CN115366568A - 一种自适应橄榄核随形雕刻方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应橄榄核随形雕刻方法与系统，其包括：使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务。本发明能够根据不同的橄榄核的形状自适应调整雕刻路径，具有通用性，雕刻效率高且成本低。

Description

一种自适应橄榄核随形雕刻方法与系统

技术领域

本发明涉及雕刻技术领域，特别涉及一种自适应橄榄核随形雕刻方法与系统。

背景技术

橄榄核雕作为我国传统雕刻艺术之一入选了第二批国家级非物质文化遗产，在众多传统手工艺品中，橄榄核雕刀工精美、造型精致、艺术表现多样，一直备受青睐。橄榄核雕刻以橄榄果核作为雕刻原材料，雕刻过程会受到橄榄果核的外形特征和内部结构的限制，这给雕刻带来一定困难；优秀的橄榄核雕刻作品会依据橄榄果核自身的特点进行设计布局与雕刻，称为随形雕刻；橄榄核随形雕刻对雕刻师的雕刻技艺和艺术创造性提出了很高的要求，只有二者兼备的雕刻师才能创作出优秀的作品，但是人工进行橄榄核随形雕刻的过程费时费力，因此传统橄榄核雕价格高昂。

随着自动化工业生产的不断兴起，数控雕刻机应运而生；数控雕刻机是一种集雕、刻、钻、铣为一体的组合机床，综合运用了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制以及高速铣削等技术，具有雕刻速度快、精度高的优点；数控雕刻机的出现解决了传统人工雕刻耗费工时长、人工成本高、批量生产困难等问题；然而，若直接根据已有三维工艺品模型进行橄榄核机器雕刻，既无法体现橄榄核随形雕刻的艺术特色，也极易因局部雕刻深度过深造成橄榄核被雕穿的问题；这将导致废品率较高，降低加工效率，造成资源浪费。

目前，若要进行橄榄核的随形雕刻，通常先由专业建模人员使用3ds Max、Maya、Rhino3D等专业三维建模软件，根据橄榄核大致外形，依靠自身经验，对已有的工艺品三维数字模型按需求进行调整变形，再由专业数控编程人员使用商业数控编程软件得到加工刀具路径，最后进行雕刻加工；现有技术需要不同领域的专业人员跨软件合作，需要较高的学习成本；同时需要针对每个三维模型进行特定的调整编辑，不具有通用性，效率较为低下；对企业来说既增加了人力资源成本，也拉长了生产周期，不利于企业生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种自适应橄榄核随形雕刻方法与系统，解决现有技术对不同的橄榄核进行随形雕刻时需要针对每个橄榄核的三维模型进行特定的调整编辑，不具有通用性，效率底，成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种自适应橄榄核随形雕刻方法，所述方法包括：

使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；

在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；

对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；

通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务。

结合第一方面，优选地，所述根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型包括：

结合所述原始深度图像的焦距及投影中心的像素坐标，提取橄榄核单帧点云；

基于所述橄榄核单帧点云，采用迭代最近点算法进行多帧点云配准获得橄榄核点云模型；

通过滚球法对所述橄榄核点云模型进行网格重建获得橄榄核初始模型；

对所述橄榄核初始模型进行拉普拉斯网格优化，得到优化后的橄榄核模型。

结合第一方面，优选地，在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作的步骤包括：

利用主成分分析法分别构建工艺品模型和橄榄核模型的方向包围盒；

基于两所述方向包围盒将所述工艺品模型和橄榄核模型进行刚性对齐；

在刚性对齐后的橄榄核模型的约束下对所述工艺品模型进行变形操作；

根据缩小比例对橄榄核模型进行缩小处理，并对缩小后橄榄核模型与变形后的工艺品模型执行布尔运算。

结合第一方面，优选地，在所述在刚性对齐后的橄榄核模型的约束下对所述工艺品模型进行变形操作，包括以下步骤：

步骤1：构建刚性变形后的橄榄核模型层次包围盒树，

步骤2：在所述橄榄核模型层次包围树的约束下对刚性对齐后的工艺品模型进行一次变形操作；

步骤3：构建变形后工艺品模型的层次包围盒树；

步骤4：基于所述橄榄核模型层次包围盒树和变形后工艺品模型的层次包围盒树，对刚性对齐后的橄榄核模型及变形后的工艺品模型进行碰撞检测，并判断是否发生碰撞；

步骤5：若没有发生碰撞，则返回执行步骤2继续对所述工艺品模型进行一次变形操作；

步骤6：若发生碰撞，则撤销当前对工艺品模型进行的变形操作，将上一次变形得到的工艺品模型确定为最终变形后的工艺品模型。

结合第一方面，优选地，所述变形操作包括基于改进径向基函数对所述工艺品模型进行径向变形，以及基于近似刚性变形对所述工艺品模型进行轴向变形。

结合第一方面，优选地，所述缩小比例r_s通过公式(1)计算获取:

r_s＝(w-2δ)/w (1)

