CN111319264A - 应用于3d打印设备的数据处理方法和3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于3D打印设备的数据处理方法，包括：确定切片的分层数目；确定STL模型中与每个切片相交的所有三角形面片；将每个切片按X轴方向或Y轴方向中其中一个轴方向分成若干列，每一列中至少含有一条与列方向相同的扫描线，确定每条扫描线与切片中三角形面片所相交的交点以及交点的坐标；将每条扫描线上的交点按照坐标的大小进行排序；将所有扫描线上的交点转换成对应的像素坐标，再将每条扫描线上奇数交点和奇数交点下一个相邻的偶数交点之间的所有像素填充连接；将切片中所有扫描线经过处理，得到切片填充的位图图形。本发明不用对STL模型建立拓扑信息，避免了大量计算和排序，提高了数据处理的效率。

Description

应用于3D打印设备的数据处理方法和3D打印设备

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种应用于3D打印设备的数据处理方法和3D打印设备。

背景技术

3D打印(3D Printing)最常用的是依据STL(Standard Template Library)模型来获取打印数据的，通过层层叠加构造出模型实体，STL文件是快速原型系统应用的标准文件类型，由三角形网格单元顶点坐标和外法向量构成三角形面片，不包含三角形拓扑结构，离散近似表现三维CAD模型。由于STL模型数据格式简单，易于交换处理，基于STL模型的切片处理已被大多数快速原型系统采用。

STL分层切片算法常用的方法是：通过分析切平面与三角形网格之间的位置关系，若相交则求出交线段。求出该切平面与STL网格模型所有的交线段后，将该分层面的所有交线段有序地连接起来，从而获得该分层切片面的轮廓线。其中交线段的有序排列是一个很费时的过程，目前大部分切片算法都是先建立一个基于几何拓扑信息，然后再根据拓扑信息进行分层切片。该算法需要对原有的3D模型中的三角形面片做优化和修复处理：去除相交的三角形面片，修复顶点排序错误的三角形，修补缺口空洞等。模型的三角形数量越多，处理的速度越慢，产生错误的概率也越高。经过优化处理后的轮廓线还需要生成扫描路径，通过扫描线来固化填充，使打印出来的模型具有一定的强度。这种算法在整体拓扑信息的处理时间较长，尤其对于复杂的STL模型，占用系统资源较多，计算量较大，数据处理效率低下。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种应用于3D打印设备的数据处理方法和3D打印设备，以解决现有3D打印的数据处理方法中需建立拓扑信息，导致处理时间较长、数据量较大、数据处理效率低的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供一种应用于3D打印设备的数据处理方法，包括步骤：

S1：确定切片的分层数目；

S2：确定STL模型中与每个切片相交的所有三角形面片；

S3：将每个切片按X轴方向或Y轴方向中其中一个轴方向分成若干列，每一列中至少含有一条与该列方向相同的扫描线，确定每条扫描线与该切片中三角形面片所相交的交点以及该交点的坐标；

S4：将每条扫描线上的该交点按照该坐标的大小进行排序；

S5：将所有扫描线上的交点转换成对应的像素坐标，再将每条扫描线上奇数交点和该奇数交点下一个相邻的偶数交点之间的所有像素填充连接；

S6：将该切片中所有扫描线经过步骤S5处理，得到该切片填充的位图图形。

进一步地，该步骤S1包括：

确定分层厚度；

根据该STL模型的高度和该分层厚度，确定该切片的分层数目。

进一步地，该步骤S2包括：

若三角形面片的最小Z坐标小于或等于第N个切片的Z坐标，该三角形面片的最大Z坐标大于或等于该第N个切片的Z坐标，并且该三角形面片与该切片非平行，则该三角形面片与该第N个切片相交；

