CN111382485A - 一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，包括如下操作步骤：S100：三维模型具有X Y Z三个方向的属性，要将三维模型摆放到只具有X Y属性的二维的平面上，将三维的模型垂直于XY平面投影，获取模型的轮廓多边形，根据这个轮廓多边形进行计算，得到若干个模型中每个模型适合摆放的角度；S200：轮廓多边形求解完毕后确定模型摆放顺序；S300：根据确定的模型摆放顺序，依次对模型按照某个角度摆放，得到摆放结果；S400：对上一个步骤S300，重复若干次，得到若干实例结果，从中挑选最优，即为最终结果。本发明在相同的平台通过此方法可以摆放更多的模型，同时打印更多的零件，大大提高了生产效率，可以满足生产实际需要。

Description

一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，特别涉及一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法。

背景技术

三维打印，特别是数字光处理(DLP),光固化成型（SLA）, 选择性激光熔融(SLM)等技术中，三维模型的二维嵌套摆放（2D nesting，就是将三维模型摆放到二维平面的平台上，使模型之间不相互碰撞）至关重要。在满足打印需求的同时，在打印平台上越是紧密的摆放，越可以同时打印更多的模型，提高打印生产制造的效率。

现有三维打印前处理软件中：1.有的具有三维模型二维摆放（2D packing/2Dnesting）功能 。但是他们不能称之为二维嵌套摆放，根本原因是他们的摆放方法是根据模型的轴对齐有向包围盒进行摆放。这种方法摆放的效果不够紧密，剩余大量空间，造成生产的效率不高。2.有的三维打印软件是具有二维嵌套摆放功能。但是，他们的算法摆放的仍不够紧密，或者程序运行时间太长，仍有进步空间。3.市面上有许多三维打印机的打印平台并不一定是矩形平台，比如有的三维打印机的打印平台是圆形的。而现有的三维打印软件中，没有一个很好的软件，能处理圆形平台的紧密嵌套摆放。

现有的学术论文，最新的研究进展中，很多学者提出不同的嵌套摆放算法，但他们的缺陷仍然是以下几点1）算法复杂度太高，时间效率太低。2）算法本身有缺陷，对复杂模型的摆放效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，本发明在对三维模型进行三维打印时，在相同的平台通过此方法可以摆放更多的模型，同时打印更多的零件，大大提高了生产制造的效率，可以满足生产实际需要，可以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，包括如下操作步骤：

S100：三维模型具有X Y Z三个方向的属性，为立体，将三维模型摆放到只具有X Y属性的二维的平面上，将三维的模型垂直于XY平面投影，获取模型的轮廓多边形，根据这个轮廓多边形进行计算，得到每个模型适合摆放的角度(有可能有无穷多个，这时候离散选取若干个)；

S200：轮廓多边形求解完毕后确定模型摆放顺序；

S300：根据确定的模型摆放顺序，依次对模型按照某个角度（角度是随机从S100步骤求解出来的适合摆放的角度中随机选择）摆放，得到摆放结果；

S400：对上一个步骤S300，重复若干次，(确保任意两次之间都有若干模型的旋转角度不一样)得到若干实例结果，从中挑选最优，即为最终结果。

进一步地，S100中轮廓多边形求解的方法包括：

a.根据三维模型上的点的信息，将三维模型的所有点到XY平面投影，即将含有X Y Z属性的三维点，转换为Z值为零，相当于只含有XY属性的平面点，生成平面点云，然后对该平面点云应用光栅扫描方法，或者凸包，或者凹包的方法得到轮廓多边形;

b.根据三维模型上的边的信息，通过几何算法，找到XY平面上最外的边轮廓，然后将这个最外的轮廓连接成多边形，投影到X Y方向，得到轮廓多边形；

c.利用计算机图形学的知识，渲染三维模型，画出三维模型的俯视图，然后生成二值图像，根据生成的二值图像，运用数字图像处理的算法，从二值图像转为轮廓多边形；

d.利用射线或者光线追踪的方法，先定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的XY平面矩形，在内部画上长宽一样的正方形格子，将平面矩形放在三维模型最下方，从每个格子的中心点朝Z轴正方向射射线，如果射线与三维模型相交，则将该格子标记起来，最后根据最外侧的标记起来的格子，生成轮廓，即是模型的轮廓多边形；

e.利用图像的方法，将平面矩形改成图像，每个图像像素点，对应上面方法中的一个格子，向Z轴正方向或者负方向，射射线，如果射线和模型相交，则那个位置的像素标记起来，最后根据标记的像素点，生成轮廓多边形。

