CN112132970A - 一种面向3d打印的自然纹理合成系统及方法 - Google Patents

一种面向3d打印的自然纹理合成系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向3D打印的自然纹理合成系统及方法，接收包含待制造模型的G‑code文件，接收输入的待嵌入的纹理图案；在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格；在参数空间内，将纹理图案映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真；嵌入纹理，生成带有自然纹理的模型G‑code文件。本发明能够保持物理模型的美观性，满足了交互式的设计、空间及时间负载小的设计需求。

Description

一种面向3D打印的自然纹理合成系统及方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种面向3D打印的自然纹理合成系统及方法。
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。
计算机图形学中的纹理，既包括通常意义上物体表面的几何纹理，使物体表面呈现凹凸不平的纹路，同时也包括在物体的光滑表面上的颜色纹理。三维几何纹理在现实生活中非常普遍，其多变的视觉效果和触觉体验受到人们的广泛关注和喜爱。近年来基于三维表面的几何纹理得到了广泛研究，但产生细致的三维纹理需要获得足够细分的网格，这会导致大量的计算和存储开销，影响切片及路径规划的处理速度且对硬件要求较高。
随着数字制造的不断发展，3D打印精度与打印速度逐渐提高，3D打印设备与打印材料的价格逐渐降低，3D打印也被广泛应用于各个领域。随着精度的提高，也使得3D打印生成复杂的几何纹理模型成为可能。
G-code(G代码)，是最为广泛使用的数控(numericalcontrol)编程语言，有多个版本，主要在计算机辅助制造中用于控制自动机床，例如3D打印机等。G代码有时候也称为G编程语言。在典型的线成型制造方式如熔融沉积成型(FDM)打印机中，用来设置坐标系统、控制挤出机温度等。要打印高质量的对象，代码命令需要适当的参数。
近年来，在网格模型上合成三维纹理得到了广泛的研究。然而，通常情况下如果在网格模型上想要生成细致的纹理则会导致高分辨率的网格，高分辨率的网格模型不仅在存储文件时需要大量的存储空间，也需要更多的处理时间，同时因为计算切片等也变得复杂，所以也为打印制造等步骤引入了大量的计算开销。
同时，当前信息化时代需要人们与产品方法等进行良好有效的沟通，具有可视化的简洁清楚的交互界面可以对用户的使用有极强的指导作用，使得整个使用过程清晰明了，更加方便用户操作，可以显著提高系统的友好性、可使用性、高效性、可选择性以及多样性。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种面向3D打印的自然纹理合成系统及方法，本发明在G-code级别嵌入用户所需的自然纹理，同时通过交互式的控制纹理的变形并可用于3D打印数字制造。纹理失真很小，保持了物理模型的美观性，满足了交互式的设计、空间及时间负载小的设计需求。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种面向3D打印的自然纹理合成方法，包括以下步骤：
接收包含待制造模型的G-code文件，接收输入的待嵌入的纹理图案；
在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格；
在参数空间内，将纹理图案映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真；
嵌入纹理，生成带有自然纹理的模型G-code文件。
所述模型G-code文件可以直接用于3D打印，因此，后续可以包含3D打印的步骤。
作为可选择的实施方式，接收输入的待嵌入的纹理图案的具体步骤包括：
接收用户绘制的二维纹理图案，作为嵌入到模型表面的纹理图案；
或，接收用户选择的灰度图像作为嵌入到模型表面的二维纹理图案。
作为可选择的实施方式，在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格的具体过程包括：
沿切片轮廓方向u和沿着3D打印方向v确定初始轮廓，构成一个轮廓的网格，该网格默认为正方形网格；选择G-code中的第一层作为基本层，将k个采样点放入最底层，并将其均匀分布在每个轮廓线上；
确定每一层轮廓之间的继承关系，来保持层与层之间的采样点的连续性；
对采样点进行优化。
作为进一步的实施方式，对采样点进行优化的具体过程包括：
将所有的轮廓上的采样点投影到它的继承轮廓，当将采样点投影到当前层时，使用投影能量来衡量失真；
定义投影能量
Figure BDA0002651850980000041
使得
Figure BDA0002651850980000042
