CN114419301B - 一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，包括如下步骤：（1）、计算多个三维模型的平面投影的轮廓多边形；（2）、计算多个三维模型的摆放顺序；（3）、为每个三维模型生成一个适合平台的旋转角度并构成一个实例；（4）、选择一个激光区域摆放当前模型；（5）、在选择出的激光区域内，根据已经摆放模型计算出合适的位置，摆放当前模型；（6）、根据步骤2中的摆放顺序，依次对模型进行步骤（5）和（6），直至所有模型处理完；（7）、重复步骤3‑6若干次，生成若干个实例，并从若干次实例的结果中挑选摆放最为紧密的结果。本发明的摆放方法对于任意不规则形状的三维模型、任意的平台多边形都可进行嵌套摆放。

Description

一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法

技术领域

本发明涉及3D打印模型处理相关技术领域，具体是一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法。

背景技术

当今世界主流的三维打印技术，比如数字光处理(DLP、LCD),光固化成型（SLA）,选择性激光熔融(SLM)等，三维模型的二维嵌套摆放（2D nesting，就是把三维模型摆放到二维平面的平台上，使模型之间不相互碰撞）至关重要。摆放的越是紧密，一个打印平台可容纳的模型就越多，生产效率就越高；对于多激光的三维打印技术，各个激光扫描区域的模型分配的越是均匀，打印效率就越高。

国内外，有很多三维软件具有三维模型二维摆放（2D packing/2D nesting）功能。但是他们不能称之为二维嵌套摆放，根本原因是他们的摆放方法过于简单——根据模型的轴对齐包围盒进行摆放。这种方法对于奇形怪状的模型来说，摆放的效果不够紧密，空闲大量空间。这样操作人员打印效率就会降低很多。

有的三维软件是具有二维嵌套摆放功能。但是，他们的算法摆放的仍不够紧密，或者程序运行时间太长，仍有进步空间。市面上有许多三维打印机的打印平台并不一定是矩形平台，比如有的三维打印机的打印平台是圆形的。而现有的三维软件中，很少有软件能同时适用矩形平台，圆形平台等。市面上有许多三维打印机的打印平台内部有非加工区域，在非加工区域内是不允许摆放模型的。而现有的三维软件中，很少有软件的二维嵌套摆放算法考虑非加工区域等。

随着科技的发展，多激光三维打印机越来越多，鲜有三维软件能处理多激光打印的平台摆放需求（即把平台划分为多个激光区域，在多个激光区域内均匀的摆放模型，让每个区域内的摆放的模型总体大小差不多，这样三维打印的效率最高）。

现有的学术论文，最新的研究进展中，很多学者提出不同的嵌套摆放算法，但他们的缺陷仍然是以下几点1）算法复杂度太高，计算时间过长。2）算法效果不好，对复杂特殊的零件摆放不是很紧密。3）算法不适用于多激光打印平台。4）算法没有考虑非加工区域的影响，不允许在非加工区域内摆放三维模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，包括如下步骤：

步骤（1）、计算多个三维模型的平面投影的轮廓多边形；

步骤（2）、计算多个三维模型的摆放顺序；

步骤（3）、运用遗传算法或者随机算法或者用户指定为每个三维模型生成一个适合平台的旋转角度，把这些角度放到数组里，构成一个实例；

步骤（4）、从n个激光区域中经过计算，选择出一个激光区域，用来给摆放当前模型；

步骤（5）、在选择出的激光区域内，根据已经摆放模型的最小轴对齐包围盒或最大多边形接触面积或最小凸包面积或最小X方向长度或最小Y方向长度计算出合适的位置，摆放当前模型；

步骤（6）、根据步骤2中的摆放顺序，依次对模型进行步骤4和步骤5，直至所有模型处理完；

步骤（7）、重复步骤3-6 若干次，生成若干个实例，并从若干次实例的结果中挑选摆放最为紧密的结果作为最终结果即可。

作为本发明进一步的方案：所述步骤（1）中，三维模型平面投影的轮廓多边形采用以下方法中的一种或多种获得：

（11）、根据三维模型上的点的信息，把三维模型的所有点，到某平面投影；

（12）、根据三维模型上的边的信息，通过几何算法，找到平面上最外的边轮廓，然后把这个最外的轮廓连接成多边形，投影到平面方向，得到轮廓多边形；

（13）、渲染三维模型，画出三维模型的俯视图，生成二值图像，根据生成的二值图像，运用数字图像处理的算法，从二值图像转为多边形，即轮廓多边形；

（14）、定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的平面矩形，在平面矩形内生成正方形格子，把平面矩形放在三维模型最下方，从每个格子的中心点朝垂直于平面的正方向生成射线，如果射线与三维模型相交，则把这个格子标记起来，最后根据最外侧的标记起来的格子生成轮廓，即是模型的轮廓多边形；