进一步地，S200中的摆放顺序选择包括：

按照轮廓多边形面积大小进行摆放，从大到小进行摆放；

按照轮廓多边形面积大小进行摆放，从小到大进行摆放；

按照轮廓多边形对应的三维模型的本来顺序进行摆放；

随机扰乱轮廓多边形的顺序，按照随机顺序进行摆放；

按照模型的高度进行摆放，从高到低进行摆放；

按照模型的高度进行摆放，从低到高进行摆放。

进一步地，S300还包括：

当摆放第一个三维模型的轮廓多边形的时候，以轮廓多边形的第一个点为参考点，求解平台多边形与此轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fit polygon)，（这样将第一个模型根据第一个点平移到求解出来的内部临界多边形上或者内部的任意位置都不会超出打印平台，满足需求）；

从这个内部临界多边形中按照一定标准，挑选一个最佳的位置，作为第一个轮廓多边形的摆放位置，当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形相对于此平台来说，太大，摆不下，放弃，接着拿下一个轮廓多边形根据此方法摆放。

进一步地，当已经有轮廓多边形摆放到平台多边形上后，下一个轮廓多边形的摆放方法如下：

把将要摆放的轮廓多边形，分别与已经摆放的轮廓多边形一一进行计算，求取临界多边形（no fit polygon），然后对求取的临界多边形进行求布尔并,得到一个或者多个结果多边形，简称为并结果；

然后求解平台多边形与将要摆放轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fitpolygon)，当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形相对于此平台来说，太大，摆不下，放弃，接着拿下一个轮廓多边形根据此方法重新摆放；

如果求解不为空，则对得到的内部临界多边形(Inner fit polygon)与并结果做布尔减，得到布尔减结果多边形。

如果布尔减结果多边形为空，说明剩余的平台空间不足以摆放此轮廓多边形。这时候有两种选择，第一种，放弃摆放这个轮廓多边形，换下一个轮廓多边形。第二种为，重新开辟一个平台，简称第二平台。让这个轮廓多边形按照一样的方法在第二个平台摆放。如果后续仍然有不能在第一个平台摆放的轮廓多边形，就在第二个平台进行尝试，如果再不能摆放，则开辟第三个平台，以此类推。

如果布尔减结果多边形不为空，从布尔减结果多边形中挑选一个最好的位置作为这个将要摆放的轮廓多边形的位置。这个最好位置选取的标准也是不一定的，有以下几种方案，1.按照已经摆放模型的最小轴对齐包围盒，2.最大多边形接触面积，3，最小凸包面积，4.最小X方向长度，5，最小Y方向长度等等。

进一步地，S400中还可采用遗传算法。先按照S300生成若干次实例，计算完后，我们挑选结果较优的两个实例，运用遗传算法，交叉遗传，生成实例，根据得到的实例，进行摆放。直到完成目标个数次实例。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在对三维模型进行三维打印时，在相同的平台通过此方法可以摆放更多的模型，同时打印更多的零件，大大提高了生产制造的效率，以满足生产实际需要。

附图说明

图1为本发明基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法的流程图；

图2为本发明160个牙齿模型摆放后的效果图一；

图3为本发明160个牙齿模型摆放后的效果图二；

图4为本发明160个牙齿模型摆放后的效果图三；

图5为本发明98个C型牙齿模型摆放后的效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1，一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，包括如下操作步骤：

S100：三维模型，比如.stl格式文件，具有X Y Z三个方向的属性，是立体的，要将三维模型摆放到只具有X Y属性的二维的平面上，就是将三维的模型垂直于XY平面投影，获取模型的轮廓多边形，根据这个轮廓多边形进行计算，得到每个模型适合摆放的角度(有可能有无穷多个，这时候离散选取若干个)。关于如何求解轮廓多边形，包括但是不局限于以下几种：

（1）根据三维模型上的点的信息，将三维模型的所有点到XY平面投影，即将含有X Y Z属性的三维点，转换为Z值为零，相当于只含有XY属性的平面点，生成平面点云，然后对该平面点云应用光栅扫描方法，或者凸包，或者凹包的方法得到轮廓多边形。

（2）根据三维模型上的边的信息，通过几何算法，找到XY平面上最外的边轮廓，然后将这个最外的轮廓连接成多边形，投影到X Y方向，得到轮廓多边形。

（3）利用计算机图形学的知识，渲染三维模型（比如用OPENGL渲染），画出三维模型的俯视图，然后生成二值图像，根据生成的二值图像，运用数字图像处理的算法，从二值图像转为轮廓多边形。

（4）利用射线或者光线追踪的方法，先定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的XY平面矩形，在内部画上长宽一样的正方形格子，比如每行有400个格子，共600列，共有400*600个格子的XY平面矩形。将平面矩形放在三维模型最下方，从每个格子的中心点朝Z轴正方向射射线，如果射线与三维模型相交，则将该格子标记起来（也可以将平面矩形放到模型最上方，从每个格子的中心点朝Z轴负方向射射线），最后根据最外侧的标记起来的格子，生成轮廓，即是模型的轮廓多边形。

