CN116330663A - 一种基于dlp的3d打印切片填充方法 - Google Patents

一种基于dlp的3d打印切片填充方法 Download PDF

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CN116330663A CN202310299038.2A CN202310299038A CN116330663A CN 116330663 A CN116330663 A CN 116330663A CN 202310299038 A CN202310299038 A CN 202310299038A CN 116330663 A CN116330663 A CN 116330663A
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Abstract

本发明提供了一种基于DLP的3D打印切片填充方法，属于3D打印技术领域；解决了传统扫描线填充算法中存在漏填和错填的问题；包括如下步骤：对3D模型的每一个图层中存储的线段，以每条线段为基准，判断该线段与扫描线的相交情况，如果线段端点与扫描线重合或者线段和扫描线重合，就对该点添加一个轻微抖动，使得扫描线可以避开这一特殊点，在该条线段的所有扫描线均遍历完毕后，记录每条扫描线的交点信息；接着开始遍历该图层的其他线段，直至该图层的线段均被处理；最后将每条扫描线中记录的交点信息按照横坐标大小进行排序，并且两两之间连成一条线段，并将其输出到图像中；本发明应用于3D打印切片填充。

Description

一种基于DLP的3D打印切片填充方法
技术领域
本发明提供了一种基于DLP的3D打印切片填充方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
数字光处理(Digital Light Processing，缩写：DLP)技术是一种基于光固化成型的3D打印技术。DLP技术需要输入数字化的3D模型，首先经过切片处理技术对输入模型进行切片，切片过程为：将三维模型切分成一系列二维切片，并采用填充技术对每一层切片生成对应的二维投影图案；然后采用DLP光源将每一层的投影图案投射到光敏树脂表面，使得树脂在光的照射下发生固化；最后，经过清洗、固化等工艺处理，获得最终的3D打印模型。DLP技术具有制造速度快、制造精度高等优点，目前已广泛应用于工业制造和个人制造等领域。
切片处理技术作为DLP技术的关键步骤之一，其中填充算法的效率直接影响了3D打印模型的打印质量和打印时间。目前，常用的填充算法为扫描线填充算法，该算法的基本思想是：首先将切片区域划分为若干条水平线，即扫描线；其次计算每一条扫描线与切片中填充区域的线段的交点；将同一条扫描线上的交点按照横坐标值从小到大排序，将排序后的交点两两成对，作为线段的两个端点，将这些线段填充至填充区域内，最终填充出需要的图形。上述过程存在两个问题：(1)计算扫描线与切片填充区域中线段的交点时，每一条扫描线都需要跟切片填充区域的每一条线段判断是否存在交点，对于跟扫描线不相交的线段，这一过程明显存在计算上的浪费，造成填充效率较低的问题；(2)若填充区域中的两条线段端点重合时，会产生以下问题：扫描线需要分别计算其与两条线段的交点，最终扫描线记录下两个重复的端点，进而填充过程交点两两匹配时出错，无法正确配对；若扫描线与填充区域的线段重合时，扫描线与该条线段有无数个交点，导致扫描线无法记录与该条线段的交点，进而在填充时遗漏该条线段；以上两种情况造成了填充时错填和漏填的问题。因此在快速高效完成3D打印的需求下，发明一种高效精确的基于DLP的3D打印切片的填充方法至关重要。
发明内容
本发明为了解决扫描线填充算法中存在填充时漏填和错填的问题，提出了一种基于DLP的3D打印切片填充方法，用以提高切片轮廓的填充效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于DLP的3D打印切片填充方法，包括如下步骤：
S1：导入3D模型，将3D模型转化为离散的三角形网格；