其中，q为当前轮廓采样点的个数，
Figure BDA0002651850980000043
表示第i层的轮廓j的采样点，
Figure BDA0002651850980000044
表示
Figure BDA0002651850980000045
的前身的采样点，
Figure BDA0002651850980000046
是他们的投影距离；n表示当前层内的轮廓数，m表示当前轮廓的采样点的个数。
Figure BDA0002651850980000047
表示当前轮廓的长度。
通过能量方程找到每一个满足这个能量方程的
Figure BDA0002651850980000048
设
Figure BDA0002651850980000049
为第i层第j个轮廓的长度；抽样点的个数是nc，则求出
Figure BDA00026518509800000410
通过在范围δ∈[-λ，λ]内调整
Figure BDA00026518509800000411
的位置找到最好的
Figure BDA00026518509800000412
作为进一步的实施方式，对采样点进行优化的具体过程包括：
对采样点进行平滑操作，利用一个平滑掩模M(x)来平滑发生拓扑变化的区域的变化，M(x)由一组控制点
Figure BDA00026518509800000413
定义，对于每个控制点pi，定义平滑高斯核
Figure BDA00026518509800000414
σ为设定值；
使用4个相邻的采样点作为影响蒙版，控制点驱动的所有核函数
Figure BDA00026518509800000415
用作松弛调谐算子，平滑操作时，采样点被限制在代表原始模型的轮廓上。
作为可选择的实施方式，将纹理图案映射到网格的具体过程包括：
按网格方块为单位扫描每一块纹理图像，对于每个位置，在输入纹理中搜索一组满足重叠约束的块，并在一定的容错范围内随机选择一个这样的块。
作为可选择的实施方式，进行重叠区域的边界优化的具体过程包括：计算新选择的块与已经存在的块在重叠区域的误差，以误差最小的路径，作为更新像素点的边界指导。
作为可选择的实施方式，进行像素值更新的具体过程包括：对于重叠区域上的任意一点P，当其处于最小路径的边界线S左侧时，则取左侧的纹理块的像素值；反之，当其处于最小路径的边界线S右侧时，则取右侧的纹理块的像素值。
作为可选择的实施方式，嵌入纹理的具体过程包括：纹理嵌入部分根据上述步骤生成的参数空间中的网格及采样点，在每一块区域都嵌入经过处理的纹理，形成自然纹理效果；
将输入的纹理与原始轮廓上的点相对应，沿着法向方向n(u)进行偏移，产生最终的纹理。
一种面向3D打印的自然纹理合成系统，包括：
输入模块，被配置为接收包含待制造模型的G-code文件，接收输入的待嵌入的纹理图案；
参数化模块，被配置为在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格；
纹理生成模块，被配置为在参数空间内，将纹理图案映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真；
纹理嵌入模块，被配置为嵌入纹理，生成带有自然纹理的模型G-code文件。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明与传统的纹理嵌入方法相比，得到的G-code文件可以直接应用于3D打印制造，具有更高的3D打印效率和鲁棒性。
2、本发明在G-code级别上进行纹理合成工作，而不是在网格的级别上进行处理，大大降低了传统纹理嵌入方法在网格上进行的计算和时空开销。
3、本发明提供了一个用户界面来进行交互式的纹理输入，提高了方法的可使用性、高效性和友好性，提高了纹理生成的多样性，同时保证纹理与模型的适配，减少失真。
4、本发明全自动化生成纹理，无需较强的专业性，成本较低，便于操作，易于使用。
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为本发明的一种面向3D打印的交互式纹理生成方法流程图；
图2为输入的模型文件的示意图；
图3为参数空间构造后的网格示意图；
图4为更新重叠区域示意图；
图5为用户选择的纹理图案示意图；
图6为使用本发明的方法及系统生成的最终3D打印成品结果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供了一种面向3D打印的自然纹理合成系统及方法，该方法提出了一个直接在制造编程语言G-code级别生成交互式的几何纹理的方法。该方法通过输入三维模型的G-code文件以及交互界面中输入用户所需的纹理，在路径轮廓上嵌入纹理，不需要重建形状。首先通过交互界面输入所需的模型和纹理，然后进行交互的参数空间建设。在参数空间生成纹理，然后将自然纹理嵌入到G-code文件中生成可以直接用于3D打印的G-code文件。
该发明的主要目的是在G-code级别嵌入用户所需的自然纹理同时通过交互式的控制纹理的变形并可用于3D打印数字制造。同时，为了保持物理模型的美观性，纹理失真应尽可能小。满足了交互式的设计、空间及时间负载小的设计需求。