式中，w表示橄榄核宽度，δ表示橄榄核壁核壁厚度。

结合第一方面，优选地，所述对编辑后的工艺品模型进行切片的步骤包括：

对所述编辑后工艺品模型进行分层，并利用扫描平面法获得每一层截平面与编辑后的工艺品模型的相交三角面片集合；

基于所述相交三角面片集合计算每一层截平面与工艺品模型的具体交点坐标；

结合每一层所述交点坐标，构建工艺品模型的拓扑结构进行切片数据拼接。

结合第一方面，优选地，所述根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据的步骤包括：

对所述切片数据进行前置干涉处理，确定要保留的切片数据点；

将保留的切片数据点作为刀触点P_c，结合公式(2)计算工艺品模型加工刀具路径数据：

式中：P_l为加工刀具路径的刀位点，ε为加工余量，R为刀具半径，r为刀角半径，

为待加工工艺品模型上刀触点的单位法向量，

为刀轴单位矢量(0，0，1)；

对所述工艺品模型加工刀具路径进行二次干涉处理，通过求交的方式获得无干涉刀位点数据，作为最终的刀具路径数据。

结合第一方面，优选地，生成数控代码的步骤包括：

将所述刀具路径数据分层写入数控代码，按切片层数位奇数层的坐标数据按照顺序写入数控代码，偶数层的坐标数据按照逆序写入数控代码；

在数控代码开头添加开始指令，在数控代码结尾添加结束指令。

第二方面，本发明提供一种自适应橄榄核随形雕刻系统，所述系统包括：

采集及建模单元，用于使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；

模型编辑单元，用于在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；

刀具路径规划单元，用于对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；

雕刻加工单元，用于通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明通过在橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作，解决后续雕刻过程中可能出现的橄榄核被雕穿的问题，实现了在雕刻时既不会空雕，也不会雕穿橄榄核的作用，保障了雕刻质量；另外，对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码，由雕刻机读取数控代码完成雕刻任务，实现了针对不同的橄榄核的形状能够自适应调整雕刻路径，具有通用性，提高了雕刻效率高，且成本低，适合推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的构建和优化橄榄核模型过程示意图；

图3是本发明实施例提供的橄榄核模型和工艺品模型刚对齐前后的对比示意图；

图4是本发明实施例提供的刚性对齐后的工艺品模型变形流程示意图；

图5是本发明实施例提供的刚性对齐后的工艺品模型的初始工艺品模型、径向变形后的工艺品模型及轴向变形后的工艺品模型的示意图；

图6是本发明实施例提供的橄榄核模型缩小前后的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的工艺品模型防雕穿处理前后的对比示意图；

图8是本发明实施例提供的工艺品模型切片结果示意图；

图9是本发明实施例提供的无干涉准点数据计算示意图；

图10是本发明实施例提供的刀具路径干涉示意图；

图11是采用本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻方法实际雕刻的产品图；

图12是本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻系统的结构原理框图。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一：

如图1所示，本实施例介绍一种自适应橄榄核随形雕刻方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；

步骤S2：在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；

步骤S3：对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；

步骤S4：通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务；

其中本发明实施例采用的雕刻机为四轴三联动的雕刻机。

作为本发明的一种实施例，步骤S1在执行时，使用热熔胶将待雕刻的橄榄核固定在深度相机前0.4m的位置，在橄榄核后方放置一个平整的背景平面，通过深度相机对待雕刻的橄榄核进行三维扫描来获取原始的深度图；参照图2，步骤S1中根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型，具体包括以下步骤：

