CN113946987A - 一种基于模型相似性的3d模型嵌套摆放方法 - Google Patents

一种基于模型相似性的3d模型嵌套摆放方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，包括如下步骤：步骤1：将3D模型的表面进行体素化；步骤2：体素化后的3D模型根据相似度进行组合分类，分为相似模型组和非相似模型；步骤3：对相似模型组和非相似模型先按yzx轴的顺序进行嵌套摆放，得到放置区域；步骤4：在该放置区域内，相似模型组和非相似模型按yxz轴的顺序进行迭代嵌套摆放，每次迭代后更新区域，直至迭代完成。首先根据体素化的3D模型，对3D模型做相似性分类组合，然后按yzx方向进行嵌套摆放，得到一个放置区域，最后进行yxz方向进行嵌套摆放，迭代调整xy方向尺寸使每次摆放的面积最小。通过相似性的组合，减少模型之间的支撑材料，而且打印完成后模型容易取下。

Description

一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法。
背景技术
在3D打印机中，特别是在DLP 和MJP类型的3D打印机中，为了提高打印效率，实际生产中往往需要一次性在打印平台内放置尽可能多的3D模型。3D打印中，模型嵌套摆放比传统的3D装箱问题更加复杂。在传统的装箱问题是往一个固定的容器里放置尽可能的物体，在3D打印中装箱问题是不仅要考虑多个模型占用尽可能小的空间，而且要考虑3D打印的特点。在DLP和MJP打印时，模型的打印时间由最大的打印高度决定，所以嵌套摆放时高度固定，水平方向占用的区域越小越好；另外在打印时要求尽可能的少的支撑，从而节省材料。
目前在实际生产中，只有3D模型二维嵌套摆放算法，大部分是采样人工摆放的方法，这个非常依赖人工的经验和用时很长。现在有一些软件能提供一定自动3D嵌套摆放的功能，但是大部分只是一层xy平面内的3D嵌套，不存在z方向的自动嵌套，并且没有考虑打印的支撑和区域的大小，效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，通过3D模型体素化，根据相似度分类对模型进行组合，然后按yzx方向进行迭代嵌套摆放得到放置区域，最后按yxz方向迭代嵌套摆放进行调整，最终得到3D模型的紧密排列，排版速度快效果好。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，包括如下步骤：
步骤1：将3D模型的表面进行体素化；
步骤2：体素化后的3D模型根据相似度进行组合分类，分为相似模型组和非相似模型；
步骤3：对相似模型组和非相似模型先按yzx方向的顺序进行迭代嵌套摆放调整，得到放置区域；
步骤4：在该放置区域内，相似模型组和非相似模型按yxz方向的顺序进行迭代嵌套摆放调整，每次迭代后更新区域，直至迭代完成。
首先根据模型体素，对3D模型做相似性分类组合，然后对相似模型组和非相似模型按yzx方向进行嵌套摆放，得到一个放置区域，最后进行yxz方向进行嵌套摆放，迭代调整xy方向尺寸使每次摆放的面积最小。通过相似性的组合，减少模型之间的支撑材料，而且打印完成后模型容易取下。通过先yzx后yxz的顺序，可以得到一个更紧密的摆放，占用区域小而且每个模型的位置尽可能低。
优选的，步骤1的具体步骤为：计算模型的3D包围盒，对构成3D模型的多边形或三角形列表进行遍历得到3D模型体素。通过体素化，大大减少了后面的嵌套摆放计算和判断的时间和复杂度，排版速度快，可以满足实际生产。
优选的，步骤2的具体步骤为：
步骤2.1：体素化后的3D模型以包围盒中心线为分界，得到体素投影：下半部分体素在xy面的投影，整体体素在xy面的投影；
步骤2.2：将3D模型根据如下的顺序排序：3D模型在xy方向上的投影面积、体素率、下半部分体素在xy面的投影的体素数目、高度；
步骤2.3：根据3D模型xy方向上的投影面积和投影重叠度判断是否为相似模型；