首先，输入一个待制造的模型的G-code文件，用户在交互界面中绘制二维纹理图案或读入一个灰度图像作为即将嵌入的纹理图案的输入。
然后在用户输入的约束下构造一个参数空间来进行纹理映射。本发明使用采样采样点来进行参数化。我们选择G-code文件中的第一层作为基础层，在基础层的轮廓中进行均匀的采样，使采样点均匀分布在该层的轮廓上。然后确定每一层轮廓之间的继承关系，来保持层与层之间的采样点的连续性。本发明采用一种投影能量来测量失真，并采用了一种投影松弛方案，在采样点均匀分布于每条轮廓线的约束下最小化投影能量获得采样点。
参数化后，将用户绘制或输入的纹理图片映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真。本发明将用户输入的图案进行处理，与原始轮廓上的点相对应，沿着当前的轮廓的方向的法向n(u)进行偏移，产生最终的纹理。
最后，本发明应用路径规划的方法来生成带有纹理的模型G-code文件，并可直接用于3D打印制造。
作为一种典型实施例，图1为本实施例的一种面向3D打印的自然纹理合成方法流程图。
本实施例中，采用M表示输入的待制造的模型，如附图2所示。
如图1所示，本发明的一种面向3D打印的自然纹理合成系统及方法，包括：
步骤(1)：输入待制造模型M的G-code文件。
其中，读入文件及用户交互部分，包括：
步骤(1.1)在交互界面中选择模型的G-code文件读入待处理。
步骤(2)：用户绘制二维纹理图案或读入一个灰度图像。
步骤(2.1)用户在交互界面中的绘制面板自由绘制二维纹理图案，作为嵌入到模型表面的纹理图案。在此步骤中会在绘制面板中对用户绘制的大小等进行一定的限制。
步骤(2.2)若不进行手动绘制，用户也可在交互界面中选择一张灰度图像作为嵌入到模型表面的二维纹理图案，如例图5所示。
步骤(3)：用户交互的参数空间的构建。
步骤(3.1)首先进行初始化。分别沿切片轮廓方向u和沿着3D打印方向v确定初始轮廓，构成一个轮廓的网格，该网格默认为正方形网格。选择G-code中的第一层作为基本层。将k个采样点放入最底层，并将其均匀分布在每个轮廓线上。
步骤(3.2)用户交互改变u方向和v方向上的轮廓的疏密。可根据模型的尺寸、形状等对网格进行一定的变形。
步骤(3.3)得到第i层和其前一层第i-1层轮廓的继承关系。
具体地，为了保持连续性，对于第i层的第j个轮廓
Figure BDA0002651850980000101
需要从其前身轮廓
Figure BDA0002651850980000102
投影采样点。使用多边形相交检测的方法来确定相邻层中两个轮廓之间的继承关系。将相邻层中的两个轮廓
Figure BDA0002651850980000103
和
Figure BDA0002651850980000104
投影到x-y平面上，如果它们有交集，则
Figure BDA0002651850980000105
的前身是
Figure BDA0002651850980000106
其中，对于第i-1层的每一个轮廓
Figure BDA0002651850980000107
测试了其与第i层中所有轮廓的继承关系。当轮廓
Figure BDA0002651850980000108
与层i中的所有轮廓都不相交，那么则认为轮廓
Figure BDA0002651850980000109
在第i层中消失，则忽略这个轮廓线，不把它的任何采样点投影到第i层。当轮廓
Figure BDA00026518509800001010
与第i-1层的任一轮廓都不相交，则认为他的前身，将其作为基础层，并在其上均匀分配采样点。
步骤(3.4)对采样点进行优化。
具体地，为了保证采样点在表面上的平滑传播，将所有的
Figure BDA00026518509800001011
轮廓上的采样点投影到它的继承轮廓。当将采样点投影到当前层时，使用投影能量E来衡量失真。我们定义投影能量
Figure BDA00026518509800001012
使得
Figure BDA00026518509800001013
其中，q为当前轮廓采样点的个数，
Figure BDA00026518509800001014
表示第i层的轮廓j的采样点，
Figure BDA0002651850980000111
表示
Figure BDA0002651850980000112
的前身的采样点，
Figure BDA0002651850980000113
是他们的投影距离；n表示当前层内的轮廓数，m表示当前轮廓的采样点的个数。
Figure BDA0002651850980000114
表示当前轮廓的长度。
然后，通过这个能量方程找到每一个满足这个能量方程的
Figure BDA0002651850980000115
设
Figure BDA0002651850980000116
为第i层第j个轮廓的长度。抽样点的个数是nc，则求出
Figure BDA0002651850980000117
