内的信息。

优选地，所述步骤3对场景进行实时渲染，包括如下步骤：

步骤3.1：编写或调用着色器；此编写或调用的着色器可以计算“mask贴图”不同通道内的不同贴图的混合效果，获得二维的“混合贴图”。

步骤3.2：将步骤3.1所述着色器的“mask贴图属性”修改为步骤2中获取的所述“mask贴图”；将步骤1中导入的三维模型的“着色器属性”修改为步骤3.1中所述编写或调用的着色器。

步骤3.3：步骤3.1中的所述着色器根据步骤2中获得的所述“mask贴图”对“mask贴图”不同通道内的贴图进行实时混合，获得二维的“混合贴图”；

步骤3.4：将步骤3.3中获得的二维的“混合贴图”应用到步骤1中导入的三维模型上；即基于步骤3.3中获得的二维的“混合贴图”，对步骤1中导入的三维模型进行顶点和像素表现的计算和映射，生成步骤1中导入的三维模型的动态自定义外观。

由于上述每一步都是实时进行的，故用户每一次切换贴图或者颜色时，其在前所做的所有操作都已经经过步骤3.3形成了二维的“混合贴图”，用户下一步的操作都是在步骤3.3中获得的二维的“混合贴图”作为基础，进行混合计算的。

优选地，步骤3中编写着色器，实现“mask贴图”不同通道内的不同贴图的混合效果；具体为，在着色器中添加颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、多材质混合函数。着色器的颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数完成对“颜色”和“指定贴图”的展示效果的计算；着色器动态接收“mask贴图”的通道的实时变化情况，即接收用户切换不同的贴图或者颜色的动作，更换或调整笔刷的形状、大小、透明度，笔刷的运动轨迹等，通过多材质混合函数对多个通道内的不同的贴图进行实时混合。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、本发明的方法可以对任意的已有三维模型进行采样和描绘，计算得到笔刷实时描绘的模型位置，自定义三维模型外观，进而得到一个可以直接用于3D打印的几何模型；

2、本方法可以在材质库中选择需要的贴图或颜色，对三维模型进行实时喷绘，实时对三维物体进行自定义设计，并随时进行3D打印，对于外观设计、工业设计、儿童创意教育等行业都有重要的推进作用。

3、本方法基于得到的模型进行自定义外观设计，保持了专业模型的几何形状，并且可以方便用户发挥主观才智，自定义外观形象，实时获得满意的效果，并进行最终模型的3D打印，有助于3D打印技术的推广和应用。

本发明还提供了一种自定义三维模型外观的3D打印系统，包括获取笔刷与三维模型碰撞模块、实时修改“mask贴图”模块、三维模型模块、渲染模块、打印模块。

实时获取笔刷与三维模型碰撞模块用于获取用户在三维虚拟空间内使用笔刷与三维模型碰撞位置的实时数据处理，所述实时数据包括笔刷与三维模型碰撞的坐标点，并将坐标点转化为“mask贴图”的UV坐标。“mask贴图”为一幅二维的平面图，“mask贴图”的UV坐标是指“mask贴图”所在的二维平面为UV坐标系，其水平方向是U，垂直方向是V，通过这个UV坐标系，可以定位“mask贴图”上的任意一个象素。

实时修改“mask贴图”模块获取实时获取笔刷与三维模型碰撞模块传入的“mask贴图”的UV坐标，并根据用户指定的贴图或颜色、笔刷的形状和透明度对“mask贴图”对应UV位置进行实时绘制。

三维模型模块包括至少一个通过3Dmax、MAYA等专业的第三方三维建模软件建立的三维模型白模(不需要包含纹理贴图)，并负责将三维模型导入到渲染模块中；

渲染模块包括三维引擎，三维引擎包含着色器；渲染模块通过将由着色器制作的材质对象应用到三维模型上，实现三维模型的动态自定义外观。

实时3D打印模块5通过调用现有的3D打印机的软件开发程序包的接口文件，根据模型实时外观进行3D实时打印。

附图说明

图1为本发明的自定义三维模型外观的3D打印方法的流程图；

图2为本发明的自定义三维模型外观的3D打印系统的结构框图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：

S1——导入三维模型，

S2——实时修改“mask贴图”，

S3——对场景进行实时渲染，

S4——进行3D实时打印，

1——实时获取笔刷与模型碰撞模块，

2——实时修改“mask贴图”模块，

3——三维模型模块，

4——三维模型渲染模块，

5——实时3D打印模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一：

请参照图1所示，所述自定义三维模型外观的3D打印方法的流程图，一种自定义三维模型外观的3D打印方法，步骤如下：

S1：导入三维模型；将采用3Dmax建模的史努比模型的白模导入到三维引擎中；

S2：实时修改“mask贴图”；编写脚本获取笔刷形状、大小及笔刷与模型的实时碰撞位置和笔刷的运动轨迹，根据笔刷的材质、大小、笔刷与模型的碰撞位置的坐标、笔刷的运动轨迹实时绘制“mask贴图”。

