CN111400788A - 一种适用于3d打印的交互式3d浮雕方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机辅助设计、工业设计制造技术领域，提供了一种适用于3D打印的交互式3D浮雕方法。首先，载入3D模型文件与二维图像文件；然后，将二维图像映射到模型用户指定的感兴趣区域，形成3D浮雕；最后，使用3D打印机打印浮雕模型。本发明得到3D浮雕模型的方法适合非专业人士用来设计适用于3D打印的3D浮雕。具有简洁性、交互性强等特点。与传统生成浮雕方法相比，该方法具有交互性强，操作简便等优点。

Description

一种适用于3D打印的交互式3D浮雕方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计、工业设计制造技术领域，涉及一种交互式3D浮雕方法，适用于一般性模型3D浮雕设计和制造。

背景技术

浮雕技术理论上可以使用精雕、ArtCAM等浮雕设计软件设计，但是这类浮雕软件操作复杂，需要经过训练的专业人员才能熟练操作，因此无法普及应用，非专业人士很难熟练应用。本发明交互式3D浮雕方法具有简洁性、交互性强等诸多优点，适合非专业人士用来设计可用于3D打印的3D浮雕。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种简单且容易操作的交互式3D浮雕系统实现方法，形成一套完整的“设计-实现-制造”的3D浮雕框架，流程如图1所示。首先，载入3D模型文件与二维图像文件；然后，将二维图像映射到模型的感兴趣区域，形成3D浮雕；最后，使用3D打印机打印模型。

本发明采用的技术方案是：

一种适用于3D打印的交互式3D浮雕方法，步骤如下：

(1)选取感兴趣区域

(1.1)构建切割面

第一步，用户通过鼠标输入选取模型上两点；第二步，用户通过键盘输入，在上述两点间绘制出一个箭头，该箭头可绕以第一步选中的两点所在直线为旋转轴且初始指向随机；第三步，用户通过键盘输入，控制箭头绕旋转轴旋转，箭头中轴线与切割平面法线垂直；切割平面具体表达如下：

其中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)为第一步中选取的两点的模型坐标，(x₃,y₃,z₃)为在箭头上且不在旋转轴上的任意一点模型坐标；

(1.2)构建切割路径

以步骤(1.1)中第一步的两点，一点作为切割起点，一点作为切割终点；第一步，遍历以切割起点为顶点的三角面片，找到第一个需要被切割的面片；第二步，计算三角面片的被切割边与切割平面的交点；第三步，基于半边数据结构和上一步的被切割边找到下一个被切割面片；第四步，重复第二步和第三步直至到切割终点结束；

交点计算步骤如下：

n·p+d＝0， (1.2)

n+(a+λ(c-a))+d＝0，

p＝a+λ(c-a)，

其中，n为切割平面的法向量，a和c为被切割边两端端点模型坐标向量，p为交点模型坐标向量，d和λ为系数；

(1.3)构建映射区域

第一步，依据步骤(1.1)和步骤(1.2)，按照逆时针或顺时针的顺序构建出感兴趣区域的四条边界，同时标记边界上的模型顶点；第二步，通过鼠标输入选取感兴趣区域内一点后，基于广度优先收索(BFS)算法遍历边界内顶点，构建出映射区域；

(2)三维浮雕构建

第一步，将多通道二维图像转为单通道灰度图；第二步，利用保形参数化(ARAP)映射算法，计算步骤(1)感兴趣区域内的点的纹理坐标，感兴趣区域内的点包括边界上顶点和边界内顶点；纹理坐标与灰度图数组映射如下：

i＝[t*(w-1)]， (2.1)

j＝[s*(h-1)]， (2.2)

其中，(t,s)为基于参数化算法计算得出的纹理坐标；w为图像宽度，h为图像高度，i,j分别表示图像数组第i列和第j行；

第三步，在前两步的基础上，改变感兴趣区域的模型坐标，进行3D雕刻；雕刻后感兴趣区域顶点模型坐标与雕刻前的模型坐标映射如下：

其中，v'为雕刻后感兴趣区域顶点模型坐标向量，v为雕刻前感兴趣区域顶点模型坐标向量，g_ij为图像数组第列第i行的灰度值j，n_v为对应顶点法向量，ε为雕刻深度参数，一般取值[-0.2,0.2]。

本发明的有益效果：本发明提出一种适用于3D打印的交互式3D浮雕设计方法，通过在三维模型上选择感兴趣区域，利用ARAP参数化映射算法实现二维图像在三角网格模型上的映射，以实现3D浮雕雕刻。通过本发明得到浮雕模型的过程具有简洁性、交互性强等特点。与传统浮雕方法相比，该方法具有交互性强，操作简便等优点。

附图说明

图1是本发明的交互式3D浮雕方法的流程图。

图2(a)是本发明3D浮雕效果正面图；

图2(b)是本发明3D浮雕效果立体图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种适用于3D打印的交互式3D浮雕方法及实现方法，具体可分为导入模型文件和图像文件，选取感兴趣区域，二维图像到三维模型映射，导出网格模型并进行3D打印几个主要步骤：

(1)选取感兴趣区域

(1.1)构建切割面

以M模型和P图像为例，基于OpenGL，Assimp和OpenCV分别导入M模型文件和P图像。顶点选取顺序以顺时针为例。第一步，通过鼠标输入在M模型上依次选取2个顶点v_a，v_b。切割平面为：