步骤S1.1：结合所述原始深度图像的焦距及投影中心的像素坐标，提取橄榄核单帧点云；

进一步说明的是，在本步骤中需要用通过深度相机的图像焦距和投影中心的像素坐标获取点云数据，然后选择背景平面上的3个以上的点构成背景平面，剔除与背景平面同深度或大于背景平面深度的点，即可得到橄榄核模型单帧点云；

步骤S1.2：基于所述橄榄核单帧点云，采用迭代最近点算法进行多帧点云配准获得橄榄核点云模型；

步骤S1.3：通过滚球法对所述橄榄核点云模型进行网格重建获得橄榄核初始模型；

步骤S1.4：对所述橄榄核初始模型进行拉普拉斯网格优化，得到优化后的橄榄核模型。

作为本发明的一种实施例，步骤S2中在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作的步骤包括：

步骤S2.1：利用主成分分析法分别构建工艺品模型和橄榄核模型的方向包围盒；

具体的，在执行步骤S2.1时，首先，构建工艺品模型和橄榄核模型的协方差矩阵，然后分别对上述协方差矩阵求解特征值和特征向量，将上述特征向量作为工艺品模型和橄榄核模型方向包围盒的三条轴，形成局部坐标系；最后，分别求解工艺品模型和橄榄核模型在其对应的局部坐标系上投影坐标的最大值和最小值，可得到两模型方向包围盒的八个顶点坐标以及包围盒中心，并据此确定两模型的方向包围盒；

步骤S2.2：基于两所述方向包围盒将所述工艺品模型和橄榄核模型进行刚性对齐；

具体的，在执行步骤S2.2时，首先，分别对橄榄核模型O和工艺品模型H生成方向包围盒；然后，求解这两模型的方向包围盒之间的仿射变换矩阵T；接着，对工艺品模型H施加仿射变换矩阵T，得到变换后的工艺品模型H′；最后，将两模型共同进行仿射变换至：模型主轴与坐标轴z轴重合，且橄榄核模型中顶点z坐标最小值为0；其中，刚性对齐前后的橄榄核模型与工艺品模型相对位置的对比如图3所示；

步骤S2.3：在刚性对齐后的橄榄核模型的约束下对所述工艺品模型进行变形操作；

步骤S2.4：根据缩小比例对橄榄核模型进行缩小处理，并对缩小后橄榄核模型与变形后的工艺品模型执行布尔运算。

作为本发明的一种实施例，步骤S2.3中在所述在刚性对齐后的橄榄核模型的约束下对所述工艺品模型进行变形操作，参照图4，包括以下步骤：

步骤1：构建刚性变形后的橄榄核模型层次包围盒树，

步骤2：在所述橄榄核模型层次包围树的约束下对刚性对齐后的工艺品模型进行一次变形操作；

步骤3：构建变形后工艺品模型的层次包围盒树；

步骤4：基于所述橄榄核模型层次包围盒树和变形后工艺品模型的层次包围盒树，对刚性对齐后的橄榄核模型及变形后的工艺品模型进行碰撞检测，并判断是否发生碰撞；

步骤5：若没有发生碰撞，则返回执行步骤2继续对所述工艺品模型进行一次变形操作；

其中，所述变形操作包括基于改进径向基函数对所述工艺品模型进行径向变形，以及基于近似刚性变形对所述工艺品模型进行轴向变形；

步骤6：若发生碰撞，则撤销当前对工艺品模型进行的变形操作，将上一次变形得到的工艺品模型确定为最终变形后的工艺品模型。

本发明实施例中，步骤5中提到的基于改进径向基函数对所述工艺品模型进行径向变形包括工艺品模型径向变形控制点的选取、工艺品模型径向变形尺度的设置以及工艺品模型的径向变形；其中：

所述工艺品模型径向变形控制点选取，具体步骤为：首先，选择3个特定高度h₁＝1/4H_H、h₂＝1/2H_H、h₃＝3/4H_H，H_H为橄榄核模型的高度；然后，获取工艺品模型与平面z＝h_i(i＝1，2，3)相交三角面片构成的集合F_H，以及橄榄核模型与平面z＝h_i(i＝1，2，3)相交三角面片构成的集合F_o；最后，将集合F_H中三角面片上的所有顶点选取为工艺品模型径向变形控制点；

所述工艺品模型径向变形尺度设置，具体步骤为：将工艺品模型径向变形控制点位移设置为工艺品模型放缩r_d倍后的位置；其中r_d＝R_O/R_H，R_O表示集合F_O中三角面片的重心与该高度下原点之间的平均距离，R_H表示集合F_H中三角面片的重心与该高度下原点之间的平均距离；

