CN113704208A - 一种3d打印文件的压缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印文件的压缩方法，包括如下步骤：步骤（1）遍历所有层的图像数据，将像素值小于设定值的数据设置为0，保存新的图像数据；步骤（2）遍历所有层的图像数据，获取当前层与上一层的像素值差异图，判断并标记每一层为差异层、非差异层或者基准层；步骤（3）根据像素值将所有数据分类：有效数据、灰度数据和无效数据；步骤（4）前层若是基准层，则将该层的所有数据分类编码；当前若是差异层，则将该层的差异图分类编码；当前层若是非差异层，则记录其层数；步骤（5）重复步骤（4）直至所有层已编码或者已记录层数。本发明通过无效数据过滤、相邻层图像数据做差和分类编码的方式有效压缩3D打印文件的储存大小。
Description
技术领域
本发明属于数据处理领域，具体涉及一种3D打印文件的压缩方法。
背景技术
在3D光固化打印机中，打印文件是由一张张3D模型切片图和一部分参数组合而成的一种记录性文件。打印文件主要记录3D模型切片后的大量的层图像数据，对复杂度高和体积较大的模型来说，由于信息量巨大，往往导致该类型的记录性文件过大。比如目前常见格式的打印文件，svg文件或者简单打包文件等，一个打印文件就超过2GB。
在3D光固化打印机的软件控制系统中，往往由于硬件成本、嵌入式软件架构等导致可用的运行内存相对十分有限，而目前常见的压缩位图（如png）和矢量图（如svg）加载都需要先开辟同图像大小的内存，一次完整加载图像后，才能一并传递给“显存”。目前常见的4KLCD打印机需要开辟8MB，6K打印需要开辟20MB内存。为了加快效率或者支持其他功能等，需要额外开辟同大小内存，而部分运行内存只有128MB。以上方式很容易导致运行内存占用过高，从而导致系统不稳定。因此，需要一种3D打印文件的压缩方法，降低3D模型切片图的内存。
发明内容
本发明的目的在于针对光固化打印机中，打印文件过大问题和内存中层图像大小占用过大，提出一种3D打印文件的压缩方法，通过无效数据过滤、相邻层图像数据做差和分类编码的方式解决打印文件过大问题。
一种3D打印文件的压缩方法，包括如下步骤：
步骤（1）过滤数据：遍历所有层的图像数据，将像素值小于设定值的数据设置为0，保存新的图像数据。
图片的背景通常为像素值较小的数据，这些数据可以统一设置为0便于后期数据的分类。
步骤（2）获取差异图并标记每一层：遍历所有层的图像数据，获取当前层与上一层的像素值的差异图，判断并标记每一层为差异层、非差异层或者基准层。
3D模型切片后可能会有一些切片图片相同，例如圆柱模型的每一个切片图都相同，因此这些相同的切片图层被标记为非差异层，若该层与上一层有差异，则标记为差异层。连续相同的非差异层中，第一个出现的非差异层标记为基准层。
步骤（3）数据分类：根据像素值将所有数据分为三类：有效数据、灰度数据和无效数据。
在3D光固化打印中，有效数据是光强值最大的部分，无效数据是光强值为0的部分，灰度数据是其余的部分，光强值越大，光固化树脂固化越快。
步骤（4）根据当前层类型和数据类型编码：当前层若是基准层，则将该层的所有数据根据有效数据、灰度数据和无效数据进行分类编码；当前若是差异层，则将该层的差异图根据有效数据、灰度数据和无效数据进行分类编码；当前层若是非差异层，则记录其层数。
非差异层不需要每一层都编码，只要记录基准层的所有数据和该基准层的连续非差异层的层数即可。对于差异层，只需将该差异层的差异图进行编码，无需将该差异层所有的图像数据进行编码。读取的时候将差异图叠加到上一层的图像数据上，即可生成该差异层的图像数据。有效数据和无效数据的像素值都是固定的，而且通常为连续的，因此只需要记录其长度，无需记录每个数据的像素值。灰度数据的数值不同，每个灰度数据都要进行编码。该步骤通过非差异层记录层数、差异层的差异图编码、数据分类编码三个方法有效压缩3D打印图片的储存大小。
步骤（5）重复步骤（4）直至所有层已编码或者已记录层数。
优选的，步骤（1）中，设定值的范围为10-100。设定值越高，过滤数据越多，降低打印精度；设定值越低，过滤数据越少，压缩效果越差，因此需要根据3D模型的实际情况对设定值进行选择。
优选的，步骤（2）中，若当前层与上一层像素值没有区别，则标记当前层非差异层，连续相同的非差异层中，第一个出现的非差异层标记为基准层；若当前层与上一层像素值有区别，则标记当前层为差异层。通过区别差异层、非差异层和基准层，便于后期压缩非差异层和差异层。