其中，N的值为从1开始且小于或等于该分层数目的整数。

进一步地，该步骤S3包括：

将每个切片按预设宽度分成若干列，每一列的宽度不超过3D打印设备投影的宽度；

根据该扫描线的坐标方程和该切片中该三角形面片的三个顶点的坐标，确定该扫描线与该切片中该三角形面片的交点及该交点的坐标。

进一步地，一条扫描线的宽度为一个像素的宽度。

进一步地，该步骤S4还包括：先判断该扫描线上是否存在该切片中该位图图形的顶点，若存在该顶点则该顶点不进行排序。

进一步地，判断该扫描线上是否存在该切片的顶点，具体为：当该扫描线与该切片中至少两个该三角形面片的交点为一个点时，确定该交点为该切片中该位图图形的顶点。

进一步地，该步骤S5包括：

根据该交点的物理坐标的坐标值除以该设备投影的像素大小，得到该交点的像素坐标；

将该扫描线上对应的该奇数交点和该奇数交点下一个相邻的该偶数交点之间的所有像素填充连接；

当该切片内所有交点转换成像素坐标并完成连接后，得到该切片的填充的位图图形。

进一步地，在该步骤S6之后还包括：当相邻两个切片中该位图图形的面积差值小于一个固定阀值时，将相邻两个该切片的位图图形合并为一个位图图形，并用该相邻两个切片中其中一个位图图形表示合并后的位图图形。

本发明还提供一种3D打印设备，该3D打印设备包括处理器，该处理器用于执行程序数据，以实现如上所述的应用于3D打印设备的数据处理方法。

本发明有益效果在于：通过将每个切片按X轴方向或Y轴方向中其中一个轴方向分成若干列，每一列中至少含有一条与该列方向相同的扫描线，将每条扫描线上的该交点按X轴方向或Y轴方向其中一个轴方向上的坐标的大小进行排序，将所有扫描线上的交点转换成对应的像素坐标，再将每条扫描线上奇数交点和该奇数交点下一个相邻的偶数交点之间的所有像素填充连接，最后得到切片完整的位图图形，本发明可以不用对STL模型建立拓扑信息，避免了大量计算和排序，提高了数据处理的效率，每一个切片的数据存储为位图数据，所以每个位图图形数据量固定不变，不会因为图形的复杂而数据量陡增。

附图说明

图1是本发中应用于3D打印设备的数据处理方法的流程框图；

图2a至图2f是本发中应用于3D打印设备的数据处理方法的流程示意图；

图3是本发明中3D打印设备的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据发明提出的应用于3D打印设备的数据处理方法和3D打印设备结构的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

图1是本发中应用于3D打印设备的数据处理方法的流程框图。如图1所示，本发明提供的一种应用于3D打印设备的数据处理方法，包括步骤：

S1：确定切片的分层数目。

设分层数目为K、STL模型的高度H和分层的厚度h，所以K＝H/h。

具体地，切片的分层数目K是根据分层厚度决定的，先确定分层厚度，根据STL模型的高度H和分层的厚度h，得到分层数目K。其中STL模型的高度H为STL模型的最大Z坐标Zmax减去STL模型的最小Z坐标Zmin，即H＝Zmax-Zmin，本实施例中，可以设STL模型的最小Z坐标Zmin为0。而分层的厚度h可以根据实际情况手动设定，所以可以计算得到分层数目K为STL模型的高度H除以分层的厚度h，即K＝H/h，本实施例中也就是K＝Zmax/h；

或者，根据每个三角形面片的最小高度来设定分层的厚度h，例如确定分层厚度的依据是：首先计算STL模型中每个三角形面片的最小Z坐标和最大Z坐标，然后根据最大Z坐标与最小Z坐标的差值得到每个三角形面片的高度，选取所有三角形面片中最小且非零的高度值作为分层厚度h，即能够保证即使是具有最小高度的三角形面片也能够与切片平面相交。所以可以计算得到分层数目K为STL模型的高度H除以分层的厚度h，即K＝H/h，本实施例中也就是K＝Zmax/h。

