CN110757804B - 一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法 - Google Patents

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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing

Abstract

本发明涉及一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，包括：解析纹理贴图的三维模型文件，建立基于颜色信息三角网格相邻拓扑关系，实现颜色信息的三角网格相邻信息的快速查询；实现颜色信息三角网格与切平面的快速求交运算，获得每一层中所有顶点的位置坐标与纹理坐标，顺序连接顶点组成全彩色二维轮廓并填充；生成全彩色位图，根据“无色”模型在打印平台上的位置，精确定位全彩色轮廓在位图中的位置，适当增加轮廓的厚度,实现“层层打印，层层上色”功能。本发明具有切片效率高，模型表面色彩逼真，还原度高，省掉了给模型上色的后处理过程，极大减少了对操作者熟练程度要求，提高了零件的成型质量，实现了真正意义上的彩色三维打印。

Description

一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法
技术领域
本发明涉及一种三维模型的切片方法，特别是涉及一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法。
背景技术
随着近几年三维打印技术的快速发展，三维打印已经不再只存在于实验室中，而是越来越多的应用于工业、医疗、教育、设计等领域，就如其它技术一样，比如电影、电视、相机等，都由“无色”逐渐发展到彩色。颜色本身就携带了许多信息，人们可以依靠这些信息去区分事物的不同组成部分。在设计领域可以在样品表面上色以增强表现效果；在教育领域也可以在模型表面上色以区分不同的组成部分，增强示教功能。
现阶段要得到彩色的三维打印制件，需要在打印完成后进行后期处理，即人工上色，而这个过程主要有两个缺点：1.耗费大量的时间，通常需要数天至数周不等的时间，这给很多对设计周期和生产周期有时间要求的行业带来极大的不便，比如奢饰品行业；2.上色效果也严重依赖操作者的熟练程度，严重影响了产品的良品率。
分层切片算法是进行三维打印的关键算法，它生成的截面轮廓直接决定了制件的形状和质量，而目前的分层切片算法不能处理三维模型的纹理贴图，也就无法进行彩色三维打印。因此，实现当前分层切片算法处理纹理贴图的功能，使得界面轮廓的颜色与原三维模型能一一对应具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决以上技术缺陷：后期人工上色费时费力、上色效果也严重依赖操作者的熟练程度；目前的分层切片算法不能处理三维模型的纹理贴图，也就无法进行彩色三维打印，提供基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，包括步骤：
A、解析纹理贴图三维模型文件，建立基于颜色信息三角网格相邻拓扑关系；
B、对纹理贴图三维模型与切层平面进行求交运算，将得到的交点首尾相连获得一系列全彩色二维截面轮廓线，并对轮廓进行填充；
C、定位全彩色二维截面轮廓线在位图中的像素坐标位置，生成用于给全彩色二维截面轮廓上色用的全彩色位图；
所述步骤A包括：
A1、读取纹理贴图三维模型文件：获取三维模型的纹理图像以备提取颜色用；获取组成该纹理贴图三维模型的所有三角面的顶点的位置坐标和纹理坐标、顶点索引值；
A2、建立顶点数据结构存储顶点的位置坐标和纹理坐标，建立三角面数据结构存储组成该三角面的顶点索引值；
A3、依次遍历纹理贴图三维模型的所有三角面，根据三角面查找其各个顶点，得到三角面-顶点拓扑结构；对每个三角面，依据每两个顶点的所在边查找出当前三角面的三个边的邻接三角面，得到三角面-邻接三角面拓扑结构。
所述纹理贴图三维模型文件为OBJ或AMF格式。
所述步骤B包括：
B1、对三角面沿分层方向的坐标值分别对与当前切层平面相交的三角面进行分组排序，建立分组关系矩阵：切层平面的索引号，以及与该切层平面相交的三角面链表；
B2、计算每一组内的三角面与该切层平面的交点的位置坐标和纹理坐标，将得到的交点首尾相连，生成由位置坐标和纹理坐标表示的该切层平面的全彩色二维截面轮廓线；
B3、对该切层平面的全彩色二维轮廓线进行填充，以便获取切层平面的全彩色二维轮廓的打印路径。