S2：设置3D打印平台的x，y，z的范围buildPlatformXRange、buildPlatformYRange、buildPlatformZRange；设置x，y方向的分辨率layerXResolution、layerYResolution，设置z轴方向的切片厚度layerZResolution；
S3：沿着z轴方向，将3D模型按照layerZResolution切分成一系列的切片层；
S4：计算每一个切片层与3D模型中三角形网格相交的线段，并将线段记录在对应的切片层中；
S5：对于3D模型中的每一个切片层，重复步骤S6到S14，直至遍历完该3D模型所有切片层；
S6：对于切片层中的每一条线段，重复步骤S7到S10，直至遍历完该切片层的所有线段；
S7：定义线段的起点坐标为(x1，y1)，终点坐标为(x2，y2)，比较每条线段端点的y值，若y1>y2，则将两端点的值互换，使得起点坐标的y值小于终点坐标的y值，若y1<y2，则进行步骤S8；
S8：将切片区域划分成若干垂直于y轴的直线，即扫描线，判断所有线段端点是否与扫描线重合，若重合，则采用添加轻微抖动的方法进行处理；
S9：计算抖动后线段的最小和最大纵坐标，分别记为y_min和y_max，然后找到纵坐标范围为[y_min，y_max]的所有扫描线，即最小扫描线和最大扫描线之间的所有扫描线，并记录为通过该计算抖动后线段的所有扫描线的集合；
S10：遍历该计算抖动后线段的扫描线集合；求每一条扫描线与线段的交点，并将交点的坐标记录在对应扫描线的交点数组中，直至线段的扫描线集合中所有扫描线均被遍历完毕，结束遍历；
S11：对于切片层的每一条扫描线，重复步骤S12到S13，直至切片层所有扫描线均被遍历完毕，结束遍历；
S12：对扫描线交点数组中的交点按照横坐标从小到大进行排序；
S13：将扫描线的交点数组按照S12的排序大小，两两一组，连接成线段，并将线段存入本切片层的切片图像中；
S14：读取每一层的切片图像，生成对应的二维投影图案；
S15：完成3D打印的切片填充；
S16：使用DLP光源将每层的投影图案投射到光敏树脂表面，使得树脂在光的照射下发生固化，得到3D打印模型。
所述步骤S8中判断线段端点是否与扫描线重合，若重合，则采用添加轻微抖动的方法处理，具体的方法如下：
首先在切片层上确定一系列的扫描线，扫描线的个数为buildPlatformYRange/layerYResolution，扫描线的方向垂直于y轴，扫描线的长度为buildPlatformXRange，扫描线的扫描的范围buildPlatformYRange，移动步长为layerYResolution，每移动一个步长增加一条扫描线；
设线段两端点坐标为(x1，y1)，(x2，y2)，计算线段的两个坐标的最小扫描线和最大扫描线，计算公式如下：
Figure BDA0004144272600000031
Figure BDA0004144272600000032
Figure BDA0004144272600000033
Figure BDA0004144272600000034
判断端点是否与扫描线重合，即y1-y1_min1<threshHold或y1-y1_min2<threshHold，其中threshHold为一个接近0的数，如果以上等式成立，则端点(x1，y1)在扫描线上，即端点(x1，y1)与扫描线重合，端点(x2，y2)也是同样的判断方式；
若端点与扫描线重合，则执行以下操作：y_min＝y1+disturbance，disturbance＝0.000001，即一个轻微抖动；对端点(x2，y2)执行同样操作，即：y_max＝y2+disturbance。
所述步骤S9中计算抖动后线段的最小和最大纵坐标，分别记为y_min和y_max，然后找到纵坐标范围为[y_min，y_max]的所有扫描线，即最小扫描线和最大扫描线之间的所有扫描线，并记录为通过该计算抖动后线段的所有扫描线的集合；具体的方法如下：
抖动后线段的最小和最大纵坐标分别为y_min和y_max，最小扫描线和最大扫描线是最小和最大纵坐标分别做向上取整和向下取整的操作，具体公式如下：
最小和最大扫描线倍数为：
Figure BDA0004144272600000035
Figure BDA0004144272600000036
最小和最大扫描线为：