步骤2.4：将该相似模型组沿着z方向向上移动摆放，顺序在后的3D模型摆放在顺序在先的3D模型上方，直至该相似模型组内所有的3D模型向上摆放完成。
排序便于3D模型的相似性判断和向上摆放。判断相似性时，将顺序在后的3D模型与顺序在前的3D模型进行比较判断相似度。向上摆放3D模型时，整体的投影面积越大、整体越实心、下半部分越实心越往下摆放，这样3D模型向上摆放时会更加稳定。
优选的，步骤2.2中，体素率=
Figure 886013DEST_PATH_IMAGE001
，其中L’=
Figure 667762DEST_PATH_IMAGE002
，W’=
Figure 755804DEST_PATH_IMAGE003
，H’=
Figure 226100DEST_PATH_IMAGE004
，L，W，H分别是3D模型包围盒的长宽高，u是体素的边长。体素率用于判断3D模型整体的实心情况，体素率越大，3D模型整体越实心。
优选的，步骤2.3中，先判断两个3D模型在xy方向上的投影面积是否相差在面积差异设定值内，若在面积差异设定值内就计算投影重叠度。更优选的，面积差异设定值为10-30%。
优选的，步骤2.3中，两个3D模型S1和S2的投影重叠度计算方法如下，其中S1在xy方向上的投影面积大于S2在xy方向上的投影面积：
1）得到S1整体体素在xy面的投影，S2下半部分在xy面的下半体素投影；
2）设S1整体体素在xy面的投影的长宽分别为L1、W1，中心为（0,0），S2下半部分在xy面的下半体素投影的长宽分别为L2、W2，S1中心设有矩形移动范围，其中矩形移动范围的四个坐标点分别为(-|L1-L2|,-|W1-W2|),(-|L1-L2|,|W1-W2|), (|L1-L2|,-|W1-W2|),(|L1-L2|,|W1-W2|)；
3）将S2的中心在矩形移动范围内开始移动，计算S2下半投影的体素数量的重叠部分m，并找到重叠体素最多的位置P（x,y,0）；
4）计算此时的重叠度=
Figure 893841DEST_PATH_IMAGE005
，若此时重叠度大于重叠度设定值则认为S1和S2是相似模型。更优选的，重叠度设定值为60-70%。
由于S2面积小于S1，S2摆放在S1上方，需要找出S2下半部分在xy面的下半体素投影与S1整体体素在xy面的投影的重叠最多部分，从而判断两者是否为相似模型。矩形移动范围的设置可以大大减少找寻重叠体素最多位置时S2需要移动的范围，减少计算。
优选的，步骤2.4中相似模型组向上摆放时，第一个3D模型放置在（0,0,0）的位置，第二个3D模型先放在重叠体素最多的位置P（x,y,0）的位置判断体素是否有重合，若有重合则z值加1，直到体素没有重合为止，相似模型组内的其余3D模型同上进行向上摆放。
将S2摆放在与S1重叠最多的位置，使S2在S1上具有更好的支撑。同一组相似模型组内的3D模型均按该方法摆放，可大大节约支撑材料。
优选的，步骤2.4中，若一组相似模型组内的3D模型向上摆放高度大于设定高度，则将该相似模型组内的剩余3D模型分成新的相似模型组进行向上摆放。
由于3D打印机具有最大的打印高度，若相似模型组内的3D模型太多，向上摆放后的高度超过了最大打印高度，则需要将剩下的3D模型分成另一组相似模型继续向上摆放。
优选的，步骤3中迭代嵌套摆放具体步骤如下：
步骤3.1：将相似模型组和没有相似模型的3D模型一起进行3D嵌套摆放，以在xy方向上的投影面积、体素率、下半部分体素数目、高度的顺序排序并依次摆放；
步骤3.2：将第一个相似模型组或单个3D模型放置在(0,0,0)的位置；
步骤3.3：每次将剩下的相似模型组或单个3D模型从(0,0,0)的位置开始，查找可以放入的位置，查找时按yzx的顺序，先调整y位置，每当y位置超过打印平台Y尺寸，则z坐标加1，每当z位置超过打印平台Z尺寸，则x坐标加1，直至该相似模型组或单个3D模型与其余相似模型组或单个3D模型不相交，得到一个可以放入的位置，放入3D模型；