所述分层方向采用X或Y或Z轴方向切层；所述计算每一组内的三角面与该切层平面的交点的位置坐标和纹理坐标是采用插值计算的方法。
所述对该切层平面的全彩色二维轮廓线进行填充包括采用方向平行填充算法和轮廓平行填充算法。
所述步骤C包括：
C1、根据三维打印系统的硬件参数确定全彩色位图的大小和分辨率；
C2、将得到的全彩色二维截面轮廓线的位置坐标转换为其在全彩色位图中的像素坐标；
C3、对全彩色二维截面轮廓线，按线段分别插值计算两个线段端点之间的中间点的像素坐标及其对应的纹理坐标；根据三角面数据结构中的纹理坐标索引在三维模型的纹理图像中查找全彩色二维截面轮廓的每个像素点的颜色值，最终生成本切层平面的截面轮廓线的全彩色位图。
步骤C1中的所述三维打印系统的硬件参数包括可打印区域的大小、分辨率、喷墨头和打印头的布置方式。
步骤C2中的所述将B2得到的由位置坐标和纹理坐标表示的全彩色二维截面轮廓线的位置坐标转换为其在全彩色位图中的像素坐标的转换公式为：像素坐标＝位置坐标*分辨率。
步骤C3中的所述每个像素点的颜色值使用RGB颜色模型表示。
本发明具有以下有益效果及优点：
可以在打印过程中对基材上色，实现了“层层打印，层层上色”的功能，克服了传统的在后处理阶段对制件手工上色的缺陷，提高了生产效率和产品的良品率；在进行上色的过程中，每一个点的颜色值都使用RGB颜色模型表示，并且与纹理贴图三维模型的颜色严格对应，因此避免了人工混色导致的颜色失真，使得制件表面的颜色与设计模型的颜色高度一致；提供了多种轮廓填充方式，满足不同类型模型的打印需求，具有很好的适应性。
附图说明
图1是本发明的整体原理图；
图2是解析OBJ文件的流程图；
图3是分组关系矩阵示意图；
图4是纹理贴图三维模型求交运算示意图；
图5是生成全彩色二维截面轮廓示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参照图1，一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，包括：
A、正确解析纹理贴图三维模型文件，建立基于颜色信息三角网格相邻拓扑关系；
B、对纹理贴图三维模型与切层平面进行求交运算，获得一系列全彩色二维截面轮廓线，并对轮廓进行填充；
C、生成用于给全彩色二维截面轮廓线上色用的全彩色24位位图，精确定位全彩色二维截面轮廓线在全彩色位图中的像素坐标位置。
A1、参照图2，进一步作为优选的实施方式，以OBJ格式的纹理贴图三维模型文件为例，所述步骤A中正确解析纹理贴图三维模型文件这一步骤，其包括：
A1.1.通过文件名后缀检查纹理贴图三维模型文件的文件格式是否正确，如果正确，逐行读入文件内容；
A1.2.判断行首的关键字：
A1.2.1读取三维模型的纹理图像(以备提取颜色用)的步骤：
如果关键字为mtllib,打开后缀名为.mtl的材质库文件，逐行读取该材质库文件的内容，直到遇到行首的map_kd关键字，将该关键字后的三维模型的纹理图像载入到内存中；
A1.2.2读取位置坐标：
如果关键字为v，代表本行表示的是顶点的位置坐标，则将关键字后的三个浮点数分别作为该顶点的位置坐标(XYZ值)存入顶点数据结构的位置坐标容器中；
A1.2.3读取纹理坐标：
如果关键字为vt，代表本行表示的是顶点的纹理坐标，则暂时将关键字后的两个浮点数分别作为该顶点的纹理坐标(UV值)存入顶点数据结构的纹理坐标容器中；
A1.2.4读取顶点索引值：
如果关键字为f，代表本行表示的是三角面，则将关键字后的三组v/vt对解析为组成该三角面的三个顶点位置坐标索引以及对应的纹理坐标索引，并最终根据此索引值将纹理坐标分别存入相应的顶点的纹理坐标容器中(建立三角面数据结构存储组成该三角面的三个顶点的位置坐标索引值和纹理坐标索引；)。
A1.3.判断本行是否是文件的最后一行，如果是则结束读取，关闭当前OBJ格式的纹理贴图三维模型文件，否则返回步骤A1。
A2、由于在一些复杂贴图的情况下，一个顶点可能会有多于1个的UV坐标，因此在步骤A1.2.2至步骤A1.2.4中，顶点数据结构应该能够存储一组XYZ坐标和其对应的若干组UV坐标。需要建立顶点数据结构存储顶点的位置坐标和纹理坐标，其中纹理坐标保存在容器中；建立三角面数据结构存储组成该三角面的三个顶点的位置坐标索引值和纹理坐标索引。
A3、所述步骤A中建立基于颜色信息三角网格相邻拓扑关系，以便提高几何数据的查询速度。这一步骤，其包括：
依次遍历所有三角面，根据三角面查找其各个顶点，建立起三角面-顶点拓扑结构，包括组成该三角面的三个顶点；
对每个三角面，依据每两个顶点的所在边查找出当前三角面的三个边的邻接三角面，得到三角面-邻接三角面拓扑结构。
进一步，所述步骤B，其包括：