（15）、定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的平面图像，以每个图像像素点，为中心向垂直于平面的正方向或者负方向生成射线，如果射线和模型相交，则将该像素点标记起来，最后根据标记的像素点，生成轮廓多边形。

作为本发明进一步的方案：所述步骤（2）中，计算模型的摆放顺序，包括以下几种方法：

（21）、按照轮廓多边形面积大小从大到小进行摆放；

（22）、按照轮廓多边形面积大小从小到大进行摆放；

（23）、按照轮廓多边形对应的三维模型的本来顺序进行摆放；

（24）、随机扰乱轮廓多边形的顺序，按照随机顺序进行摆放；

（25）、按照三维模型的高度从低到高进行摆放；

（26）、按照三维模型的高度从高到低进行摆放。

作为本发明进一步的方案：所述步骤（4）中，分别计算每个多激光区域内已经摆放的若干模型的轮廓多边形的面积和，根据这些数值的从小到大顺序，对n个多激光区域进行排序，如果有几个多激光区域的数值一样，则计算这几个激光区域到平台中心的距离，选择距离最近的激光区域。

作为本发明进一步的方案：所述步骤（4）中，如果选择的激光区域摆放不了模型，则顺延换下一个激光区域进行摆放；如果是单激光三维打印，则默认选择该激光区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，考虑到打印平台的非加工区域的影响，不在非加工区域处进行摆放，对于任意不规则形状的三维模型、任意不规则或者规则的平台多边形形状，都可进行嵌套摆放；

（2）算法不仅适用于单激光平台，也适用于多激光平台，摆放的效果可以有多种选择；

（3）摆放算法速度快，很短时间能摆放大量模型，且三维模型紧密，满足生产实际需求。

附图说明

图1为本发明实施例一模型摆放效果图。

图2为本发明实施例二模型摆放效果图。

图3为本发明实施例三模型摆放效果图。

图4为本发明实施例四模型摆放效果图。

图5为本发明实施例五模型摆放效果图。

图6为本发明实施例六模型摆放效果图。

图7为本发明实施例七模型摆放效果图。

图8为本发明实施例八模型摆放效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，假设需要摆放m个三维模型，共有n个多激光区域，所述方法包括如下操作步骤：

步骤（1）、计算m个三维模型的XY平面投影的轮廓多边形。

步骤1中，三维模型XY平面投影的轮廓多边形的获得方法包括以下几种：

（11）、根据三维模型上的点的信息，把三维模型的所有点，到XY平面投影。即把含有X Y Z属性的三维点，转换为Z值为零，相当于只含有XY属性的平面点，生成平面点云；然后对这些平面点云应用光栅扫描方法，或者凸包，或者凹包的方法得到轮廓多边形。

（12）、根据三维模型上的边的信息，通过几何算法，找到XY平面上最外的边轮廓，然后把这个最外的轮廓连接成多边形，投影到X Y方向，得到轮廓多边形。

（13）、利用计算机图形学的知识，渲染三维模型（比如用OPENGL渲染），画出三维模型的俯视图，然后生成二值图像。根据生成的二值图像，运用数字图像处理的算法，从二值图像转为多边形，即轮廓多边形。

（14）、利用射线或者光线追踪的方法。先定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的XY平面矩形，在里面画上长宽一样的正方形格子，比如每行有400个格子，共600列，共有400*600个格子的XY平面矩形。把平面矩形放在三维模型最下方，从每个格子的 中心点朝Z轴正方向射射线。如果射线与三维模型相交，则把这个格子标记起来。（或者把平面矩形放到模型最上方，从每个格子的中心点朝Z轴负方向射射线。）最后根据最外侧的标记起来的格子，生成轮廓，即是模型的轮廓多边形。

（15）、与方法14类似利用图像的方法，只是把平面矩形改成图像，每个图像像素点，对应上面方法中的一个格子。然后类似的方法，向Z轴正方向或者负方向，射射线。如果射线和模型相交，则那个位置的像素标记起来，最后根据标记的像素点，生成轮廓多边形。

