CN111914974B

CN111914974B - 一种面向3d打印的立体二维码生成方法及系统

Info

Publication number: CN111914974B
Application number: CN202010647078.8A
Authority: CN
Inventors: 吕琳; 彭昊; 刘培庆; 刘霖; 屠长河; 陈宝权
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: CN111914974A

Abstract

本发明公开了一种面向3D打印的立体二维码生成方法及系统，包括：将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内；在环境光下对二维码进行模拟，根据模拟结果以及二维码凸起高度和凹陷深度对二维码黑块的连续性进行优化；对优化后的二维码计算在方向光下凸起操作和凹陷操作的最优比例，根据最优比例对优化后的二维码进行凸起操作和凹陷操作，在自定义3D模型中生成立体二维码；对含有立体二维码的3D模型进行3D打印后，得到立体二维码的3D实物。通过将平面二维码映射到自定义3D模型的指定投影区域，通过二维码模块优化和三维结构优化，在预设的方向光条件下，对二维码凸起和凹陷的位置和高度进行优化，以实现立体二维码的可解码性和低显著性。

Description

一种面向3D打印的立体二维码生成方法及系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种面向3D打印的立体二维码生成方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

二维码，又称快速响应码，有比条形码更强大的存储信息的能力且可被快速解码。近年来随着移动设备的普及，其包含的扫码软件通过内置摄像头即可容易地解码二维码中包含的信息，二维码被广泛应用于各种领域，如信息获取、广告推送、手机电商、防伪溯源等。

3D打印，又称增材制造，输入数字模型文件，使用金属粉末、塑料、树脂等材料，通过逐层打印的方式来构造物体。常在模具制造、工业设计等领域，能够自动、快速、精确地将数字模型转化为实体模型，直接制造模具或零件，缩短了产品的设计周期。

近年来，出现了一些二维码与3D打印结合的技术，将立体二维码嵌入三维模型，通过3D打印的方式进行制造；目前，对二维码的打印方法中，通过对输入模型的几何结构分析，将二维码经过透视投影映射到合适的区域，然后进行凹陷操作生成立体二维码；或在用户指定的区域进行二维码映射，并在进行凹陷操作生成立体二维码时，根据模拟二维码图像的结果调整凹陷操作的深度，最终生成凹陷深度得到优化的立体二维码。以上方法通过在三维模型上进行凹陷操作生成立体二维码，利用凹陷操作产生的阴影实现解码所需的符号反差，实现了使用单一材料进行立体二维码的制造，提供了将二维码应用于任意三维模型并可以被成功解码的可行思路。

但是，发明人发现以上方法在生成立体二维码时，需要在三维模型上进行大量凹陷操作，对模型表面造成不可逆的破坏，在薄壳、多孔模型上生成立体二维码会对其结构稳定性造成极大影响；此外一次生成、永久存在的立体二维码影响了模型外观的一体性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种面向3D打印的立体二维码生成方法及系统，通过将平面二维码映射到自定义3D模型的指定投影区域，通过二维码模块优化和三维结构优化，在预设的方向光条件下，对二维码凸起和凹陷的位置和高度进行优化，以实现立体二维码的可解码性和低显著性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种面向3D打印的立体二维码生成方法，包括：

将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内；

在环境光下对二维码进行模拟，根据模拟结果以及二维码凸起高度和凹陷深度对二维码黑块的连续性进行优化；

对优化后的二维码计算在方向光下凸起操作和凹陷操作的最优比例，根据最优比例对优化后的二维码进行凸起操作和凹陷操作，在自定义3D模型中生成立体二维码；

对含有立体二维码的3D模型进行3D打印后，得到立体二维码的3D实物。

第二方面，本发明提供一种面向3D打印的立体二维码生成系统，包括：

投影模块，用于将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内；

二维优化模块，用于在环境光下对二维码进行模拟，根据模拟结果以及二维码凸起高度和凹陷深度对二维码黑块的连续性进行优化；

三维优化模块，用于对优化后的二维码计算在方向光下凸起操作和凹陷操作的最优比例，根据最优比例对优化后的二维码进行凸起操作和凹陷操作，在自定义3D模型中生成立体二维码；

打印模块，用于对含有立体二维码的3D模型进行3D打印后，得到立体二维码的3D实物。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在生成立体二维码时，采用了凸起和凹陷两种操作，为了立体二维码的低显著性，同时保证可解码性，引入一束特定方向的光线，计算在该光束下产生合适阴影的凸起和凹陷操作，利用方向光产生的阴影实现解码所需的符号反差，能够极大降低凸起高度以及凹陷深度，从而减小了对模型外观的影响，在环境光下实现低显著性的视觉效果；相较于其他类型的立体二维码，本发明在薄壳、多孔模型上，拥有更好的适应性，能够满足对产品外观标签有特定要求的设计需求。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的面向3D打印的立体二维码生成方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的二维码透视投影示意图；