B1、对三角面沿分层方向(通常为Z轴方向，也可以采用X或Y轴方向切层)的坐标值(Z值)分别对与当前切层平面相交的三角面进行分组排序，建立分组关系矩阵，包括：切层平面的索引号，以及与该切层平面相交的动态三角面片链表；
B2、对每一组内的三角面与该切层平面求交，包括采用插值计算方法计算该切层平面与所有组内的三角面的交点的位置坐标(XYZ值)和纹理坐标(UV值)，并将得到的交点首尾相连，生成由位置坐标和纹理坐标表示的该切层平面的全彩色二维截面轮廓线；
B3、对由位置坐标和纹理坐标表示的该切层平面的全彩色二维轮廓线进行填充，以便获取切层平面的全彩色二维轮廓的路径，包括方向平行填充算法和轮廓平行填充算法。
所述步骤B1中，建立分组关系矩阵的分组原理是根据所有三角面的三个顶点在分层方向上的位置坐标(XYZ值)的最小值，确定该三角面在分层过程中最初出现的切层平面的层号，把与同一切平面相交的三角面放在同一组中。通过遍历所有的三角面，组成以切层平面的层号为索引的新相交的三角面的集合表(动态三角面片链表)，得到分组关系矩阵。如图3所示，建立过程如下：
假设共有N个切层平面，切层方向为Z轴正方向，相邻两个切层平面间的距离为ΔZ；如果一个三角面的三个顶点的位置坐标(XYZ值)中的最小高度为Zmin，那么与该三角面由下至上最先相交的切层平面的索引号i可以表示为：i＝[(Zmin-Z0)/ΔZ]，其中Z0为由下至上第一层切层平面的高度(即Z轴坐标值)，[]为取整运算，满足四舍五入规则；
遍历构成OBJ纹理贴图三维模型的所有三角面，将每一个面都加入到相应的分组关系矩阵中，便形成了N组与分别与各个切层平面一一对应的三角面集合(动态三角面片链表)。
所述步骤B2中，对每一组内的三角面与该切层平面求交，包括采用插值计算方法计算该切层平面与所有组内的三角面的交点的位置坐标(XYZ值)和纹理坐标(UV值)。包括：
如图4所示，假设当前三角面的顶点V1、V2、V3组成的三角面的索引值为face_idx，A、B为该当前三角面与切层平面的交点，在计算A、B的位置坐标(XA、YA)值时可以通过下述插值算法很容易计算得出：
Figure BDA0001744121410000071
Figure BDA0001744121410000072
其中，(X1、Y1、Z1)为顶点V1的位置坐标值，(X2、Y2、Z2)为顶点V2的位置坐标值，h为当前该切层平面的Z轴坐标值；
同理可以求得XB,YB：
Figure BDA0001744121410000073
Figure BDA0001744121410000074
其中，(X3、Y3、Z3)为顶点V3的位置坐标值，其余参数同上。
对于A、B的纹理坐标UV的插值计算也可以采取类似的公式，但是需要分别从当前三角面的顶点V1、V2、V3的纹理坐标容器中准确的找到各自的纹理坐标(UV值)，方法就是依次遍历每个顶点所有的纹理坐标中的索引值(faceIdx变量)，并与face_idx比对，选择二者相等的纹理坐标作为该顶点的纹理坐标，再进一步进行插值计算，求得UA、VA：
Figure BDA0001744121410000075
Figure BDA0001744121410000076
其中，(U1、V1)为顶点V1的纹理坐标值，(U2、V2)为顶点V2的纹理坐标值，其余参数意义同上；
同理，UB、VB：
Figure BDA0001744121410000077
Figure BDA0001744121410000078
其中，(U3、V3)为顶点V3的纹理坐标值，其余参数意义同上。
所述步骤C，其包括：
C1、根据三维打印系统的硬件参数确定全彩色24位位图的大小和分辨率；
C2、根据B2得到的由位置坐标和纹理坐标表示的全彩色二维截面轮廓线，将全彩色二维截面轮廓线的位置坐标转换为其在全彩色位图中的像素坐标，得到由像素坐标和纹理坐标表示的全彩色二维截面轮廓线；
C3、对由像素坐标和纹理坐标表示的全彩色二维截面轮廓线，按线段分别插值计算两个线段端点之间的中间点的像素坐标及其对应的纹理坐标，获得该线段内所有中间点的像素坐标和其对应的纹理坐标，根据三角面数据结构中的纹理坐标索引在三维模型的纹理图像中查找全彩色二维截面轮廓的每个像素点的颜色值，最终生成本切层平面的截面轮廓的全彩色24位位图。
如图5所示，步骤C2定位第i个切层平面的截面轮廓线在全彩色位图中的像素坐标位置，由轮廓在位图中的像素坐标＝位置坐标*分辨率，可以精确定位截面轮廓线在位图中的像素坐标位置；步骤C3首先插值计算所有中间点的像素坐标和纹理坐标，再根据纹理坐标从三维模型的纹理图像中一一映射每个点的颜色，颜色值使用RGB颜色模型表示，最终生成本切层平面的截面轮廓线的全彩色24位位图。