优选的，步骤（2）中，生成差异图时，设△diffPix=当前层像素值-上一层像素值，若△diffPix≥0，直接保存△diffPix；若△diffPix<0，保存255+△diffPix。
优选的，步骤（3）中，有效数据为像素值=255，灰度数据为0<像素值<255，无效数据为像素值=0。有效数据为模型主体部分，灰度数据为模型轮廓，无效数据为背景。
优选的，步骤（4）中，具体编码步骤如下：
步骤a.遍历该层每一行内的每一个数据；
步骤b.找到当前行下一连续段第一个非无效数据位置；该步骤找到3D模型的边缘；
步骤c.把当前累计的连续的无效数据进行编码写入无效数据队列；该步骤将3D模型边缘之前的无效数据（即背景）编写进无效数据队列；
步骤d.把当前非无效数据放入非无效数据队列；该步骤把3D模型的数据放入非无效数据队列；
步骤e.遍历索引值加一后，重复步骤d，直到找到第一个无效数据位置；该步骤找到3D模型另一个边缘；
步骤f.将非无效数据队列中的有效数据和灰度数据分别进行编码；该步骤将灰度数据进行编码，有效数据可根据其连续长度进行压缩；
步骤g.无效数据长度累加1；
步骤h.重复步骤b-g，直至当前行最后一个像素值；
步骤i.遍历下一行，重复步骤a-h，直至遍历该层所有行。
优选的，步骤（4）中的步骤f中，具体步骤如下：对非无效数据队列统计连续相同值长度得到连续相同值长度数组I，遍历连续相同值长度数组I，提取连续相同值大于2的值，对连续相同值大于2的值前后的连续相同值小于等于2的值分别做加法，得到连续相同值长度数组II，连续相同值长度数组II描述了非无效数据队列中连续相同值长度大于2的分布情况；遍历连续相同值长度数组II，对其中长度大于1的有效数据进行有效数据编码，对其余部分进行灰度数据编码。
优选的，编码过程中，若超过数据编码最大长度，对数据进行分段同方式编码。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明通过无效数据过滤、相邻层图像数据做差和分类编码的方式解决打印文件过大问题，能有效压缩3D打印图片的储存大小。具体有益效果如下：
1、3D打印图片背景，即无效数据，若每个都编码，则会占用了许多内存，因此过滤这些无效数据，使其像素值均为0，便于后期数据分类，同样也便于无效数据的编码。
2、分辨出差异层、非差异层基准层之后，非差异层不需要每一层都编码，只要记录基准层的所有数据和该基准层的连续非差异层的层数即可，差异层只需将该差异层的差异图进行编码，无需将该差异层所有的图像数据进行编码，从而压缩3D打印图片的储存大小。
3、有效数据和无效数据因为数值固定，而且通常为连续的，因此将有效数据和无效数据提取出来，分别记录其连续的长度，无需每个数据进行编码，从而压缩储存大小。灰度数据的数值不同，因此每个灰度数据都要进行编码。分类编码进一步压缩打印图片的储存大小。
附图说明
图1为实施例1中3D模型的三维图；
图2为3D模型的一层切片图像的示意图；
图3为图2中A处放大示意图；
图4为实施例1中一种3D打印文件的压缩方法的流程图；
图5为灰度-UV光强关系图；
图6为3D模型的一层切片图像的灰度频次直方图。
其中，1为模型主体，2为模型轮廓，3为背景。
具体实施方式
实施例1
本实施例1采用的3D模型如图1所示，将该3D模型通过切片软件切片，其中一层的切片图像如图2所示。将图2中的A处放大，得到图3。从图2和图3切片图像中可以看出，黑色部分为背景1，灰色部分为模型轮廓2，白色部分为模型主体3。
如图4所示，一种3D打印文件的压缩方法，包括如下步骤：
步骤（1）过滤数据：遍历所有层的图像数据，将像素值小于设定值30的数据设置为0，保存新的图像数据。
位图在描述一个不规则形状时会使用调色技术(也称抗锯齿技术)提高图像边缘平滑度，其中提高平滑度的同时会带入大量的过渡数据，也叫灰度，灰度（即像素值）范围是(0, 255)。
图5的灰度-UV光强关系图描述了不同灰度下，LCD液晶屏幕上的光强值（uw/cm2）。可以看出当像素值小于50的时候，UV光强小于100 uw/cm2。光固化3D打印模型时树脂固化需要达到一定强度的光强值，若低于某一光强值树脂不会固化，故低于一定值的灰度树脂不会固化，这些数据也是无效的，可以舍弃。
如图6所示，灰度频次直方图描述了该切片图像的灰度分布情况，其中近75%是落在（0-30）的数据。如图2和图3所示，这些像素值小于30的数据为打印模型的背景1，属于无效数据，若将这些无效数据每个进行编码，则会占用了许多内存。因此步骤（1）过滤这些无效数据，使其像素值均为0，便于后期数据分类，同样也便于无效数据的编码。