Figure BDA0004144272600000037
Figure BDA0004144272600000038
将线段分为(x_indice_max-x_indice_min+1)条扫描线。
所述步骤S10中求扫描线与线段的交点(x，y)，并将交点的坐标记录在扫描线的数组中，具体公式如下：
Figure BDA0004144272600000041
上式中：y0为扫描线的y轴坐标，(x1，y1)、(x2，y2)为线段的两个起始端点坐标。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：传统切片填充算法在计算扫描线与切片轮廓交点时以扫描线为基准，将切片区域划分为若干条扫描线，依次判断每条扫描线与切片轮廓的交点信息，该种方法存在大量线段与扫描线不相交的情况；同时当扫描线与多条线段进行交点计算时，需要重复计算每条线段的斜率；因此造成了计算的浪费，使得算法效率较低。本发明另辟蹊径，以切片层中的线段为基准，遍历该线段的所有扫描线，避免了扫描线与线段不相交时的无效计算，同时对于该条线段，只需计算一次斜率，有效的解决了传统切片填充算法存在的问题，大大提高了算法的效率。同时本发明针对扫描线和线段交点为线段端点或者扫描线与线段重合时会产生重复存储，造成填充时错填和漏填的情况，提出了添加轻微抖动的方法，有效避开了以上的重复存储，解决了错填和漏填的问题，大大提高了算法的准确性。因此本算法实现了高精度和高速度的3D打印切片填充。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明实施例中给出的扫描线与多边形的两台边相交的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于DLP的3D打印切片填充方法，是针对DLP技术特点提出的一种新型3D打印切片填充方法，该方法的主要流程为：对3D模型的每一个图层中存储的线段，以每条线段为基准，判断该线段与扫描线的相交情况，如果线段端点与扫描线重合或者线段和扫描线重合，就对该点添加一个轻微抖动，使得扫描线可以避开这一特殊点，在该条线段的所有扫描线均遍历完毕后，记录每条扫描线的交点信息；接着开始遍历该图层的其他线段，直至该图层的线段均被处理；最后将每条扫描线中记录的交点信息按照横坐标大小进行排序，并且两两之间连成一条线段，并将其输出到图像中。具体步骤如下。
S1：导入3D模型，将3D模型转化为离散的三角形网格；
S2：设置3D打印平台的x，y，z的范围buildPlatformXRange、buildPlatformYRange、buildPlatformZRange；设置x，y方向的分辨率layerXResolution、layerYResolution，设置z轴方向的切片厚度layerZResolution；
S3：沿着z轴方向，将3D模型按照layerZResolution切分成一系列的切片层；
S4：计算每一个切片层与3D模型中三角形网格相交的线段，并将线段记录在对应的切片层中；
S5：对于3D模型中的每一个切片层，重复步骤S6到S14，直至遍历完该3D模型所有切片层；
S6：对于切片层中的每一条线段，重复步骤S7到S10，直至遍历完该切片层的所有线段；
S7：定义线段的起点坐标为(x1，y1)，终点坐标为(x2，y2)，比较每条线段端点的y值，若y1>y2，则将两端点的值互换，使得起点坐标的y值小于终点坐标的y值，若y1<y2，则进行步骤S8；
S8：将切片区域划分成若干垂直于y轴的直线，即扫描线，判断所有线段端点是否与扫描线重合，若重合，则采用添加轻微抖动的方法进行处理；
S9：计算抖动后线段的最小和最大纵坐标，分别记为y_min和y_max，然后找到纵坐标范围为[y_min，y_max]的所有扫描线，即最小扫描线和最大扫描线之间的所有扫描线，并记录为通过该计算抖动后线段的所有扫描线的集合；
S10：遍历该计算抖动后线段的扫描线集合；求每一条扫描线与线段的交点，并将交点的坐标记录在对应扫描线的交点数组中，直至线段的扫描线集合中所有扫描线均被遍历完毕，结束遍历；
S11：对于切片层的每一条扫描线，重复步骤S12到S13，直至切片层所有扫描线均被遍历完毕，结束遍历；