S2：确定STL模型中与每个切片相交的所有三角形面片。

该步骤的目的在于将所有的三角形面片建立分组，使得每个分组中包含一个切片和与该切片相交的所有三角形面片，因此，在此之前，需要确定每一个切片中与该切片相交三角形面片。

设三角形面片的最小Z坐标为Z1min和最大Z坐标为Z1max，其中第N个切片的Z坐标为Zn。由步骤S1已经可以得出每一个切片的Z坐标Zn(Zn＝Zmin+n*h，1<＝n<＝K)，然后根据每个三角形面片的最小Z坐标Z1min和最大Z坐标Z1max来确定其属于哪一个或几个切片。具体为，若三角形面片的最小Z坐标Z1min小于或等于第N个切片的Z坐标Zn；而其最大高度大于或等于第N个切片的Z坐标Zn；并且三角形面片与切片非平行。当三个条件同时成立时，则三角形面片与第N个切片相交，其中，N为从1开始且小于或等于分层数目的整数。

如图2a所示，其为第N个切片与三角形面片的位置关系，其中三角形面片(1、3、4、5、6)与第N个切片相交，并与第N个切片分为第N组，而三角形面片(2、7)不与第N个切片相交，分为其它组。当然一个三角形面片可以同与两个不同的切片相交。

当STL模型中所有的三角形面片的层数确定后，即建立分组完成。

S3：将每个切片按X轴方向或Y轴方向中其中一个轴方向分成若干列，每一列中至少含有一条与列方向相同的扫描线，例如，每个切片按X轴方向分成若干列，则扫描线与Y轴方向平行；或者，每个切片按Y轴方向分成若干列，则扫描线与X轴方向平行。再确定每条扫描线与切片中三角形面片所相交的交点以及交点的坐标。

在本实施例中，如图2b所示，每个切片按X轴方向分成若干列(N1，N2.....Nm，m>＝1)，每一个列都是一个二维平面，每个二维平面内都含有若干条与Y轴方向相同的扫描线。

具体地，可以将每个切片按3D打印设备投影的像素大小分成若干列，但每一列的宽度不超过3D打印设备投影的宽度，即使每一列的宽度为一个像素的宽度，每一列中均至少含有一条扫描线。每个切片中所有的扫描线可以用坐标方程表示为X＝S，其中S的范围为当前切片的X坐标的最小值到最大值，S按3D打印设备的像素的宽度递增或递减。例如，设3D打印设备的像素大小为F，则第n条扫描线的坐标方程为X＝X0+n*F。例如，还可以将每个切片按3D打印设备投影的像素大小的整数倍分成若干列，每一列均含有多条扫描线，使每一列像素中含有一条扫描线，转换成位图坐标后，一条扫描线的宽度为一个像素的宽度，即一条扫描线转换成位图坐标后就是一列像素。

进一步地，根据每条扫描线的坐标方程和切片中三角形面片的三个顶点的坐标，可以确定扫描线与切片中三角形面片的交点及交点的坐标。如图2c所示，第N层的第7列(N7)与四个三角形面片分别相交于点(a、b、c、d)，如图2d所示，将点(a、b、c、d)展示到二维坐标图中，点(a、b、c、d)的Z坐标与当前切片的Z坐标相同，根据扫描线的坐标方程和三角形面片的三个顶点的坐标可以得出点(a、b、c、d)的X坐标和Y坐标。

S4：将每条扫描线上的交点按X轴方向或Y轴方向其中一个轴方向上的坐标的大小进行排序。例如，每个切片按X轴方向分成若干列，则每条扫描线上的交点按Y轴方向上的Y坐标的大小进行排序；或者，每个切片按Y轴方向分成若干列，则每条扫描线上的交点按X轴方向上的X坐标的大小进行排序，当然，每个切片按X轴方向分成若干列，条扫描线上的交点也可以按X轴方向上的X坐标的大小进行排序，但并不以此为限。步骤S3将每个切片按X轴方向分成若干列，本实施例中，则对应的将每条扫描线上的交点按Y轴方向上的Y坐标的大小进行排序。