通过在范围δ∈[-λ，λ]内调整
Figure BDA0002651850980000118
的位置找到最好的
Figure BDA0002651850980000119
步骤(3.5)松弛平滑。经过采样点投影，具有继承关系的采样点从下到上形成一组轨迹线。但是，当相邻层发生较大的几何变化时，由于采样点间距的恒定，必然导致层间的不平滑，所以要进行平滑操作。
具体地，我们利用一个平滑掩模M(x)来平滑发生拓扑变化的区域的变化。M(x)由一组控制点
Figure BDA00026518509800001110
定义。对于每个控制点pi，定义平滑高斯核
Figure BDA00026518509800001111
σ在实验过程中取值0.25P(pi)。
其中，我们使用4个相邻的采样点作为影响蒙版。控制点驱动的所有核函数
Figure BDA00026518509800001112
用作松弛调谐算子。平滑操作时，采样点必须被限制在代表原始模型的轮廓上，否则经过多次迭代后，基本形状会发生变化。
最终获得的参数化后的示意图如图3所示。
步骤(4):生成纹理。参数化后，将外表面与坐标空间结合，结合用户输入的纹理图片在模型表面形成所需的纹理。
步骤(4.1)初始化。将用户输入的图片纹理选择块平铺映射到参数化后的每一块网格中，网格示意图如图3所示。
具体地，按网格方块为单位扫描每一块纹理图像，对于每个位置，在输入纹理中搜索一组满足重叠约束的块(上方或者是左方)，并在一定的容错范围内随机选择一个这样的块。本实施例中重叠部分的宽度是块大小的1/6。误差是用像素值的L2范数计算的。误差容差被设置为最佳匹配块误差的0.1倍以内。
步骤(4.2)更新重叠区域。计算新选择的块与已经存在的块在重叠区域的误差。找到误差最小的路径，作为更新像素点的边界指导。
具体地，对于最小误差的切割边界像素点的选取，我们想要重叠的块在纹理最匹配的像素之间进行切割，那么就需要计算最小代价路径。
具体地，最小代价路径以下列方式进行计算。
假设b1和b2是沿着垂直边缘重叠的两个块，如例图4所示。设重叠区域分别为bov 1和bov 2，将误差定义为e＝(bov 1-bov 2)2。为了找到最小代价垂直切割路径，我们遍历所有块的误差e并计算所有路径的累积最小误差Ei，j＝ei，j+min(Ei-1，j-1，Ei-1，j，Ei-1，j+1)。
最后，直到计算到最后一行的最小值，则表明最小垂直路径的结束，然后向前追溯并找到最佳切割的路径。同样的程序也适用于水平重叠。当有垂直重叠和水平重叠时，最小路径会在中间会合，并选择整体的最小值作为对重叠区域划分的路径，根据这个路径对两侧的像素点进行更新。
进一步地，更新像素点时，如例图4所示，对于重叠区域上的任意一点P，当其处于最小路径的边界线S左侧时，则取左侧的纹理块的像素值。反之，当其处于最小路径的边界线S右侧时，则取右侧的纹理块的像素值。
步骤(4.3)重复上述步骤(4.2)及(4.3)直到所有块都已获得纹理并且自然融合。
步骤(4.4)纹理嵌入。
具体地，纹理嵌入部分根据上述步骤生成的参数空间中的网格及采样点，在每一块区域都嵌入经过处理的纹理，形成自然纹理效果。
将用户输入的纹理与原始轮廓上的点相对应，沿着法向方向n(u)进行偏移，产生最终的纹理。
步骤(5)：G-code生成。
在进行3D打印制作之前需要将上一步输出的多边形轮廓转换为G-code文件。
具体地，该步骤将根据使用的3D打印机型号进行移动指令、温度、路径规划等的设置，输出可以直接应用于所选用的3D打印机进行制造的G-code文件。
步骤(6)：将输出的模型G-Code文件使用匹配的3D打印机进行制造，获得打印成型的模型。例图6为使用本发明的方法及系统生成的最终结果图。
本发明提供了一个用户界面来进行交互式的纹理输入，提高了方法的可使用性、高效性和友好性，加入了用户的指导，提高了纹理生成的多样性，同时保证纹理与模型的适配，减少失真。
本发明在G-code级别上进行纹理合成工作，而不是在网格的级别上进行处理，大大降低了传统纹理嵌入方法在网格上进行的计算和时空开销。
本发明与传统的纹理嵌入方法相比，得到的G-code文件可以直接应用于3D打印，具有更高的打印效率。
本发明全自动化生成纹理，无需较强的专业性，成本较低，便于操作，易于使用。
本发明还提供以下产品实施例：
一种面向3D打印的自然纹理合成系统，包括：
输入模块，被配置为接收包含待制造模型的G-code文件，接收输入的待嵌入的纹理图案；
参数化模块，被配置为在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格；
纹理生成模块，被配置为在参数空间内，将纹理图案映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真；
纹理嵌入模块，被配置为嵌入纹理，生成带有自然纹理的模型G-code文件。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述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 (10)