设定值越高，过滤数据越多，降低打印精度；设定值越低，过滤数据越少，压缩效果越差，因此需要根据3D模型的实际情况对设定值进行选择。本实施例中，分析图5和图6的数值后，取设定值为30。
步骤（2）获取差异图并标记每一层：遍历所有层的图像数据，获取当前层与上一层的像素值的差异图，生成差异图时，设△diffPix=当前层像素值-上一层像素值，若△diffPix≥0，直接保存△diffPix；若△diffPix<0，保存255+△diffPix；若当前层与上一层没有区别，则标记当前层非差异层，连续相同的非差异层中，第一个出现的非差异层标记为基准层；若当前层与上一层像素值有区别，则标记当前层为差异层。
本实施例中，3D模型可能会出现若干连续的非差异层，将这些非差异层标记，第一个出现的非差异层标记为基准层。其余的差异层记录其差异图，例如当前层某一行的像素值为（0，0，135，235，245，255，255，255，245，235，135，0，0），上一层该行的像素值为（0，0，125，225，250，255，255，255，250，230，145，0，0），则记录的差异图中该行的像素值为（0，0，10，10，250，0，0，0，250，5，245，0，0）。
步骤（3）数据分类：根据像素值将所有数据分为三类：有效数据、灰度数据和无效数据，有效数据为像素值=255，灰度数据为0<像素值<255，无效数据为像素值=0。
如图2和图3所示，模型主体1为有效数据，模型轮廓2为灰度数据，背景3为无效数据。在3D光固化打印中，有效数据是光强值最大的部分，无效数据是光强值为0的部分，灰度数据是其余的部分，光强值越大，光固化树脂固化越快。
步骤（4）根据当前层类型和数据类型编码：当前层若是基准层，则将该层的所有数据根据有效数据、灰度数据和无效数据进行分类编码；当前若是差异层，则将该层的差异图根据有效数据、灰度数据和无效数据进行分类编码；当前层若是非差异层，则记录其层数。
以基准层为例，将数据进行分类编码的具体步骤如下：
步骤a. 遍历该层每一行内的每一个数据。
步骤b. 当前行像素值为（0，0，0，0，145，240，255，255，255，245，135，0，0，0，0），找到第一个非无效数据145，位置在第5位，从而找到模型轮廓2。
步骤c. 把145之前的无效数据，即连续4个0进行编码写入无效数据队列。无效数据的编码可以为：编码的头两位为00，剩余的位数表示连续无效数据的长度4。
步骤d. 把当前的非无效数据145放入非无效数据队列。
步骤e. 遍历索引值加一后，重复步骤d，将145，240，255，255，255，245，135依次放入非无效数据队列，直到找到非无效数据后的第一个无效数据的位置在第12位，从而找到另一侧的模型轮廓。
步骤f. 非无效数据队列中的数值为：145，240，255，255，255，245，135；连续相同值长度数组I为：1，1，3，1，1；连续相同值长度数组II为2，3，2。编码的时候，根据连续相同值长度数组II，对长度为3的有效数据进行有效数据编码，对其余的数据分别进行灰度数据编码。因此根据连续相同值长度数组II编码，先是灰度数据的编码：头两位为01，第三位表示连续灰度数据长度2，剩余的位数记录长度2内每个灰度数据的值145和240。然后为有效数据编码：头两位为11，剩余的位数表示连续有效数据的长度3。接着依旧是灰度编码：头两位为01，第三位表示连续灰度数据长度2，剩余的位数记录长度2内每个灰度数据的值245和135。
步骤g.无效数据长度累加1。
步骤h.重复步骤b-g，直至将最后4位无效数据0编码写入无效数据队列，完成该行的编码。
步骤i.遍历下一行，重复步骤a-h，直至遍历该层所有行。
以差异层为例，将数据进行分类编码的具体步骤如下：
步骤a. 遍历该层每一行内的每一个数据。
步骤b. 差异图的当前行像素值为（0，0，10，10，250，0，0，0，250，5，245，0，0），找到第一个非无效数据10，位置在第3位。
步骤c. 把10之前的无效数据，即连续2个0进行编码写入无效数据队列。无效数据的编码可以为：编码的头两位为00，剩余的位数表示连续无效数据的长度2。
步骤d. 把当前的非无效数据10放入非无效数据队列。
步骤e. 遍历索引值加一后，重复步骤d，将10，10，250依次放入非无效数据队列，直到找到非无效数据后的第一个无效数据的位置在第6位。
步骤f. 非无效数据队列中的数值为：10，10，250；连续相同值长度数组I为：2，1；连续相同值长度数组II为3。编码的时候，根据连续相同值长度数组II，对数据进行灰度数据编码：头两位为01，第三位表示连续灰度数据长度3，剩余的位数记录长度3内每个灰度数据的值10，10，250。