图3(a)-3(c)为本发明实施例1提供的二维模块优化示意图；

图4为本发明实施例1提供的凸起与凹陷操作示意图；

图5为本发明实施例1提供的立体二维码凸起、凹陷结构示意图；

图6(a)-6(b)为本发明实施例1提供的环境光、方向光下立体二维码效果图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种面向3D打印的立体二维码生成方法，包括：

S1：将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内；

S2：在环境光下对二维码进行模拟，根据模拟结果以及二维码凸起高度和凹陷深度对二维码黑块的连续性进行优化；

S3：对优化后的二维码计算在方向光下凸起操作和凹陷操作的最优比例，根据最优比例对优化后的二维码进行凸起操作和凹陷操作，在自定义3D模型中生成立体二维码；

S4：对含有立体二维码的3D模型进行3D打印后，得到立体二维码的3D实物。

所述步骤S1中，将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内，具体包括：

S1-1：自定义设置方向光角度、强度，以及环境光强度，其中，方向光指从某一光源发出的有特定指向的光线；在自定义3D模型中设置投影区域，包括：

S1-1-1：根据环境光、方向光属性分别建立环境光光照模型和方向光光照模型：

其中，n_p为p点法向量，Ω为p点可视区域，V_p,ω为p点的可见性函数，当p在ω方向可见时定义为1，反之为0；l_r为反射光线向量；

I_P＝I_aρπO_a+I_dρO_d，

其中，I_a为光照模型，I_a、I_d分别为环境光强度和方向光强度，ρ为材料反射率；

S1-1-2：建立灰度照度映射：

G＝I_P ^γ，0<γ<1，

其中，γ为光强度到灰度的转换参数，该参数由光强度与实际拍摄图片的灰度值进行曲线拟合获得，本实施例取值γ＝1/2.2；

S1-1-3：根据光照模型与灰度映射函数，实现对立体二维码的精确模拟图像，用于指导对3D模型的优化，通过旋转和平移自定义3D模型，交互设置投影区域；

S1-2：采用透视投影变换方法将二维码映射到投影区域内，如图2所示，包括：

S1-2-1：计算投影区域内顶点的平均法向量N作为投影方向；

S1-2-2：根据投影区域中心点O和投影方向N，获得平面α；

S1-2-3：计算3D模型对角线长度r，以平面α上过O点的两垂直向量和平均法向量N建立坐标系，由方向光角度θ与O点欧式距离10r，计算得到方向光光源位置；

S1-2-4：在二维码上进行均匀采样，使用透视投影将采样点映射到投影区域；

S1-2-5：对投影区域内的点进行网格化，构建二维码在投影区域的三角网格表示。

所述步骤S2中：通过由二维码的凸起高度和凹陷深度、在环境光下的模拟灰度值矩阵以及解码损失函数构建能量函数，对二维码中使能量函数下降值大于阈值的黑块转化为白块，得到优化后的二维码；

如图3所示，通过对二维码进行二维模块优化，降低部分黑块的连续性，包括：

S2-1：以二维码生成成本最小和显著性最低构建能量函数E1，用于衡量二维码生成成本和显著性：

其中，D为描述立体二维码凸起和凹陷程度的函数，计算二维码区域内所有顶点初始位置与终点位置的位移差之和；Q_a为立体二维码在环境光下的模拟结果，为灰度值矩阵；U为原始投影区域在环境光下的模拟结果，为灰度值矩阵；L为标识二维码可解码的损失函数，当二维码不可解码时，L(Q)→∞；α、β、γ为系数。