步骤3.4：重复步骤3.3，直至把所有3D模型放入打印平台，得到放置区域，若3D模型的找不到可以放入的位置，则说明这个3D模型不能放入打印平台；
步骤3.5：调整相似模型组和没有相似模型的3D模型在xy方向上的角度，重复步骤3.2-3.4，得到新的放置区域，记录较小的放置区域，比较区域时优先3D模型全部放入的区域。
优选的，步骤4中迭代嵌套摆放具体步骤如下：
步骤4.1：将步骤3中的相似模型组和没有相似模型的3D模型在xy平面上的方向进行随机改变；
步骤4.2：将第一个相似模型组或单个3D模型放置在(0,0,0)的位置；
步骤4.3：每次将剩下的相似模型组或单个3D模型先放在(0,0,0)的位置，调整y位置，每当y位置超过放置区域y坐标，则x坐标加1，每当x位置超过放置区域x坐标，则z坐标加1，直至该相似模型组或单个3D模型与其余相似模型组或单个3D模型不相交，得到一个可以放入的位置，放入3D模型；
步骤4.4：重复步骤4.3，直至把所有3D模型放入打印平台，得到新的放置区域；
步骤4.5：重复步骤4.1-4.4，更新放置区域，记录较小的放置区域，比较区域时优先3D模型全部放入的区域。
在放置区域的基础上进行调整，嵌套摆放的顺序变成yxz，通过先y,x,后z的顺序，这样摆放的3D模型高度可以尽可能的低，同时在每次摆放后，都会调整放置区域的大小，这样每一次迭代后放置区域会越来越小，最终3D模型紧密排列，排版速度快。在调整放置区域大小时，3D模型的z方向一直固定，x,y方向可以同时调整，也可以只调整一个方向。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
首先根据模型体素，对3D模型做相似性分类组合，然后对相似模型组和非相似模型按yzx方向进行嵌套摆放，得到一个放置区域，最后进行yxz方向进行嵌套摆放，迭代调整yx方向尺寸使每次摆放的面积最小。通过相似性的组合，减少3D模型之间的支撑材料，而且打印完成后3D模型容易取下。通过先yzx后yxz顺序的排列，可以得到一个更紧密的摆放，占用区域小而且每个3D模型的位置尽可能低。
通过体素的计算和判断计算时间大大减少，排版速度快，可以满足实际生产。向上摆放3D模型时，整体的投影面积越大、整体越实心、下半部分越实心越往下摆放，这样3D模型向上摆放时会更加稳定。向上摆放时，将面积较小的S2摆放在与面积较大的S1重叠最多的位置，使S2在S1上具有更好的支撑。同一组相似模型组内的3D模型均按该方法摆放，可大大节约支撑材料。
在得到的放置区域的基础上进行调整，嵌套摆放的顺序变成yxz，通过先y,x,后z的顺序，这样摆放的3D模型高度可以尽可能的低，同时在每次摆放后，都会调整放置区域的大小，这样每一次迭代后放置区域会越来越小,最终3D模型紧密排列，排版速度快。在调整放置区域大小时，3D模型的z方向一直固定，x,y方向可以同时调整，也可以只调整一个方向。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步说明。
图1为3D模型S1的立体图。
图2为3D模型S2的立体图。
图3为3D模型S1体素化之后的立体图。
图4为3D模型S2体素化之后的立体图。
图5为S1整体体素在xy面的投影和S2在xy面的下半体素投影。
图6为S2在xy面的下半体素投影寻找与S1整体体素在xy面的投影的重叠最多部分。
图7为S2向上摆放在S1上后的立体图。
图8为3D模型在打印平台上散放的示意图。
图9为使用本发明方法后，3D模型在打印平台上嵌套摆放的示意图。
具体实施方式
一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，包括如下步骤：
步骤1：以如图1和图2所示的3D模型S1和S2为例，将3D模型包围盒的表面进行体素化，如图3和图4所示。
步骤2：体素化后的3D模型根据相似度进行组合分类，分为相似模型组和非相似模型，具体步骤如下：