在进行排序前，先判断扫描线上是否存在位图图形的顶点，若存在顶点则顶点不进行排序。当扫描线与切片中的至少两个三角形面片的交点为同一个点时，确定该交点为切片中位图图形的顶点，如图2d所示，其中第4列(X4)与三角形面片相交的第3点(e)为位图图形的顶点，所以在本列中按Y坐标的大小进行排序的时候，只对前两个交点的Y坐标进行排序。例如，当STL模型为中空结构，且内表面与外表面相交时，此时扫描线与切片中的四个三角形面片的交点为同一个点。

S5：将所有扫描线上的交点转换成对应的像素坐标，再将每条扫描线上奇数交点和奇数交点下一个相邻的偶数交点之间的所有像素填充连接。可以理解的是：交点和顶点，都需要转换成对应的像素坐标。

具体地，根据交点的物理坐标值除以3D打印设备的像素大小，得到交点的像素坐标；例如，设3D打印设备的像素大小为F，对应的像素坐标为：横坐标x＝X/F；纵坐标y＝Y/F，其中x、y代表像素坐标，X、Y代表物理坐标。因为切片中的位图图形为一个二维图形，在转换成像素坐标的时候，只转换切片平面中的X和Y坐标，Z坐标可以不用转换，以减少计算量。

进一步地，将每条扫描线上对应的奇数交点和奇数交点下一个相邻的偶数交点之间像素连接，即扫描线从奇数交点开始进入位图图形，直到下一个相邻的偶数交点穿出位图图形，在这样相邻配对的奇偶交点之间的所有象素都在位图图形内。如图2e所示，第一个点(a)与第二个点(b)之间的像素需要相连，第三个点(c)与第四个点(d)之间的像素需要相连。即点以及连线对应的所有像素填充为黑色，黑色代表图案区域。而第二个点(b)与第三个点(c)之间的像素在STL模型的外面或者是STL模型的镂空区域，也就是位图图形的外侧，所以也就不需要填充为黑色。而与切片平行的三角形面片，通过填充，则已全部填充为黑色。通过3D打印设备打印出来的则是一个实体的模型，增加了模型的强度。

S6：将每层切片中所有扫描线经过步骤S5处理，得到切片填充的位图图形。

如图2f所示，当切片内所有交点转换成像素坐标并完成连接后，得到当前切片填充的位图图形，并进行存储。

当所有切片按照上述方法处理完成后，也就把整个STL模型处理成了一张张带有图形的位图数据。最终每个切片中所有用黑色像素(固化区域)表示完整并生成一幅对应的黑白位图，作为打印机的一条输入数据，例如，可以将每一列的位图图形作为打印机的一条输入数据，以减缓打印机的工作量，但打印时间有所增加。采用位图数据作为每一个切片的存储数据，所以位图图形数据量是固定不变，不会因为图形的复杂而数据量陡增，也减少了因建立拓扑关系而产生的大量计算和排序。

在本实施例中，相邻两个切片可以根据位图图形结构的复杂度、曲率、变化速度等自适应改变。具体为，通过比较前一个切片中位图图形的结构及后一个切片中位图图形的结构对应黑色像素数(固化区域)面积的差值，当相邻两个切片的位图图形的面积差值小于一个固定阀值时，说明当前切片中位图图形的结构与后一个切片中位图图形的结构相差不大，可以将相邻两个切片合并为一个切片，并用该相邻两个切片中其中一个切片的位图图形及表示合并后的位图图形，进一步减少数据量。