所述工艺品模型的径向变形，具体步骤为：结合选取的工艺品模型变形控制点及其变形尺度，通过计算公式(1)获得径向变形量F(p)：

式中：p_i表示编号为i的一组变形控制点；w_i表示变形控制点相应的权重；||p(z)-p_i(z)||表示点p与点p_i在坐标轴z轴的投影距离；Mp+t是一个低次多项式，表示仿射变换部分；M是一个3×3的矩阵，表示旋转缩放；t表示平移；解线性方程组可得一系列权重系数w_i以及表示仿射变换的低次多项式系数M、t，即得到径向变形后的工艺品模型；

参照图5中的初始工艺品模型和径向变形后的工艺品模型，可以看出，进行径向变形后的工艺品模型在径向方向上可以更好地填充到橄榄核模型内。

本发明实施例中，步骤5中提到基于改进径向基函数对所述工艺品模型进行径向变形包括工艺品模型轴向变形的变形区域选取、初始猜测的确定以及工艺品模型的轴向变形；其中：

所述工艺品模型轴向变形的变形区域选取，具体操作为，首先，将工艺品模型与坐标轴z轴求交，得到两个相交三角面片，将三角面片上所有顶点加入控制点集V_C；然后，对控制点集V_C中每个顶点v，取其周围半径为0.2h_H(h_H为工艺品模型的高度)的球体内的所有顶点，作为与该控制顶点v对应的自由点集V_F；最后，取顶点v周围半径为0.4h_H的球体内的所有顶点，作为与该控制顶点对应的全部感兴趣顶点集V_I；

所述初始猜测的确定，具体操作为，首先，对于控制点集V_C中的顶点，其初始猜测位置为

其中，p_c′为控制点集V_C中的顶点初始猜测位置，p_c为控制点集V_C中的顶点原始位置，若控制点法向矢量z坐标为正，则

否则

最后，对于自由点集VF，初始猜测通过拉普拉斯变形得到，即通过最小化||Lp_f′-δ||²实现，其中δ＝Lp_f，p_f为自由点集V_F中的顶点原始位置，L为拉普拉斯矩阵；

所述工艺品模型的轴向变形，具体步骤为，

步骤A，通过公式(2)计算工艺品模型的整体刚性能量：

式中：λ_i取平均权重，即λ_i＝1；N_i为与工艺品模型中顶点v_i的1-邻域顶点的集合(某顶点的1-邻域顶点是指与该顶点有一条边相连的顶点)；w_ij取余切权重公式1/2(cotα_ij+cotβ_ij)，其中α_ij与β_ij是边(i，j)的两个对角；p_i为工艺品模型中的顶点v_i轴向变形前的位置，p_i′是顶点v_i轴向变形后的位置；p_j为工艺品模型中的顶点v_j轴向变形前的位置，p_j′是顶点v_j轴向变形后的位置；工艺品模型中的顶点v_i及其1-邻域顶点构成一个单元C_i，R_i为单元C_i变换前后的旋转矩阵；

步骤B，基于当前工艺品模型顶点位置p′，求最佳解旋转矩阵R_i；具体为：将当前工艺品模型顶点位置带入公式(2)并进行推导化简，再使用奇异值分解的方法估算出每个单元的最佳旋转矩阵R_i。

步骤C，基于步骤B更新的最佳旋转矩阵R_i，通过求解线性方程组(3)获得变形后工艺品模型顶点位置p′值：

步骤D，进行迭代求解；具体为：下一次迭代中，再将新求得的工艺品模型顶点位置p′作为已知量，重复步骤B与步骤C，直至迭代次数达到设置要求或模型的刚性能量小于指定的阈值为止；

参照图5中的轴向变形后的工艺品模型，可以看出，进行轴向变形后的工艺品模型在轴向方向上可以更好地填充橄榄核模型。

作为本发明的一种实施例，作为防雕穿处理的步骤S2.4中所述缩小比例r_s通过公式(4)计算获取:

r_s＝(w-2δ)/w (4)

式中，w表示橄榄核宽度，δ表示橄榄核壁核壁厚度；需要说明的是，橄榄核壁实际厚度一般为0.4cm-0.5cm，此处为保有一定余量，本发明实施例的取值范围选为0.3-0.35cm，其几何意义如图6所示。