步骤2.1：体素化后的3D模型以包围盒中心线为分界，得到体素投影：下半部分体素在xy面的投影，整体体素在xy面的投影。
步骤2.2：将3D模型根据如下的顺序排序：3D模型在xy方向上的投影面积、体素率、下半部分体素在xy面的投影的体素数目、高度。
S1的长宽高分别为20mm,25mm,4mm，S2的长宽高分别为19mm,23mm,5mm，S1在xy方向上的投影面积为20×25=500mm2，S2在xy方向上的投影面积为19×23=437mm2。
体素率=
Figure 828299DEST_PATH_IMAGE006
，其中L’=
Figure 290505DEST_PATH_IMAGE002
，W’=
Figure 248096DEST_PATH_IMAGE003
，H’=
Figure 250687DEST_PATH_IMAGE004
，L，W，H分别是3D模型包围盒的长宽高，u是体素的边长。
本实施例中，体素的边长为0.5，S1的体素数目为4161，S2的体素数目为3787，S1的体素率=
Figure 242914DEST_PATH_IMAGE007
=0.260，S2的体素率=
Figure 876021DEST_PATH_IMAGE008
=0.217。
S1的下半部分体素在xy面的投影的体素数目2166，S2的下半部分体素在xy面的投影的体素数目3541。
根据顺序排序，S1在xy方向上的投影面积大于S2，因此排序时，S1在先，S2在后。
步骤2.3，根据3D模型xy方向上的投影面积和投影重叠度判断是否为相似模型，先判断两个3D模型在xy方向上的投影面积是否相差在30%内。
本实施例中，S1与S2在xy方向上的投影面积相差为1-
Figure 383226DEST_PATH_IMAGE009
=12.6%，小于30%，因此继续计算S1和S2投影重叠度。
两个3D模型S1和S2的投影重叠度计算方法如下：
1）如图5所示，得到S1整体体素在xy面的投影，S2下半部分体素在xy面的投影。
2）如图5所示，本实施例中，S1整体体素在xy面的投影的长宽为40,50，S2下半部分体素在xy面的投影的长宽为38,46，S1中心的矩形移动范围四个坐标点分别为：(-2,-4)，(-2,4)，(2,-4)，(2,4)。
3）将S2的中心在矩形移动范围内开始移动，计算S2下半投影的体素数量的重叠部分m，并找到重叠体素最多的位置P（x,y,0）。
如图6所示，本实施例中，S2的中心从(-2,-4)开始移动，在矩形移动范围内找到重叠体素最多的位置P（0,-1,0），此时S2下半投影的体素数量的重叠部分m=545。
4）计算此时的重叠度=
Figure 127191DEST_PATH_IMAGE010
=
Figure 472459DEST_PATH_IMAGE011
=77.5%，重叠度大于75%，判断S1和S2是相似模型，放入相似模型组。
步骤2.4：S1放置在（0,0,0）的位置，S2先放在重叠体素最多的位置P（0,-1,0）的位置判断体素是否有重合，若有重合则z值加1，直到体素没有重合为止，此时z=8，如图7所示。相似模型组内的其余3D模型同上进行向上摆放。若一组相似模型组内的3D模型向上摆放高度大于设定高度，则将该相似模型组内的剩余3D模型分成新的相似模型组进行向上摆放。
步骤3：本实施例中，一共有n组相似模型组G1-Gn，按yzx方向的顺序进行嵌套摆放，得到放置区域，嵌套摆放具体步骤如下：
步骤3.1：将G1-Gn按以在xy方向上的投影面积、体素率、下半部分体素数目、高度的顺序排序并依次摆放；
步骤3.2：将G1放置在(0,0,0)的位置；
步骤3.3：将G2先放在(0,0,0)的位置,调整G2的y位置，调整y位置，每当y位置超过打印平台Y尺寸，则z坐标加1，每当z位置超过打印平台Z尺寸，则x坐标加1，直至与打印平台上其余3D模型不相交，得到一个可以放入的位置，放入G2；
步骤3.4：重复步骤3.3，直至把G1-Gn全部放入打印平台，得到xy方向的放置区域；