1.一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：包括以下步骤：
接收包含待制造模型的G-code文件，接收输入的待嵌入的纹理图案；
在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格；
在参数空间内，将纹理图案映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真；
嵌入纹理，生成带有自然纹理的模型G-code文件。
2.如权利要求1所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：接收输入的待嵌入的纹理图案的具体步骤包括：
接收用户绘制的二维纹理图案，作为嵌入到模型表面的纹理图案；
或，接收用户选择的灰度图像作为嵌入到模型表面的二维纹理图案。
3.如权利要求1所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格的具体过程包括：
沿切片轮廓方向u和沿着3D打印方向v确定初始轮廓，构成一个轮廓的网格，该网格默认为正方形网格；选择G-code中的第一层作为基本层，将k个采样点放入最底层，并将其均匀分布在每个轮廓线上；
确定每一层轮廓之间的继承关系，来保持层与层之间的采样点的连续性；
对采样点进行优化。
4.如权利要求3所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：对采样点进行优化的具体过程包括：
将所有的轮廓上的采样点投影到它的继承轮廓，当将采样点投影到当前层时，使用投影能量来衡量失真；
定义投影能量
Figure FDA0002651850970000021
使得
Figure FDA0002651850970000022
其中，q为当前轮廓采样点的个数，
Figure FDA0002651850970000023
表示第i层的轮廓j的采样点，
Figure FDA0002651850970000024
表示
Figure FDA0002651850970000025
的前身的采样点，
Figure FDA0002651850970000026
是他们的投影距离；n表示当前层内的轮廓数，m表示当前轮廓的采样点的个数，
Figure FDA0002651850970000027
表示当前轮廓的长度。
通过能量方程找到每一个满足这个能量方程的
Figure FDA0002651850970000028
设
Figure FDA0002651850970000029
为第i层第j个轮廓的长度；抽样点的个数是nc，则求出
Figure FDA00026518509700000210
通过在范围δ∈[-λ，λ]内调整
Figure FDA00026518509700000211
的位置找到最好的
Figure FDA00026518509700000212
5.如权利要求3所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：对采样点进行优化的具体过程包括：
对采样点进行平滑操作，利用一个平滑掩模M(x)来平滑发生拓扑变化的区域的变化，M(x)由一组控制点
Figure FDA00026518509700000213
定义，对于每个控制点pi，定义平滑高斯核
Figure FDA00026518509700000214
σ为设定值；
使用多个相邻的采样点作为影响蒙版，控制点驱动的所有核函数
Figure FDA0002651850970000031
用作松弛调谐算子，平滑操作时，采样点被限制在代表原始模型的轮廓上。
6.如权利要求1所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：进行重叠区域的边界优化的具体过程包括：计算新选择的块与已经存在的块在重叠区域的误差，以误差最小的路径，作为更新像素点的边界指导；
或，进行像素值更新的具体过程包括：对于重叠区域上的任意一点P，当其处于最小路径的边界线S左侧时，则取左侧的纹理块的像素值；反之，当其处于最小路径的边界线S右侧时，则取右侧的纹理块的像素值。
7.如权利要求1所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法，其特征是：嵌入纹理的具体过程包括：纹理嵌入部分根据上述步骤生成的参数空间中的网格及采样点，在每一块区域都嵌入经过处理的纹理，形成自然纹理效果；
将输入的纹理与原始轮廓上的点相对应，沿着法向方向n(u)进行偏移，产生最终的纹理。
8.一种面向3D打印的自然纹理合成系统，其特征是：包括：
输入模块，被配置为接收包含待制造模型的G-code文件，接收输入的待嵌入的纹理图案；
参数化模块，被配置为在约束下构造参数空间，确定输入的待制造模型轮廓的网格；