Claims (7)

1.一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，包括步骤：
A、解析纹理贴图三维模型文件，建立基于颜色信息三角网格相邻拓扑关系；所述步骤A包括：
A1、读取纹理贴图三维模型文件：获取三维模型的纹理图像以备提取颜色用；获取组成该纹理贴图三维模型的所有三角面的顶点的位置坐标和纹理坐标、顶点索引值；
A2、建立顶点数据结构存储顶点的位置坐标和纹理坐标，建立三角面数据结构存储组成该三角面的顶点索引值；
A3、依次遍历纹理贴图三维模型的所有三角面，根据三角面查找其各个顶点，得到三角面-顶点拓扑结构；对每个三角面，依据每两个顶点的所在边查找出当前三角面的三个边的邻接三角面，得到三角面-邻接三角面拓扑结构；
B、对纹理贴图三维模型与切层平面进行求交运算，将得到的交点首尾相连获得一系列全彩色二维截面轮廓线，并对轮廓进行填充；所述步骤B包括：
B1、对三角面沿分层方向的坐标值分别对与当前切层平面相交的三角面进行分组排序，建立分组关系矩阵：切层平面的索引号，以及与该切层平面相交的三角面链表；
B2、计算每一组内的三角面与该切层平面的交点的位置坐标和纹理坐标，将得到的交点首尾相连，生成由位置坐标和纹理坐标表示的该切层平面的全彩色二维截面轮廓线；
B3、对该切层平面的全彩色二维轮廓线进行填充，以便获取切层平面的全彩色二维轮廓的打印路径；
C、定位全彩色二维截面轮廓线在位图中的像素坐标位置，生成用于给全彩色二维截面轮廓上色用的全彩色位图；所述步骤C包括：
C1、根据三维打印系统的硬件参数确定全彩色位图的大小和分辨率；
C2、将得到的全彩色二维截面轮廓线的位置坐标转换为其在全彩色位图中的像素坐标；
C3、对全彩色二维截面轮廓线，按线段分别插值计算两个线段端点之间的中间点的像素坐标及其对应的纹理坐标；根据三角面数据结构中的纹理坐标索引在三维模型的纹理图像中查找全彩色二维截面轮廓的每个像素点的颜色值，最终生成本切层平面的截面轮廓线的全彩色位图。
2.按权利要求1所述的一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，所述纹理贴图三维模型文件为OBJ或AMF格式。
3.按权利要求1所述的一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，所述分层方向采用X或Y或Z轴方向切层；所述计算每一组内的三角面与该切层平面的交点的位置坐标和纹理坐标是采用插值计算的方法。
4.按权利要求1所述的一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，所述对该切层平面的全彩色二维轮廓线进行填充包括采用方向平行填充算法和轮廓平行填充算法。
5.按权利要求1所述的一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，步骤C1中的所述三维打印系统的硬件参数包括可打印区域的大小、分辨率、喷墨头和打印头的布置方式。
6.按权利要求1所述的一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，步骤C2中的所述将得到全彩色二维截面轮廓线的位置坐标转换为其在全彩色位图中的像素坐标的转换公式为：像素坐标＝位置坐标*分辨率。
7.按权利要求1所述的一种基于纹理贴图三维模型的全彩色分层切片算法，其特征在于，步骤C3中的所述每个像素点的颜色值使用RGB颜色模型表示。
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