步骤3.5：调整G1-Gn在xy方向上的角度，重复步骤3.2-3.4，得到新的放置区域，记录较小的放置区域(xn,yn)，比较区域时优先3D模型全部放入的区域。
步骤4：在该放置区域(xn,yn)内，G1-Gn按yxz方向的顺序进行迭代嵌套摆放，每次迭代后更新区域，直至迭代完成，具体步骤如下：
步骤4.1：将G1-Gn在xy方向上的角度进行随机改变；
步骤4.2：将G1放置在(0,0,0)的位置；
步骤4.3：将G2先放在(0,0,0)的位置，调整G2的y位置，每当G2的y位置超过yn，则G2的x坐标加1，每当G2的x位置超过xn，则G2的z坐标加1，直至G2与打印平台上的3D模型不相交；
步骤4.4：重复步骤4.3，直至把G1-Gn全部放入打印平台，得到新的放置区域；
步骤4.5：重复步骤4.1-4.4，更新放置区域，记录较小的放置区域(xn’,yn’)，比较区域时优先3D模型全部放入的区域，重复步骤4.3时，每当Gn的y位置超过yn’，则Gn的x坐标加1，每当Gn的x位置超过xn’，则Gn的z坐标加1。
如图8所示的散放在打印平台上的3D模型，在经过本发明方法嵌套摆放后，向上摆放成如图9所示的3列相似模型组，水平方向占用的区域小，同一列相似模型之间需要打印的支撑少。
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 (10)

1.一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将3D模型的表面进行体素化；
步骤2：体素化后的3D模型根据相似度进行组合分类，分为相似模型组和非相似模型；
步骤3：对相似模型组和非相似模型先按yzx轴的顺序进行迭代嵌套摆放调整，得到放置区域；
步骤4：在该放置区域内，相似模型组和非相似模型按yxz轴的顺序进行迭代嵌套摆放，每次迭代后更新区域，直至迭代完成。
2.根据权利要求1所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：计算模型的3D包围盒，对构成3D模型的多边形或三角形列表进行遍历得到3D模型体素。
3.根据权利要求1所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：
步骤2.1：体素化后的3D模型以包围盒中心线为分界，得到体素投影：下半部分体素在xy面的投影，整体体素在xy面的投影；
步骤2.2：将3D模型根据如下的顺序排序：3D模型在xy方向上的投影面积、体素率、下半部分体素在xy面的投影的体素数目、高度；
步骤2.3：根据3D模型xy方向上的投影面积和投影重叠度判断是否为相似模型；
步骤2.4：将该相似模型组沿着z轴方向向上移动摆放，顺序在后的3D模型摆放在顺序在先的3D模型上方，直至该相似模型组内所有的3D模型向上摆放完成。
4.根据权利要求3所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于：步骤2.2中，体素率=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中L’=
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，W’=
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，H’=
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，L，W，H分别是3D模型包围盒的长宽高，u是体素的边长。
5.根据权利要求3所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于：步骤2.3中，先判断两个3D模型在xy方向上的投影面积是否相差在面积差异设定值内，若在面积差异设定值内就计算投影重叠度。