S3：对场景进行实时渲染，生成模型在不同笔刷描绘过程中的外观表现。

步骤3.1：编写或调用着色器，实现“mask贴图”不同通道内不同贴图的混合效果；“mask贴图”包含多个通道，每个通道对应一幅用户指定的贴图，也可以不指定贴图，不指定贴图则对应通道为空值。具体为，在着色器中添加颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、多材质混合函数。着色器的颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数完成对“单一颜色”和“指定贴图”的展示效果的计算；着色器动态接收“mask贴图”的通道变化情况，即用户切换贴图或者更换颜色，通过多材质混合函数对多个通道内的不同的贴图进行实时混合。

步骤3.2：将步骤1中导入的三维模型的“着色器属性”修改为步骤3.1中所述着色器，将步骤3.1所述着色器的“mask贴图属性”修改为步骤2中获取的所述“mask贴图”；在本例中，指定第一幅贴图为土黄色陶土图片，对应“mask贴图”的第一通道；第二幅图片为黑色陶土图片，对应“mask贴图”的第二通道；第三幅图为绿色布图片对应“mask贴图”的第三通道；第四幅图为迷彩布图片，对应“mask贴图”的第四通道。

步骤3.3：步骤3.1中的所述着色器根据步骤2中获得的所述“mask贴图”的不同通道内的贴图进行实时混合，获得二维的“混合贴图”；

由于上述每一步都是实时进行的，故用户每一次切换贴图或者颜色时，其在前所做的所有操作都已经经过步骤3.3形成了二维的“混合贴图”，用户下一步的操作都是在步骤3.3中获得的二维的“混合贴图”作为基础，进行混合计算的。具体到本实施例：

首先采用第一幅贴图，即土黄色陶土图片将整个史努比白模涂刷一遍，经过步骤3.3获得一幅二维的土黄色陶土的“混合贴图”；

然后用第二幅贴图，即黑色陶土图片，绘制史努比的耳朵、鼻子和眼睛，每一步操作都在前面获得的“混合贴图”的基础上做叠加混合，到此处，获得二维的，以土黄色陶土为底色，点缀有黑色耳朵、鼻子和眼睛的“混合贴图”；

然后用第三幅贴图，即绿色布图片，绘制史努比背着的行李包，到此处，获得二维的，以土黄色陶土为底色，点缀有黑色耳朵、鼻子和眼睛以及绿色背包的“混合贴图”；

最后用第四幅贴图，即迷彩布图片，绘制史努比的身体和帽子，形成身着迷彩服的效果，到此步获得以土黄色陶土为底色，点缀有黑色耳朵、鼻子和眼睛以及绿色背包，部分区域为迷彩服的二维的“混合贴图”。

步骤3.4：将步骤3.3中获得的最终的二维的“混合贴图”应用到步骤1中导入的三维模型上；即基于步骤3.3中获得的二维的“混合贴图”，对步骤1中导入的三维模型进行顶点和像素表现的计算和映射，生成步骤1中导入的三维模型的动态自定义外观。

S4：进行3D实时打印。调用现有的3D打印机程序，进行3D实时打印。

实施例二，

请参照图2所示，一种自定义三维模型外观的3D打印系统包括实时获取笔刷与三维模型碰撞模块1，实时修改“mask贴图”模块2，三维模型模块3，三维模型渲染模块4和实时3D打印模块5；

实时获取笔刷与三维模型碰撞模块1用于获取用户在三维虚拟空间内使用笔刷与三维模型碰撞位置的实时数据处理，所述实时数据包括笔刷与三维模型碰撞的坐标点，并将坐标点转化为“mask贴图”的UV坐标，这里所述的“mask贴图”的UV坐标是指“mask贴图”在其所在的二维平面中的坐标。“mask贴图”所在的二维平面为UV坐标系，其水平方向是U，垂直方向是V，通过这个平面的，二维的UV坐标系，可以定位“mask贴图”上的任意一个象素。

实时修改“mask贴图”模块2获取实时获取笔刷与三维模型碰撞模块1传入的“mask贴图”的UV坐标，并根据用户选取的贴图或颜色、笔刷的形状和透明度对“mask贴图”对应UV坐标位置进行实时绘制。