（5）利用图像的方法，将平面矩形改成图像，每个图像像素点，对应上面方法中的一个格子，向Z轴正方向或者负方向，射射线，如果射线和模型相交，则那个位置的像素标记起来，最后根据标记的像素点，生成轮廓多边形。

完成后，每个三维模型都会得到对应的轮廓多边形。最后轮廓多边形摆放好后，相对应的三维模型摆放到对应的轮廓多边形位置即可。摆放轮廓多边形，也是在二维排料中用到的算法，本实施例子用的是第（5）种方法。

S200：轮廓多边形求解完毕后，有个首先要解决的问题是，确定摆放顺序；摆放顺序选择包括：

按照轮廓多边形面积大小进行摆放，从大到小进行摆放；

按照轮廓多边形面积大小进行摆放，从小到大进行摆放；

按照轮廓多边形对应的三维模型的本来顺序进行摆放；

随机扰乱轮廓多边形的顺序，按照随机顺序进行摆放；

按照模型的高度进行摆放，从高到低进行摆放。

按照模型的高度进行摆放，从低到高进行摆放。

本实施例用的是按照轮廓多边形面积从大到小进行摆放。

S300：运用随机的方法，对每个轮廓多边形随机的旋转一定的角度；比如假设有A,B,C,D,E五个轮廓多边形，A随机旋转135°，B随机旋转45°，C随机旋转90°，D随机旋转180°，E不旋转。然后A,B,C,D,E五个轮廓多边形，按照上述的角度旋转之后，进行摆放，得到一个摆放结果。详细的步骤如下：

当摆放第一个三维模型的轮廓多边形A的时候，以轮廓多边形A的第一个点为参考点，求解平台多边形与此轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fit polygon)，（这样将第一个模型根据第一个点平移到求解出来的内部临界多边形上或者内部的任意位置都不会超出打印平台，满足需求）；

从这个内部临界多边形中按照一定标准，挑选一个最佳的位置，作为第一个轮廓多边形A的摆放位置，比如，找到X值最小的点（最左侧），或者Y值最小的点（最下侧）。当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形A相对于此平台来说，太大，摆不下，放弃，接着拿下一个轮廓多边形B根据此方法摆放。

进一步地，当已经有轮廓多边形(假设为A)摆放到平台多边形上后，下一个轮廓多边形B的摆放方法如下：

把将要摆放的轮廓多边形B，分别与已经摆放的轮廓多边形一一进行计算，求取临界多边形（no fit polygon），然后对求取的临界多边形进行求布尔并,得到一个或者多个结果多边形，简称为并结果；

然后求解平台多边形与将要摆放轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fitpolygon)，当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形B相对于此平台来说，太大，摆不下，放弃，接着拿下一个轮廓多边形C根据此方法重新摆放；

如果求解不为空，则对得到的内部临界多边形(Inner fit polygon)与并结果做布尔减，得到布尔减结果多边形。

如果布尔减结果多边形为空，说明剩余的平台空间不足以摆放此轮廓多边形B。这时候有两种选择，第一种，放弃摆放这个轮廓多边形，换下一个轮廓多边形C。第二种为，重新开辟一个平台，简称第二平台。让这个轮廓多边形B按照一样的方法在第二个平台摆放。如果后续仍然有不能在第一个平台摆放的轮廓多边形，就在第二个平台进行尝试，如果再不能摆放，则开辟第三个平台，以此类推。

如果布尔减结果多边形不为空，从布尔减结果多边形中挑选一个最好的位置作为这个将要摆放的轮廓多边形的位置。这个最好位置选取的标准也是不一定的，有以下几种方案，1.按照已经摆放模型的最小轴对齐包围盒，2.最大多边形接触面积，3，最小凸包面积，4.最小X方向长度，5，最小Y方向长度等等。本实施例是按照方案1：按照已经摆放模型的最小轴对齐包围盒，进行摆放的。选好之后，进行下一个模型的摆放，直至所有模型都摆放完。

S400：对上一个步骤S300，重复若干次，(确保任意两次之间都有若干模型的旋转角度不一样)得到若干实例结果，从中挑选最优，即为最终结果。其中有一点要说明的是，此处也可采用遗传算法。比如，从24个实例中挑选最终结果，最初不一定将24个实例的随机角度都给计算出来，而是只计算一部分，比如只计算一半或者三分之一的实例，等这一半或者三分之一的实例计算完后，挑选结果较优的两个实例，运用遗传算法，交叉遗传，生成实例，根据得到的实例，进行摆放。直至到达指定的实例总数。从中挑选最优实例，即为最终结果。