S12：对扫描线交点数组中的交点按照横坐标从小到大进行排序；
S13：将扫描线的交点数组按照S12的排序大小，两两一组，连接成线段，并将线段存入本切片层的切片图像中；
S14：读取每一层的切片图像，生成对应的二维投影图案；
S15：完成3D打印的切片填充；
S16：使用DLP光源将每层的投影图案投射到光敏树脂表面，使得树脂在光的照射下发生固化，得到3D打印模型。
以上步骤中，填充区域中的两条线段端点重合时，会产生以下问题：扫描线需要分别计算其与两条线段的交点，最终扫描线记录下两个重复的端点，进而填充过程交点两两匹配时出错，无法正确配对；若扫描线与填充区域的线段重合时，扫描线与该条线段有无数个交点，导致扫描线无法记录与该条线段的交点，进而在填充时遗漏该条线段；以上两种情况造成了填充时错填和漏填的问题。如图2中的b线的H点。
为解决上述问题，本发明提出了通过添加轻微抖动来处理顶点位于扫描线上的情况，即步骤S8中判断线段端点是否与扫描线重合，若重合，则采用添加轻微抖动的方法处理，具体的方法如下：
首先在切片层上确定一系列的扫描线，扫描线的个数为buildPlatformYRange/layerYResolution，扫描线的方向垂直于y轴，扫描线的长度为buildPlatformXRange，扫描线的扫描的范围buildPlatformYRange，移动步长为layerYResolution，每移动一个步长增加一条扫描线；
设线段两端点坐标为(x1，y1)，(x2，y2)，计算线段的两个坐标的最小扫描线和最大扫描线，计算公式如下：
Figure BDA0004144272600000061
Figure BDA0004144272600000062
Figure BDA0004144272600000063
Figure BDA0004144272600000064
判断端点是否与扫描线重合，即y1-y1_min1<threshHold或y1-y1_min2<threshHold，其中threshHold为一个接近0的数，如果以上等式成立，则端点(x1，y1)在扫描线上，即端点(x1，y1)与扫描线重合，端点(x2，y2)也是同样的判断方式；
若端点与扫描线重合，则执行以下操作：y_min＝y1+disturbance，disturbance＝0.000001，即一个轻微抖动；对端点(x2，y2)执行同样操作，即：y_max＝y2+disturbance。
步骤S9中计算抖动后线段的最小和最大纵坐标，分别记为y_min和y_max，然后找到纵坐标范围为[y_min，y_max]的所有扫描线，即最小扫描线和最大扫描线之间的所有扫描线，并记录为通过该计算抖动后线段的所有扫描线的集合；具体的方法如下：
抖动后线段的最小和最大纵坐标分别为y_min和y_max，最小扫描线和最大扫描线是最小和最大纵坐标分别做向上取整和向下取整的操作，具体公式如下：
最小和最大扫描线倍数为：
Figure BDA0004144272600000065
Figure BDA0004144272600000066
最小和最大扫描线为：
Figure BDA0004144272600000067
Figure BDA0004144272600000068
将线段分为(x_indice_max-x_indice_min+1)条扫描线。
步骤S10中求扫描线与线段的交点(x，y)，并将交点的坐标记录在扫描线的数组中，具体公式如下：
Figure BDA0004144272600000071
上式中：y0为扫描线的y轴坐标，(x1，y1)、(x2，y2)为线段的两个起始端点坐标。
本发明基于二维多边形扫描线填充算法，通过以切片层中的线段为基准，遍历该线段的所有扫描线，避免了扫描线与线段不相交时的无效计算，同时对于该条线段，只需计算一次斜率，有效的解决了传统切片填充算法存在的问题，大大提高了算法的效率。同时本发明针对扫描线和线段交点为线段端点或者扫描线与线段重合时会产生重复存储，造成填充时错填和漏填的情况，提出了添加轻微抖动的方法，有效避开了以上的重复存储，解决了错填和漏填的问题，大大提高了算法的准确性。因此本算法实现了高精度和高速度的3D打印切片填充。本发明的方法在3D打印切片填充过程中达到了高精度和高速度的效果。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于DLP的3D打印切片填充方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：导入3D模型，将3D模型转化为离散的三角形网格；