纹理生成模块，被配置为在参数空间内，将纹理图案映射到网格，并进行重叠区域的边界优化和像素值更新，在模型表面形成所需的纹理并且最小化分界接缝间的扭曲及失真；
纹理嵌入模块，被配置为嵌入纹理，生成带有自然纹理的模型G-code文件。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种面向3D打印的自然纹理合成方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113752544A (zh) * 2021-08-19 2021-12-07 苏州同异三维打印科技有限公司 一种基于木纹的仿生3d打印方法
CN114147969A (zh) * 2021-11-16 2022-03-08 深圳市创必得科技有限公司 模型预处理环形纹理消隐方法、装置、设备及存储介质
CN115107139A (zh) * 2022-07-26 2022-09-27 河北工业大学 非标准结构构件混凝土模板3d打印路径的规划方法及设备
CN116843862A (zh) * 2023-08-29 2023-10-03 武汉必盈生物科技有限公司 一种三维薄壁模型网格表面纹理合成方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105377533A (zh) * 2013-06-26 2016-03-02 微软技术许可有限责任公司 使用任意打印机和任意软件应用的3d打印方法和计算设备
CN107145928A (zh) * 2017-05-16 2017-09-08 山东大学 改进的面向3d打印自定义模型立体二维码生成方法及系统
US20180186092A1 (en) * 2016-12-30 2018-07-05 Konica Minolta Laboratory U.S.A., Inc. Patterns for 3d printing
CN108830776A (zh) * 2018-07-31 2018-11-16 浙江财经大学 面向3d打印模型的三维可见实体水印版权防伪标识方法
CN111340959A (zh) * 2020-02-17 2020-06-26 天目爱视（北京）科技有限公司 一种基于直方图匹配的三维模型无缝纹理贴图方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105377533A (zh) * 2013-06-26 2016-03-02 微软技术许可有限责任公司 使用任意打印机和任意软件应用的3d打印方法和计算设备
US20180186092A1 (en) * 2016-12-30 2018-07-05 Konica Minolta Laboratory U.S.A., Inc. Patterns for 3d printing
CN107145928A (zh) * 2017-05-16 2017-09-08 山东大学 改进的面向3d打印自定义模型立体二维码生成方法及系统
CN108830776A (zh) * 2018-07-31 2018-11-16 浙江财经大学 面向3d打印模型的三维可见实体水印版权防伪标识方法
CN111340959A (zh) * 2020-02-17 2020-06-26 天目爱视（北京）科技有限公司 一种基于直方图匹配的三维模型无缝纹理贴图方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113752544A (zh) * 2021-08-19 2021-12-07 苏州同异三维打印科技有限公司 一种基于木纹的仿生3d打印方法
CN113752544B (zh) * 2021-08-19 2023-11-10 苏州同异三维打印科技有限公司 一种基于木纹的仿生3d打印方法
CN114147969A (zh) * 2021-11-16 2022-03-08 深圳市创必得科技有限公司 模型预处理环形纹理消隐方法、装置、设备及存储介质
CN114147969B (zh) * 2021-11-16 2024-04-16 深圳市创必得科技有限公司 模型预处理环形纹理消隐方法、装置、设备及存储介质
CN115107139A (zh) * 2022-07-26 2022-09-27 河北工业大学 非标准结构构件混凝土模板3d打印路径的规划方法及设备
CN115107139B (zh) * 2022-07-26 2022-11-04 河北工业大学 非标准结构构件混凝土模板3d打印路径的规划方法及设备
CN116843862A (zh) * 2023-08-29 2023-10-03 武汉必盈生物科技有限公司 一种三维薄壁模型网格表面纹理合成方法
CN116843862B (zh) * 2023-08-29 2023-11-24 武汉必盈生物科技有限公司 一种三维薄壁模型网格表面纹理合成方法

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