步骤g.无效数据长度累加1。
步骤h.重复步骤b-g，找到下一个非无效数据250，位置在第9位。把250之前的无效数据，即连续3个0进行编码写入无效数据队列。把250，5，245依次放入非无效数据队列。连续相同值长度数组I：1，1，1；连续相同值长度数组II为3，对这三个非无效数据进行灰度数据的编码。找到非无效数据后的第一个无效数据的位置在第12位。将最后两位无效数据0进行编码写入无效数据队列，完成该行的编码。
步骤i.遍历下一行，重复步骤a-h，直至遍历该层所有行。
步骤（5）重复步骤（4）直至所有层已编码或者已记录层数。
对图2所示的切片图片进行测试，原图8.8M，默认压缩位图文件大小342KB。对原图设定值设置30，直接编码后大小340KB，压缩后大小127KB，压缩率为37.4%。
图1的3D模型切片图片以位图保存，位图文件总大小1.2GB，编码压缩后大小0.75GB，压缩率为62.5%。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）过滤数据：遍历所有层的图像数据，将像素值小于设定值的数据设置为0，保存新的图像数据；
步骤（2）获取差异图并标记每一层：遍历所有层的图像数据，获取当前层与上一层的像素值的差异图，判断并标记每一层为差异层、非差异层或者基准层；
步骤（3）数据分类：根据像素值将所有数据分为三类：有效数据、灰度数据和无效数据；
步骤（4）根据当前层类型和数据类型编码：当前层若是基准层，则将该层的所有数据根据有效数据、灰度数据和无效数据进行分类编码；当前若是差异层，则将该层的差异图根据有效数据、灰度数据和无效数据进行分类编码；当前层若是非差异层，则记录其层数；
步骤（5）重复步骤（4）直至所有层已编码或者已记录层数。
2.根据权利要求1所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：步骤（1）中，设定值的范围为10-100。
3.根据权利要求1所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：步骤（2）中，若当前层与上一层像素值没有区别，则标记当前层非差异层，连续相同的非差异层中，第一个出现的非差异层标记为基准层；若当前层与上一层像素值有区别，则标记当前层为差异层。
4.根据权利要求1所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：步骤（2）中，生成像素值差异图时，设△diffPix=当前层像素值-上一层像素值，若△diffPix≥0，则直接保存△diffPix；若△diffPix<0，则保存255+△diffPix。
5.根据权利要求1所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：步骤（3）中，有效数据为像素值=255，灰度数据为0<像素值<255，无效数据为像素值=0。
6.根据权利要求1所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：步骤（4）中，具体编码步骤如下：
步骤a.遍历该层每一行内的每一个数据；
步骤b.找到当前行下一连续段第一个非无效数据位置；
步骤c.把当前累计的连续的无效数据进行编码写入无效数据队列；
步骤d.把当前非无效数据放入非无效数据队列；
步骤e.遍历索引值加一后，重复步骤d，直到找到第一个无效数据位置；
步骤f.将非无效数据队列中的有效数据和灰度数据分别进行编码；
步骤g.无效数据长度累加1；
步骤h.重复步骤b-g，直至当前行最后一个像素值；
步骤i.遍历下一行，重复步骤a-h，直至遍历该层所有行。
7.根据权利要求6所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：步骤（4）中的步骤f中，具体步骤如下：对非无效数据队列统计连续相同值长度得到连续相同值长度数组I，遍历连续相同值长度数组I，提取连续相同值大于2的值，对连续相同值大于2的值前后的连续相同值小于等于2的值分别做加法，得到连续相同值长度数组II，连续相同值长度数组II描述了非无效数据队列中连续相同值长度大于2的分布情况；遍历连续相同值长度数组II，对其中长度大于1的有效数据进行有效数据编码，对其余部分进行灰度数据编码。
8.根据权利要求1所述一种3D打印文件的压缩方法，其特征在于：编码过程中，若超过数据编码最大长度，则对数据进行分段同方式编码。
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