S2-2：使用贪心算法，依次选择二维码中使能量函数下降最多的黑块，将其设置为白块，直至可选择的黑块对应的能量函数下降值小于阈值。

所述步骤S3中，对立体二维码进行三维结构优化，调整凸起和凹陷操作的相对比例，包括：

S3-1：根据黑块和白块的分布将二维码划分为多个子区域，子区域包括沿方向光方向的连续黑块和左邻的白块；

S3-2：以最小化子区域内生成成本和显著性差异为目标建立三维优化目标函数：

其中，m为子区域数量，α、β分别为生成成本项与显著性差异项的控制参数，在本实施例中分别可取值为0.5；t_i为子区域内凸起操作与凹陷操作的比例系数；

为立体二维码子区域内在环境光下的模拟结果，

为子区域在生成立体二维码之前在环境光下的模拟结果；

为子区域内生成成本函数：

其中，L₃、L分别为左邻白块长度，黑块长度；θ、α分别为区域方向向量与方向光向量夹角、投影向量与方向光向量夹角；

S3-3：使用共轭梯度法优化目标函数，得到凸起操作和凹陷操作的比例t；

S3-4：根据比例系数、方向光方向、顶点投影向量、黑块长度，计算凸起高度H以及凹陷深度D，沿投影反方向对顶点进行凸起或凹陷操作，如图4、图5所示；

其中，

H＝L·t sin θ csc α，

D＝L·(1-t)sin θ csc α，

在本实施例中，还包括对立体二维码进行后处理，消除反射和亮度不足现象，包括：

S4-1：对于灰度值低于阈值的白块，进行亮度补偿，修改该白块结构，使白块区域内顶点法向与反射光线向量夹角变小；

S4-2：对凹陷区域的方向光反射面进行角度调整，使反射光线避免干扰阴影区域，对凹陷部分进行反射消除；

S4-3：对含有立体二维码的3D模型采用3D打印机进行3D打印，并利用单一材料进行打印后，得到立体二维码的3D实物；如图6所示为生成的立体二维码在环境光和方向光下的效果。

实施例2

本实施例提供一种面向3D打印的立体二维码生成系统，包括：

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤S1至S4，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种面向3D打印的立体二维码生成方法，其特征在于，包括：

将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内；

对含有立体二维码的3D模型进行3D打印后，得到立体二维码的3D实物；

所述根据模拟结果以及二维码凸起高度和凹陷深度对二维码黑块的连续性进行优化，包括：

以二维码生成成本最小和显著性最低构建能量函数E1，用于衡量二维码生成成本和显著性：

其中，D为描述立体二维码凸起和凹陷程度的函数，计算二维码区域内所有顶点初始位置与终点位置的位移差之和；Q_a为立体二维码在环境光下的模拟结果，为灰度值矩阵；U为原始投影区域在环境光下的模拟结果，为灰度值矩阵；L为标识二维码可解码的损失函数，当二维码不可解码时，L(Q)→∞；α、β、γ为系数；

使用贪心算法，依次选择二维码中使能量函数下降最多的黑块，将其设置为白块，直至可选择的黑块对应的能量函数下降值小于阈值；得到优化后的二维码；

所述对优化后的二维码计算在方向光下凸起操作和凹陷操作的最优比例，根据最优比例对优化后的二维码进行凸起操作和凹陷操作，包括：

根据黑块和白块的分布将二维码划分为多个子区域，子区域包括沿方向光方向的连续黑块和左邻的白块；以最小化子区域内生成成本和显著性差异为目标建立三维优化目标函数；使用共轭梯度法优化目标函数，得到凸起操作和凹陷操作的最优比例；根据最优比例、方向光方向、顶点投影向量、黑块长度，计算凸起高度以及凹陷深度，沿投影反方向对顶点进行凸起或凹陷操作。

2.如权利要求1所述的一种面向3D打印的立体二维码生成方法，其特征在于，所述将二维码映射到自定义3D模型的投影区域内，具体包括：

对自定义3D模型根据光照强度和灰度设置投影区域；

采用透视投影变换方法将二维码映射到投影区域内；

所述对自定义3D模型根据光照强度和灰度设置投影区域，包括：

根据环境光、方向光属性分别建立环境光光照模型和方向光光照模型：

I_P＝I_aρπO_a+I_dρO_d，

建立灰度照度映射：

G＝I_P ^γ，0<γ<1，

其中，γ为光强度到灰度的转换参数，由光强度与实际拍摄图片的灰度值进行曲线拟合获得；

根据光照模型与灰度映射函数，实现对立体二维码的精确模拟图像，用于指导对3D模型的优化，通过旋转和平移自定义3D模型，交互设置投影区域。

3.如权利要求2所述的一种面向3D打印的立体二维码生成方法，其特征在于，所述采用透视投影变换方法将二维码映射到投影区域内包括：

以投影区域内顶点的平均法向量作为投影方向，根据投影区域中心点和投影方向，得到平面；

计算3D模型对角线长度r，以平面上过投影区域中心点的两垂直向量和平均法向量建立坐标系，由方向光角度与投影区域中心点欧式距离10r，计算得到方向光光源位置；

采用透视投影将二维码的采样点映射到投影区域；

对投影区域内的采样点进行网格化，得到二维码在投影区域的三角网格表示。

4.如权利要求1所述的一种面向3D打印的立体二维码生成方法，其特征在于，对立体二维码进行后处理，包括：对白块灰度值低于灰度阈值的白块进行亮度补偿，以及对凹陷区域的方向光反射面进行角度调整。

5.一种面向3D打印的立体二维码生成系统，其特征在于，包括：

二维优化模块，在环境光下对二维码进行模拟，根据模拟结果以及二维码凸起高度和凹陷深度对二维码黑块的连续性进行优化；

三维优化模块，对优化后的二维码计算在方向光下凸起操作和凹陷操作的最优比例，根据最优比例对优化后的二维码进行凸起操作和凹陷操作，在自定义3D模型中生成立体二维码；

打印模块，对含有立体二维码的3D模型进行3D打印后，得到立体二维码的3D实物；

6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-4任一项所述的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-4任一项所述的方法。