此外，对缩小的橄榄核模型与变形后的工艺品模型执行布尔并运算；其工艺品模型防雕穿处理前后对比如图7所示，可以看出，工艺品模型防雕穿处理前，工艺品模型嘴部深度过深，在后续雕刻过程中可能造成橄榄核被雕穿的问题；工艺品模型防雕穿处理后，整个工艺品模型最终雕刻深度都处在橄榄核壁厚范围内，既不会空雕，也不会雕穿橄榄核。

作为本发明的一种实施例，步骤S3中所述对编辑后的工艺品模型进行切片的包括以下过程：

步骤S3.1：对所述编辑后工艺品模型进行分层，并利用扫描平面法获得每一层截平面与编辑后的工艺品模型的相交三角面片集合；其具体操作步骤为：

第一步，设置分层方向为z轴正方向，分层厚度为h₀，可计算得到分层层数n＝h_H/h₀，其中h_H为工艺品模型的高度；

第二步，将工艺品模型中所有三角面片按其最低点的z坐标升序排序，记排序后集合为F_order，令遍历起始的三角面片下标k＝0；第三步，构建与截平面对应的相交三角面片集合F_i，令

随后移除集合F_i中与当前截平面不相交的三角面片，并赋值k为被移除的三角面片中下标的最大值；

第四步，维护更新F_i，从下标为k的三角形开始遍历F_order中的三角面片，添加其中与当前截平面相交的三角面片；

第五步，循环遍历，i自增，重复第三步、第四步直至i＝n，即遍历完所有层高列表，得到所有截平面对应的相交面片集合F_i；

步骤S3.2：基于所述相交三角面片集合计算每一层截平面与工艺品模型的具体交点坐标；

步骤S3.3：结合每一层所述交点坐标，构建工艺品模型的拓扑结构进行切片数据拼接；其中，对于任意一层切片数据，进行拼接的具体步骤为：

步骤a，设置集合F_i中每一个三角面片状态为未遍历；

步骤b，在集合F_i中任选一未遍历三角面片作为种子面片，若能够找到种子面片，转到步骤c，若找不到种子面片，则表示F_i中所有面片均已被遍历，转到步骤d；

步骤c，创建一个新的轮廓数据hoop，并将种子面片与截平面的交点加入当前hoop；基于模型拓扑结构，根据当前三角面片寻找与之相邻的未遍历三角面片，并将相邻三角面片与截平面的交点加入当前hoop，直至hoop闭合，将hoop添加到当前layer层中，转到第二步；

步骤d，输出该层切片数据layer并结束流程；

如图8所示，为经过上述对编辑后的工艺品模型进行切片的操作后的工艺品模型切片结果。

进一步的，作为本发明的一种实施例，步骤S3中提到的根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据的步骤包括：

步骤S3.4：对所述切片数据进行前置干涉处理，确定要保留的切片数据点；其具体操作过程为：

步骤S3.4.1，对切片数据中每一个点，根据其笛卡尔坐标求其柱面坐标；

步骤S3.4.2，对于四轴三联动加工，任一刀位点刀轴矢量的方向为：该层原点指向切片数据中该点的方向，其对应的角度值应为切片数据中该点柱面坐标的角度值，记为θ₀；

步骤S3.4.3，首先将当前数据点加入到交点集合；随后，遍历该层切片数据中的所有数据点，若θ₀处于两个相邻的数据点的柱面坐标角度值之间，则这两个数据点构成的线段与刀轴射线相交，将交点坐标加入交点集合；

步骤S3.4.4，若步骤S3.4.3中所得交点只有一个，则保留该点；若S3.4.3中求得的交点数量大于1，则保留柱面坐标半径最大的交点；操作过程如图9所示，假定某一刀轴射线与切片数据的交点为A、B、C，则需要计算并比较三个交点柱面坐标的r坐标(r坐标指的是柱面坐标系中的其中一个坐标分量)，保留其中柱面坐标半径最大的一点，如图9中点C；

步骤S3.5：首先，将前置干涉处理后的切片数据根据其柱面坐标进行柱面展开，展开半径R₀取切片数据顶点柱面坐标半径值的最大值，然后将保留的切片数据点作为刀触点P_c，结合公式(5)计算工艺品模型加工刀具路径数据：