图2为本实施例，S300步骤运用的方案是最小轴对齐包围盒，平台尺寸为550mm*550mm。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是，S300步骤运用的方案是最小X方向长度。平台尺寸为550mm*550mm。结果如图3显示。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是，S300步骤运用的方案是最小Y方向长度。平台尺寸为550mm*550mm。结果如图4显示。

实施例4

本实施例与实施例1不同的是，S300步骤运用的方案是最大接触面积。平台半径为300mm。结果如图5显示。

本发明具有如下特点：1.任意不规则形状的三维模型，都可以嵌套摆放。2.任意不规则或者规则的平台多边形形状，都可以进行嵌套摆放。3.算法允许进行多个平台的摆放。4.摆放的效果可以有多种选择，1.按照已经摆放模型的最小轴对齐包围盒，2.最大多边形接触面积，3，最小凸包面积，4.最小X方向长度，5，最小Y方向长度。5.摆放算法速度快，很短时间能摆放大量模型。与此同时，三维模型紧密，满足生产实际需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

S100：三维模型具有X Y Z三个方向的属性，为立体，要将三维模型摆放到只具有X Y属性的二维的平面上，将三维的模型垂直于XY平面投影，获取模型的轮廓多边形，根据这个轮廓多边形进行计算，得到若干个模型中每个模型适合摆放的角度；

S200：轮廓多边形求解完毕后确定模型摆放顺序；

S300：根据确定的模型摆放顺序，依次对模型按照某个角度摆放，得到摆放结果；

S400：对上一个步骤S300，重复若干次，得到若干实例结果，从中挑选最优，即为最终结果。

2.如权利要求1所述的基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，S100中轮廓多边形求解的方法包括：

根据三维模型上的点的信息，将三维模型的所有点到XY平面投影，即将含有X Y Z属性的三维点，转换为Z值为零，相当于只含有XY属性的平面点，生成平面点云，然后对该平面点云应用光栅扫描方法，或者凸包，或者凹包的方法得到轮廓多边形;

根据三维模型上的边的信息，通过几何算法，找到XY平面上最外的边轮廓，然后将这个最外的轮廓连接成多边形，投影到X Y方向，得到轮廓多边形；

利用计算机图形学的知识，渲染三维模型，画出三维模型的俯视图，然后生成二值图像，根据生成的二值图像，运用数字图像处理的算法，从二值图像转为轮廓多边形；

利用射线或者光线追踪的方法，先定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的XY平面矩形，在内部画上长宽一样的正方形格子，将平面矩形放在三维模型最下方，从每个格子的中心点朝Z轴正方向射射线，如果射线与三维模型相交，则将该格子标记起来，最后根据最外侧的标记起来的格子，生成轮廓，即是模型的轮廓多边形；

利用图像的方法，将平面矩形改成图像，每个图像像素点，对应上面方法中的一个格子，向Z轴正方向或者负方向，射射线，如果射线和模型相交，则那个位置的像素标记起来，最后根据标记的像素点，生成轮廓多边形。

3.如权利要求1所述的基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，S200中的摆放顺序选择包括：

按照轮廓多边形面积大小进行摆放，从大到小进行摆放；

按照轮廓多边形面积大小进行摆放，从小到大进行摆放；

按照轮廓多边形对应的三维模型的本来顺序进行摆放；

随机扰乱轮廓多边形的顺序，按照随机顺序进行摆放；

按照模型的高度进行摆放，从高到低进行摆放；

按照模型的高度进行摆放，从低到高进行摆放。

4.如权利要求1所述的基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，S300中还包括：

当摆放第一个三维模型的轮廓多边形的时候，以轮廓多边形的第一个点为参考点，求解平台多边形与此轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fit polygon)，这样将第一个模型根据第一个点平移到求解出来的内部临界多边形上或者内部的任意位置都不会超出打印平台，满足需求；

从这个内部临界多边形中按照一定标准，挑选一个最佳的位置，作为第一个轮廓多边形的摆放位置，当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形相对于此平台来说，太大，摆不下，放弃，接着拿下一个轮廓多边形根据此方法摆放。

5.如权利要求1所述的基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，S300中角度是随机从S100步骤求解出来的适合摆放的角度中随机选择。

6.如权利要求1所述的基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，当已经有轮廓多边形摆放到平台多边形上后，下一个轮廓多边形的摆放方法如下：

把将要摆放的轮廓多边形，分别与已经摆放的轮廓多边形一一进行计算，求取临界多边形，然后对求取的临界多边形进行求布尔并,得到一个或者多个结果多边形，简称为并结果；

然后求解平台多边形与将要摆放轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fitpolygon)，当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形相对于此平台来说，太大，摆不下，放弃，接着拿下一个轮廓多边形根据此方法重新摆放；

如果求解不为空，则对得到的内部临界多边形(Inner fit polygon)与并结果做布尔减，得到布尔减结果多边形。

7.如权利要求1所述的基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于，S400中还可采用遗传算法。

Images