其中v_a＝(x₁,y₁,z₁),v_b＝(x₂,y₂,z₂)。

(1.2)构建切割路径

以v_a为切割起点，v_b为切割终点为例，通过鼠标输入和键盘输入，构建切割平面和切割路径。得到切割路径上顶点v₁₁,v₁₂,v₁₃……v_1n。第二步，通过鼠标输入在模型上选取另一点v_c，以v_b为切割起点，v_c为切割终点，构建平面和切割路径。得到切割路径上顶点v₂₁,v₂₂,v₂₃……v_2n。第三步，通过鼠标输入在模型上选取另一点v_d，以v_c为切割起点，v_d为切割终点，构建平面和切割路径。得到切割路径上顶点v₃₁,v₃₂,v₃₃……v_3n。第四步，以v_d为切割起点，v_a为切割终点，构建平面和切割路径。得到切割路径上顶点v₄₁,v₄₂,v₄₃……v_4n。

(1.3)构建映射区域

标记v₁₁,v₁₂,v₁₃……v_1n，v₂₁,v₂₂,v₂₃……v_2n，v₃₁,v₃₂,v₃₃……v_3n，v₄₁,v₄₂,v₄₃……v_4n为边界上顶点。基于BFS算法，遍历得到边界内顶点。边界上顶点及边界内顶点为感兴趣区域。

(2)三维浮雕构建

第一步，多通道二维图像转为单通道灰度图。第二步，基于ARAP映射算法，计算步骤(二)感兴趣区域内的点(包括边界上点和边界内顶点)的纹理坐标。以感兴趣区域内顶点v_α为例，纹理坐标与灰度图数组映射如下:

i₀＝[t_α*(w_p-1)]， (2.1)

j₀＝[s_α*(h_p-1)]， (2.2)

其中，(t_α,s_α)为顶点v_α基于ARAP算法计算得出的纹理坐标。w_p为图像宽度，h_p为图像高度，i₀表示图像数组第i₀列，j₀表示图像数组第j₀行。

第三步，在前两步的基础上，改变感兴趣区域的模型坐标，进行雕刻。以感兴趣区域内顶点v_α为例，雕刻后感兴趣区域顶点模型坐标与雕刻前的模型坐标映射如下:

其中，v_α'为雕刻后顶点，v_α为雕刻前顶点，g_i0j0为图像数组在(2.1)和(2.2)中图像第i₀列第j₀行对应的灰度值，n_α为感兴趣区域顶点v_α法向量，ε＝0.1为雕刻深度参数。最后，导出雕刻后模型文件*.stl，并进行3D打印。

Claims (1)

1.一种适用于3D打印的交互式3D浮雕方法，其特征在于，步骤如下：

(1)选取感兴趣区域

(1.1)构建切割面

第一步，用户通过鼠标输入选取模型上两点；第二步，用户通过键盘输入，在上述两点间绘制出一个箭头，该箭头可绕以第一步选中的两点所在直线为旋转轴且初始指向随机；第三步，用户通过键盘输入，控制箭头绕旋转轴旋转，箭头中轴线与切割平面法线垂直；切割平面具体表达如下：

其中，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)为第一步中选取的两点的模型坐标，(x₃,y₃,z₃)为在箭头上且不在旋转轴上的任意一点模型坐标；

(1.2)构建切割路径

以步骤(1.1)中第一步的两点，一点作为切割起点，一点作为切割终点；

第一步，遍历以切割起点为顶点的三角面片，找到第一个需要被切割的面片；

第二步，计算三角面片的被切割边与切割平面的交点；第三步，基于半边数据结构和上一步的被切割边找到下一个被切割面片；第四步，重复第二步和

第三步直至到切割终点结束；

交点计算步骤如下：

n·p+d＝0， (1.2)

n+(a+λ(c-a))+d＝0，

p＝a+λ(c-a)，

其中，n为切割平面的法向量，a和c为被切割边两端端点模型坐标向量，p为交点模型坐标向量，d和λ为系数；

(1.3)构建映射区域

第一步，依据步骤(1.1)和步骤(1.2)，按照逆时针或顺时针的顺序构建出感兴趣区域的四条边界，同时标记边界上的模型顶点；第二步，通过鼠标输入选取感兴趣区域内一点后，遍历边界内顶点，构建出映射区域；

(2)三维浮雕构建

第一步，将多通道二维图像转为单通道灰度图；第二步，利用参数化映射算法，计算步骤(1)感兴趣区域内的点的纹理坐标，感兴趣区域内的点包括边界上顶点和边界内顶点；纹理坐标与灰度图数组映射如下：

i＝[t*(w-1)]， (2.1)

j＝[s*(h-1)]， (2.2)

其中，(t,s)为基于参数化算法计算得出的纹理坐标；w为图像宽度，h为图像高度，i,j分别表示图像数组第i列和第j行；

第三步，在前两步的基础上，改变感兴趣区域的模型坐标，进行3D雕刻；雕刻后感兴趣区域顶点模型坐标与雕刻前的模型坐标映射如下：

其中，v'为雕刻后感兴趣区域顶点模型坐标向量，v为雕刻前感兴趣区域顶点模型坐标向量，g_ij为图像数组第列第i行的灰度值j，n_v为对应顶点法向量，ε为雕刻深度参数。

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