式中：P_l为加工刀具路径的刀位点，ε为加工余量，R为刀具半径，r为刀角半径，

为待加工工艺品模型上刀触点的单位法向量，

为刀轴单位矢量(0，0，1)；

步骤S3.6：对所述工艺品模型加工刀具路径进行二次干涉处理，通过求交的方式获得无干涉刀位点数据，作为最终的刀具路径数据；

其中，所述二次干涉处理解决由于公式(5)的计算造成的刀具路径自交和过切问题，如图10所示，

对于刀具路径自交问题：将过该数据点的竖直线与刀位面求交，保留所有交点中z坐标最大的交点，该交点即为对应的无干涉刀位点；

对于刀具路径过切问题：需要为之添加点保护面，所述点保护面是以刀具头部的反向轮廓为母线，以过数据点的垂线为轴旋转一周而得到的曲面，然后将保护面的三维曲面投影成二维曲线，将过该数据点的竖直线与该点的点保护面求交，得到的交点作为无干涉刀位点。

作为本发明的一种实施例，步骤S3中提到的生成数控代码的步骤包括：

步骤S3.7，将柱面展开后的刀具路径数据坐标(X，Y，Z)映射成四轴三联动数控代码要求的(X，A，Z)，将Y坐标[0，2πR)映射到旋转轴成为A坐标[0，360)，映射公式为:

a＝y/R₀×180/π (6)

式中，a为旋转轴A轴的坐标值，y为纵坐标Y轴的坐标值，R₀为柱面展开时的展开半径；

步骤S3.8，将映射后的坐标值四舍五入保留成4位小数，统一数据精度；

步骤S3.9，刀具路径数据分层写入数控代码，对每一层刀位点数据，将切片层数位奇数层的坐标数据按照顺序写入数控代码，偶数层的坐标数据按照逆序写入数控代码。

如图11所示，最后通过雕刻机读取并执行上述数控代码的刀具路径对橄榄核进行雕刻加工，得到最终雕刻产品。

综上所述，本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻方法；一是，通过主成分分析法和方向包围盒进行模型的预处理；然后在橄榄核模型的约束下，对工艺品模型进行变形，并将变形分解为径向变形和轴向变形两个方向，使工艺品模型在外形上更趋近橄榄核模型；最后，将变形后的工艺品模型与按特定比例缩小的橄榄核模型做布尔运算，进行模型防雕穿处理，解决后续雕刻过程中可能出现的橄榄核被雕穿的问题。二是，设计了自适应刀具路径规划方法；首先，通过扫描平面法将一组截平面与编辑后的工艺品模型求交，并根据工艺品模型的拓扑结构将切片数据进行拼接，得到一系列闭合切片轮廓；然后，进行两步干涉处理与刀位点计算，得到刀具路径数据；最后，将刀具路径数据进行格式封装，得到雕刻机可直接识别执行的数控代码。本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻方法，能够根据不同的橄榄核的形状自适应调整雕刻路径，具有通用性，提高雕刻效率高且成本低，具有良好的雕刻效果，适合推广使用。

实施例二：

如图12所示，本发明实施例提供了一种自适应橄榄核随形雕刻系统，可以用于实施实施例一所述的方法，具体包括：

采集及建模单元，用于使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；

模型编辑单元，用于在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；使工艺品模型满足橄榄核随形雕刻的要求；

刀具路径规划单元，用于对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；

雕刻加工单元，用于通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务；

其中，雕刻加工单元支持四轴三联动的雕刻机进行雕刻加工实验。

需要进一步说明的是，现有技术在进行橄榄核随形雕刻设计时，需要专业人员跨行业跨软件合作，且需要对每一个工艺品模型进行调整，不具备通用性，对企业来说既增加了人力资源成本，也拉长了生产周期，不利于企业生产。而本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻系统可以通过采集及建模单元、模型编辑单元、刀具路径规划单元快速得到适用于橄榄核随形雕刻的三维模型和数控代码，并通过雕刻加工单元得到最终雕刻产品。

本发明实施例提供的自适应橄榄核随形雕刻系统与实施例一提供的自适应橄榄核随形雕刻方法基于相同的技术构思，能够产生如实施例一所述的有益效果，在本实施例中未详尽描述的内容可以参见实施例一。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，所述方法包括：

使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；

在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；

对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；

通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务。

2.根据权利要求1所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，所述根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型包括：