步骤（2）、计算m个三维模型的摆放顺序，即决定谁先摆放到平台谁后摆放到平台的问题。

本步骤中，计算模型的摆放顺序，包括以下几种方法：

（21）、按照轮廓多边形面积大小进行摆放，即从大到小进行摆放。

（22）、按照轮廓多边形面积大小进行摆放，即从小到大进行摆放。

（23）、按照轮廓多边形对应的三维模型的本来顺序进行摆放。

（24）、随机扰乱轮廓多边形的顺序，按照随机顺序进行摆放。

（25）、按照三维模型的高度进行摆放，即从低到高进行摆放。

（26）、按照三维模型的高度进行摆放，即从高到低进行摆放。

步骤（3）、运用遗传算法或者随机算法或者用户指定为每个三维模型生成一个适合平台的旋转角度，把这些角度放到数组里，共有m个角度，构成一个实例。

具体的，运用随机的方法，对每个轮廓多边形随机的旋转一定的角度。比如假设有A,B,C,D,E五个轮廓多边形，A随机旋转135°，B随机旋转45°，C随机旋转90°，D随机旋转180°，E不旋转，为0。把这五个角度放到数组里，算作一个实例。如果A旋转135°的时候放不下平台，就重新计算一个适合A摆放的角度，当所有角度都摆放不下A，则把A放弃，只对B,C,D,E进行摆放。

当摆放的实例次数大于某个数值之后，不仅可以选择以上描述的随机算法，生成实例，也可采用遗传算法。

除了上述随机的方法生成角度，以及运用遗传算法生成角度，也可以让用户自己选择摆放角度，因为对于特定的模型，用户都有偏好的摆放角度。

步骤（4）、从n个激光区域中经过计算，选择出一个激光区域，用来给摆放当前模型。

具体的，分别计算每个多激光区域内已经摆放的若干模型的轮廓多边形的面积和，共有n个数值，根据这些数值的从小到大顺序，对n个多激光区域进行排序。如果有几个多激光区域的数值一样，则计算这几个激光区域到平台中心的距离，距离近的激光区域优先。如果选择的激光区域摆放不了模型，则顺延换下一个激光区域进行摆放。

如果是单激光三维打印，只有一个激光区域，则无需选择激光区域，只要默认这个激光区域即可。

步骤（5）、在选择出的激光区域内计算出合适的位置，摆放当前模型。

当摆放第一个三维模型的轮廓多边形的时候，以轮廓多边形的第一个点为参考点，求解平台多边形与此轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fit polygon),这样把第一个模型根据第一个点平移到求解出来的内部临界多边形上或者内部的任意位置都是不会超出打印平台，满足需求的。从这个内部临界多边形中按照一定标准，挑选一个最佳的位置。比如，找到X值最小的点（最左侧），或者Y值最小的点（最下侧），作为第一个轮廓多边形的摆放位置。当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形相对于此平台来说太大、摆不下，则放弃摆放这个轮廓多边形对应的模型。

当已经有轮廓多边形摆放到平台多边形上后，下一个轮廓多边形的摆放方法是：把将要摆放的轮廓多边形，分别与已经摆放的轮廓多边形以及当前激光区域内的非加工区域一一进行计算，求取临界多边形（No fit polygon），然后对求取的临界多边形进行求布尔并,得到一个或者多个结果多边形；然后求解平台多边形与将要摆放轮廓多边形的内部临界多边形(Inner fit polygon)，当然，如果求解的内部临界多边形为空，则说明此轮廓多边形相对于此平台来说，太大，摆不下，则放弃，接着拿下一个轮廓多边形根据此方法重新摆放。如果求解不为空，则对得到的内部临界多边形(Inner fit polygon)与并结果做布尔减，得到布尔减结果多边形（有可能一个多边形，也有可能是多个多边形，下面简称布尔减结果多边形）。

如果布尔减结果多边形为空，说明剩余的平台空间不足以摆放此轮廓多边形。放弃摆放这个轮廓多边形对应的模型。

如果布尔减结果多边形不为空，从布尔减结果多边形中挑选一个最好的位置作为这个将要摆放的轮廓多边形的位置。这个最好位置选取的标准也是不一定的，有以下几种方案，1.按照已经摆放模型的最小轴对齐包围盒，2.最大多边形接触面积，3，最小凸包面积，4.最小X方向长度，5，最小Y方向长度等等。

步骤（6）、根据步骤2中的摆放顺序，依次对模型进行步骤4和5,直至所有模型处理完。

步骤（7）、重复步骤3-6 若干次，生成若干个实例，并从若干次实例的结果中挑选摆放最为紧密的结果作为最终结果即可。

实施例一，如图1，为38个牙齿模型摆放后的效果图，运用的方案是最小轴对齐包围盒，平台尺寸为200mm*200mm。本实施例是单激光的摆放平台。

实施例二，如图2，为52个牙齿模型摆放后的效果图，运用的方案是最小轴对齐包围盒，平台半径为75mm。本实施例基于圆形平台的双激光打印机，可以看到没有模型横跨左右两个激光区域。