6.根据权利要求5所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于：步骤2.3中，两个3D模型S1和S2的投影重叠度计算方法如下，其中S1在xy方向上的投影面积大于S2在xy方向上的投影面积：
1）得到S1整体体素在xy面的投影，S2下半部分在xy面的下半体素投影；
2）设S1整体体素投影的长宽分别为L1、W1，中心为（0,0）,S2下半体素投影的长宽分别为L2、W2，S1中心设有矩形移动范围，其中矩形移动范围的四个坐标点分别为(-|L1-L2|,-|W1-W2|)，(-|L1-L2|,|W1-W2|)，(|L1-L2|,-|W1-W2|)，(|L1-L2|,|W1-W2|)；
3）将S2的中心在矩形移动范围内开始移动，计算S2下半投影的体素数量的重叠部分m，并找到重叠体素最多的位置P（x,y,0）；
4）计算此时的重叠度=
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，若此时重叠度大于重叠度设定值则认为S1和S2是相似模型。
7.根据权利要求6所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于：步骤2.4中相似模型组向上摆放时，第一个3D模型放置在（0,0,0）的位置，第二个3D模型先放在重叠体素最多的位置P（x,y,0）的位置判断体素是否有重合，若有重合则z值加1，直到体素没有重合为止，相似模型组内的其余3D模型同上进行向上摆放。
8.根据权利要求1所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于：步骤2.4中，若一组相似模型组内的3D模型向上摆放高度大于设定高度，则将该相似模型组内的剩余3D模型分成新的相似模型组进行向上摆放。
9.根据权利要求1所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于，步骤3中迭代嵌套摆放具体步骤如下：
步骤3.1：将相似模型组和没有相似模型的3D模型一起进行3D嵌套摆放，以在xy方向上的投影面积、体素率、下半部分体素数目、高度的顺序排序并依次摆放；
步骤3.2：将第一个相似模型组或单个3D模型放置在(0,0,0)的位置；
步骤3.3：每次将剩下的相似模型组或单个3D模型从(0,0,0)的位置开始，查找可以放入的位置，查找时按yzx的顺序，先调整y位置，每当y位置超过打印平台Y尺寸，则z坐标加1，每当z位置超过打印平台Z尺寸，则x坐标加1，直至该相似模型组或单个3D模型与其余相似模型组或单个3D模型不相交，得到一个可以放入的位置，放入3D模型；
步骤3.4：重复步骤3.3，直至把所有3D模型放入打印平台，得到放置区域，若3D模型的找不到可以放入的位置，则说明这个3D模型不能放入打印平台；
步骤3.5：调整相似模型组和没有相似模型的3D模型在xy方向上的角度，重复步骤3.2-3.4，得到新的放置区域，记录较小的放置区域。
10.根据权利要求9所述一种基于模型相似性的3D模型嵌套摆放方法，其特征在于，步骤4中迭代嵌套摆放具体步骤如下：
步骤4.1：将步骤3中的相似模型组和没有相似模型的3D模型在xy平面上的方向进行随机改变；
步骤4.2：将第一个相似模型组或单个3D模型放置在(0,0,0)的位置；
步骤4.3：每次将剩下的相似模型组或单个3D模型先放在(0,0,0)的位置，调整y位置，每当y位置超过放置区域y坐标，则x坐标加1，每当x位置超过放置区域x坐标，则z坐标加1，直至该相似模型组或单个3D模型与其余相似模型组或单个3D模型不相交，得到一个可以放入的位置，放入3D模型；
步骤4.4：重复步骤4.3，直至把所有3D模型放入打印平台，得到新的放置区域；
步骤4.5：重复步骤4.1-4.4，更新放置区域，记录较小的放置区域，比较区域时优先3D模型全部放入的区域。
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