结合所述原始深度图像的焦距及投影中心的像素坐标，提取橄榄核单帧点云；

基于所述橄榄核单帧点云，采用迭代最近点算法进行多帧点云配准获得橄榄核点云模型；

通过滚球法对所述橄榄核点云模型进行网格重建获得橄榄核初始模型；

对所述橄榄核初始模型进行拉普拉斯网格优化，得到优化后的橄榄核模型。

3.根据权利要求1所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作的步骤包括：

利用主成分分析法分别构建工艺品模型和橄榄核模型的方向包围盒；

基于两所述方向包围盒将所述工艺品模型和橄榄核模型进行刚性对齐；

在刚性对齐后的橄榄核模型的约束下对所述工艺品模型进行变形操作；

根据缩小比例对橄榄核模型进行缩小处理，并对缩小后橄榄核模型与变形后的工艺品模型执行布尔运算。

4.根据权利要求3所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，在所述在刚性对齐后的橄榄核模型的约束下对所述工艺品模型进行变形操作，包括以下步骤：

步骤1：构建刚性变形后的橄榄核模型层次包围盒树，

步骤2：在所述橄榄核模型层次包围树的约束下对刚性对齐后的工艺品模型进行一次变形操作；

步骤3：构建变形后工艺品模型的层次包围盒树；

步骤4：基于所述橄榄核模型层次包围盒树和变形后工艺品模型的层次包围盒树，对刚性对齐后的橄榄核模型及变形后的工艺品模型进行碰撞检测，并判断是否发生碰撞；

步骤5：若没有发生碰撞，则返回执行步骤2继续对所述工艺品模型进行一次变形操作；

步骤6：若发生碰撞，则撤销当前对工艺品模型进行的变形操作，将上一次变形得到的工艺品模型确定为最终变形后的工艺品模型。

5.根据权利要求4所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，所述变形操作包括基于改进径向基函数对所述工艺品模型进行径向变形，以及基于近似刚性变形对所述工艺品模型进行轴向变形。

6.根据权利要求3所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，所述缩小比例r_s通过公式(1)计算获取：

r_s＝(w-2δ)/w (1)

式中，w表示橄榄核宽度，δ表示橄榄核壁核壁厚度。

7.根据权利要求1所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，所述对编辑后的工艺品模型进行切片的步骤包括：

对所述编辑后工艺品模型进行分层，并利用扫描平面法获得每一层截平面与编辑后的工艺品模型的相交三角面片集合；

基于所述相交三角面片集合计算每一层截平面与工艺品模型的具体交点坐标；

结合每一层所述交点坐标，构建工艺品模型的拓扑结构进行切片数据拼接。

8.根据权利要求7所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，所述根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据的步骤包括：

对所述切片数据进行前置干涉处理，确定要保留的切片数据点；

将保留的切片数据点作为刀触点P_c，结合公式(2)计算工艺品模型加工刀具路径数据：

式中：P_l为加工刀具路径的刀位点，ε为加工余量，R为刀具半径，r为刀角半径，

为待加工工艺品模型上刀触点的单位法向量，

为刀轴单位矢量(0，0，1)；

对所述工艺品模型加工刀具路径进行二次干涉处理，通过求交的方式获得无干涉刀位点数据，作为最终的刀具路径数据。

9.根据权利要求8所述的自适应橄榄核随形雕刻方法，其特征在于，生成数控代码的步骤包括：

将所述刀具路径数据分层写入数控代码，按切片层数位奇数层的坐标数据按照顺序写入数控代码，偶数层的坐标数据按照逆序写入数控代码；

在数控代码开头添加开始指令，在数控代码结尾添加结束指令。

10.一种自适应橄榄核随形雕刻系统，其特征在于，所述系统包括：

采集及建模单元，用于使用深度相机采集待雕刻的橄榄核原始深度图像，并根据原始深度图像构建和优化橄榄核模型；

模型编辑单元，用于在所述橄榄核模型的约束下对工艺品模型进行变形及防雕穿处理的编辑操作；

刀具路径规划单元，用于对编辑后的工艺品模型进行切片，根据工艺品模型切片的数据计算得到无干涉刀位点数据并生成数控代码；

雕刻加工单元，用于通过雕刻机读取所述数控代码并根据所述无干涉刀位点数据对所述橄榄核完成雕刻加工任务。

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