实施例三，如图3，为68个牙冠模型摆放后的效果图，运用的方案是最小轴对齐包围盒，平台半径为74mm。其中平台正上方，左下方，右下方具有一个深色的非加工区域，这些区域并没有摆放模型。

实施例四，如图4，为58个牙冠模型摆放后的效果图，运用的方案是最小轴对齐包围盒，平台半径为74mm。其中平台正上方，左下方，右下方具有一个深色的非加工区域，这些区域并没有摆放模型。本实施例是4激光的摆放平台，可以看到没有模型横任意两个激光区域。

实施例五，如图5，为24个牙齿模型摆放后的效果图，运用的方案最小X轴方向长度，平台尺寸为200mm*200mm。此方案是单激光的摆放平台。

实施例六，如图6，为24个牙齿模型摆放后的效果图，运用的方案最小Y轴方向长度，平台尺寸为200mm*200mm。本实施例是单激光的摆放平台。

实施例七，如图7，为45个牙齿模型摆放后的效果图，运用的方案最大相邻性，平台尺寸为400mm*400mm。本实施例是单激光的摆放平台。

实施例八，如图8，为45个牙齿模型摆放后的效果图，运用的方案最小凸包面积，平台半径为75mm。本实施例是单激光的摆放平台。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、计算多个三维模型的平面投影的轮廓多边形；

步骤(2)、计算多个三维模型的摆放顺序；

步骤(3)、运用遗传算法或者随机算法或者用户指定为每个三维模型生成一个适合平台的旋转角度，把这些角度放到数组里，构成一个实例；

步骤(4)、从n个激光区域中经过计算，选择出一个激光区域，用来给摆放当前模型；所述步骤(4)中，分别计算每个多激光区域内已经摆放的若干模型的轮廓多边形的面积和，根据这些数值的从小到大顺序，对n个多激光区域进行排序，如果有几个多激光区域的数值一样，则计算这几个激光区域到平台中心的距离，选择距离最近的激光区域；

步骤(5)、在选择出的激光区域内，根据已经摆放模型的最小轴对齐包围盒或最大多边形接触面积或最小凸包面积或最小X方向长度或最小Y方向长度计算出合适的位置，摆放当前模型；

步骤(6)、根据步骤2中的摆放顺序，依次对模型进行步骤4和步骤5,直至所有模型处理完；

步骤(7)、重复步骤3-6若干次，生成若干个实例，并从若干次实例的结果中挑选摆放最为紧密的结果作为最终结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于：所述步骤(1)中，三维模型平面投影的轮廓多边形采用以下方法中的一种或多种获得：

(11)、根据三维模型上的点的信息，把三维模型的所有点，到某平面投影；

(12)、根据三维模型上的边的信息，通过几何算法，找到平面上最外的边轮廓，然后把这个最外的轮廓连接成多边形，投影到平面方向，得到轮廓多边形；

(13)、渲染三维模型，画出三维模型的俯视图，生成二值图像，根据生成的二值图像，运用数字图像处理的算法，从二值图像转为多边形，即轮廓多边形；

(14)、定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的平面矩形，在平面矩形内生成正方形格子，把平面矩形放在三维模型最下方，从每个格子的中心点朝垂直于平面的正方向生成射线，如果射线与三维模型相交，则把这个格子标记起来，最后根据最外侧的标记起来的格子生成轮廓，即是模型的轮廓多边形；

(15)、定义一个尺寸大于模型的轴对齐有向包围盒的平面图像，以每个图像像素点，为中心向垂直于平面的正方向或者负方向生成射线，如果射线和模型相交，则将该像素点标记起来，最后根据标记的像素点，生成轮廓多边形。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于：所述步骤(2)中，计算模型的摆放顺序，包括以下几种方法：

(21)、按照轮廓多边形面积大小从大到小进行摆放；

(22)、按照轮廓多边形面积大小从小到大进行摆放；

(23)、按照轮廓多边形对应的三维模型的本来顺序进行摆放；

(24)、随机扰乱轮廓多边形的顺序，按照随机顺序进行摆放；

(25)、按照三维模型的高度从低到高进行摆放；

(26)、按照三维模型的高度从高到低进行摆放。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维打印的三维模型二维嵌套摆放方法，其特征在于：所述步骤(4)中，如果选择的激光区域摆放不了模型，则顺延换下一个激光区域进行摆放；如果是单激光三维打印，则默认选择该激光区域。