如图3所示，本发明还提供一种3D打印设备，包括处理器21、存储器22、显示器23和打印机24。

处理器21用于执行程序数据，存储器22可以用于存储程序数据，显示器23可以用于显示处理后的画面，打印机24用于打印出3D模型。

处理器21在执行程序数据时，实现上述的应用于3D打印设备的数据处理方法的步骤，具体可参照上述方法的描述，在此不再赘述。

本发明还提供的3D打印设备可以为DPL(Digital Light Processing，数字光处理)3D打印设备。其原理为：DLP设备中包含一个可以容纳树脂的液槽，用于盛放可被特定波长的紫外光照射后固化的树脂，DLP成像系统置于液槽下方，其成像面正好位于液槽底部，通过能量及图形控制，每次可固化一定厚度及形状的薄层树脂(层树脂与前面切分所得的截面外形完全相同)。液槽上方设置一个提拉机构，每次截面曝光完成后向上提拉一定高度(高度与分层厚度一致)，使得当前固化完成的固态树脂与液槽底面分离并粘接在提拉板或上一次成型的树脂层上，这样，通过逐层曝光并提升来生成三维实体模型。其详细介绍请参考现有技术，这里不再赘述。

在本文中，所涉及的上、下、左、右、前、后等方位词是以附图中的结构位于图中以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，该方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

以上该，仅是发明的较佳实施例而已，并非对发明做任何形式上的限定，虽然发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰，为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离发明技术方案内容，依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，包括步骤：

S1：确定切片的分层数目；

S2：确定STL模型中与每个切片相交的所有三角形面片；

S3：将每个切片按X轴方向或Y轴方向中其中一个轴方向分成若干列，每一列中至少含有一条与该列方向相同的扫描线，确定每条扫描线与该切片中三角形面片所相交的交点以及该交点的坐标；

S4：将每条扫描线上的该交点按照该坐标的大小进行排序；

S5：将所有扫描线上的交点转换成对应的像素坐标，再将每条扫描线上奇数交点和该奇数交点下一个相邻的偶数交点之间的所有像素填充连接；

S6：将该切片中所有扫描线经过步骤S5处理，得到该切片填充的位图图形。

2.根据权利要求1所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，该步骤S1包括：

确定分层厚度；

根据该STL模型的高度和该分层厚度，确定该切片的分层数目。

3.根据权利要求1所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，该步骤S2包括：

若三角形面片的最小Z坐标小于或等于第N个切片的Z坐标，该三角形面片的最大Z坐标大于或等于该第N个切片的Z坐标，并且该三角形面片与该切片非平行，则该三角形面片与该第N个切片相交；

其中，N的值为从1开始且小于或等于该分层数目的整数。

4.根据权利要求1所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，该步骤S3包括：

将每个切片按预设宽度分成若干列，每一列的宽度不超过3D打印设备投影的宽度；

根据该扫描线的坐标方程和该切片中该三角形面片的三个顶点的坐标，确定该扫描线与该切片中该三角形面片的交点及该交点的坐标。

5.根据权利要求4所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，一条扫描线的宽度为一个像素的宽度。

6.根据权利要求1所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，该步骤S4还包括：先判断该扫描线上是否存在该切片中该位图图形的顶点，若存在该顶点则该顶点不进行排序。

7.根据权利要求6所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，判断该扫描线上是否存在该切片的顶点，具体为：当该扫描线与该切片中至少两个该三角形面片的交点为一个点时，确定该交点为该切片中该位图图形的顶点。

8.根据权利要求1所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，该步骤S5包括：

根据该交点的物理坐标的坐标值除以该设备投影的像素大小，得到该交点的像素坐标；

将该扫描线上对应的该奇数交点和该奇数交点下一个相邻的该偶数交点之间的所有像素填充连接；

当该切片内所有交点转换成像素坐标并完成连接后，得到该切片的填充的位图图形。

9.根据权利要求1所述的应用于3D打印设备的数据处理方法，其特征在于，在该步骤S6之后还包括：当相邻两个切片中该位图图形的面积差值小于一个固定阀值时，将相邻两个该切片的位图图形合并为一个位图图形，并用该相邻两个切片中其中一个位图图形表示合并后的位图图形。

10.一种3D打印设备，其特征在于，该3D打印设备包括处理器，该处理器用于执行程序数据，以实现如权利要求1至9任一项所述的应用于3D打印设备的数据处理方法。

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