三维模型模块3包括通过3Dmax、MAYA等类似的三维建模软件建立的至少一个三维模型白模，此白模可以不包含纹理贴图，并负责将三维模型导入到三维模型渲染模块4中，并将其材质的着色器属性修改为三维渲染模块4中的着色器，将4个贴图属性修改为对应的图案贴图文件(本实现例中实现自定义四种及四种以下图案贴图描绘，本系统可以实现更多种图案描绘以及无限量颜色的描绘)；

三维渲染模块4包括三维引擎、三维引擎包含着色器：三维引擎为Unity3D，着色器为Unity Surface Shader，着色器使用CG语言编辑；三维模型渲染模块4通过将由着色器制作的材质对象应用到三维模型上，C#脚本通过

Select.gameObject.GetComponent<MeshRenderer>().sharedMaterial.GetTexture("_ControlMask")获取模型的“mask贴图”文件，并根据笔刷与三维模型实时碰撞的相对位置，通过MaskTex.GetPixels(x,y,width,height,0)获取“mask贴图”上的UV坐标，通过painterPoint[index]＝Color.Lerp(painterPoint[index],targetColor,Stronger)获取笔刷描绘效果，最后通过MaskTex.SetPixels(x,y,width,height,painterPoint,0)设置“mask贴图”的最终修改。着色器根据修改的“mask贴图”，通过调用Blend(lay1.a,lay2.a,lay3.a,lay4.a,_ControlMask)方法，实现四种及四种以下的图案的混合。

实时3D打印模块5通过调用3D打印机的软件开发程序包的接口文件，根据模型实时外观进行3D实时打印。

本实施例中，所述三维模型渲染模块4是用通用编程语言CG编程，CG语言是通用的着色器语言，灵活方便，扩展性强，能够针对不同的应用场景，对算法稍加修改，即可实现不同的效果，如不同数量图案的纹理混合效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自定义三维模型外观的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：导入三维模型；

S2：实时修改“mask贴图”；

S3：对场景进行实时渲染；

S4：进行3D实时打印。

2.根据权利要求1所述的自定义三维模型外观的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2实时修改“mask贴图”的具体方法是：

编写脚本获取笔刷的形状、大小及所述笔刷与步骤S1中导入的所述三维模型的实时碰撞位置和所述笔刷的运动轨迹，并据此实时绘制修改“mask贴图”。

3.根据权利要求1或2所述的自定义三维模型外观的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S3对场景进行实时渲染，包括如下步骤：

S3.1编写或调用着色器，所述着色器可以计算“mask贴图”不同通道内的不同贴图的混合效果；

S3.2将步骤S3.1所述着色器的“mask贴图属性”修改为步骤S2中获取的所述“mask贴图”；将步骤S1中导入的所述三维模型的“着色器属性”修改为步骤S3.1中所述着色器；

S3.3步骤S3.1中的所述着色器根据步骤S2中获得的所述“mask贴图”对“mask贴图”不同通道内的贴图进行实时混合，获得二维的“混合贴图”；

S3.4将步骤S3.3中获得的所述的“混合贴图”应用到步骤S1中导入的所述三维模型上；即基于步骤S3.3中获得的所述“混合贴图”，对步骤S1中导入的三维模型进行顶点和像素表现的计算和映射，生成步骤S1中导入的所述三维模型的动态自定义外观。

4.根据权利要求3所述的自定义三维模型外观的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S3.1编写或调用着色器，具体为：在所述着色器中添加颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数、多材质混合函数；所述颜色映射函数、纹理映射函数、UV计算函数、顶点计算函数完成对颜色和贴图的展示效果的计算；所述着色器动态接收“mask贴图”的通道的实时变化，通过多材质混合函数对多个通道内的不同的贴图进行实时混合。

5.一种自定义三维模型外观的3D打印系统，其特征在于，包括获取笔刷与三维模型碰撞模块、实时修改“mask贴图”模块、三维模型模块、渲染模块、打印模块；

所述实时获取笔刷与三维模型碰撞模块用于获取用户在三维虚拟空间内使用笔刷与三维模型碰撞位置的实时数据处理，所述实时数据包括笔刷与三维模型碰撞的坐标点，并将坐标点转化为“mask贴图”的UV坐标；

所述实时修改“mask贴图”模块获取实时获取笔刷与三维模型碰撞模块传入的“mask贴图”的UV坐标，并根据用户选取的贴图或颜色、笔刷的形状和透明度对“mask贴图”对应UV位置进行实时绘制；

所述三维模型模块包括至少一个通过第三方三维建模软件建立的三维模型的白模，并负责将所述三维模型导入到所述渲染模块中；

所述渲染模块包括三维引擎，三维引擎包含着色器；渲染模块通过将由着色器制作的材质对象应用到三维模型上，实现对所述三维模型的动态自定义外观；

所述实时3D打印模块通过调用现有的3D打印机的软件开发程序包的接口文件，根据模型实时外观进行3D实时打印。