S2：设置3D打印平台的x，y，z的范围buildPlatformXRange、buildPlatformYRange、buildPlatformZRange；设置x，y方向的分辨率layerXResolution、layerYResolution，设置z轴方向的切片厚度layerZResolution；
S3：沿着z轴方向，将3D模型按照layerZResolution切分成一系列的切片层；
S4：计算每一个切片层与3D模型中三角形网格相交的线段，并将线段记录在对应的切片层中；
S5：对于3D模型中的每一个切片层，重复步骤S6到S14，直至遍历完该3D模型所有切片层；
S6：对于切片层中的每一条线段，重复步骤S7到S10，直至遍历完该切片层的所有线段；
S7：定义线段的起点坐标为(x1，y1)，终点坐标为(x2，y2)，比较每条线段端点的y值，若y1>y2，则将两端点的值互换，使得起点坐标的y值小于终点坐标的y值，若y1<y2，则进行步骤S8；
S8：将切片区域划分成若干垂直于y轴的直线，即扫描线，判断所有线段端点是否与扫描线重合，若重合，则采用添加轻微抖动的方法进行处理；
S9：计算抖动后线段的最小和最大纵坐标，分别记为y_min和y_max，然后找到纵坐标范围为[y_min，y_max]的所有扫描线，即最小扫描线和最大扫描线之间的所有扫描线，并记录为通过该计算抖动后线段的所有扫描线的集合；
S10：遍历该计算抖动后线段的扫描线集合；求每一条扫描线与线段的交点，并将交点的坐标记录在对应扫描线的交点数组中，直至线段的扫描线集合中所有扫描线均被遍历完毕，结束遍历；
S11：对于切片层的每一条扫描线，重复步骤S12到S13，直至切片层所有扫描线均被遍历完毕，结束遍历；
S12：对扫描线交点数组中的交点按照横坐标从小到大进行排序；
S13：将扫描线的交点数组按照S12的排序大小，两两一组，连接成线段，并将线段存入本切片层的切片图像中；
S14：读取每一层的切片图像，生成对应的二维投影图案；
S15：完成3D打印的切片填充；
S16：使用DLP光源将每层的投影图案投射到光敏树脂表面，使得树脂在光的照射下发生固化，得到3D打印模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于DLP的3D打印切片填充方法，其特征在于：所述步骤S8中判断线段端点是否与扫描线重合，若重合，则采用添加轻微抖动的方法处理，具体的方法如下：
首先在切片层上确定一系列的扫描线，扫描线的个数为buildPlatformYRange/layerYResolution，扫描线的方向垂直于y轴，扫描线的长度为buildPlatformXRange，扫描线的扫描的范围buildPlatformYRange，移动步长为layerYResolution，每移动一个步长增加一条扫描线；
设线段两端点坐标为(x1，y1)，(x2，y2)，计算线段的两个坐标的最小扫描线和最大扫描线，计算公式如下：
Figure FDA0004144272590000021
Figure FDA0004144272590000022
Figure FDA0004144272590000023
Figure FDA0004144272590000024
判断端点是否与扫描线重合，即y1-y1_min1<threshHold或y1-y1_min2<threshHold，其中threshHold为一个接近0的数，如果以上等式成立，则端点(x1，y1)在扫描线上，即端点(x1，y1)与扫描线重合，端点(x2，y2)也是同样的判断方式；
若端点与扫描线重合，则执行以下操作：y_min＝y1+disturbance，disturbance＝0.000001，即一个轻微抖动；对端点(x2，y2)执行同样操作，即：y_max＝y2+disturbance。
3.根据权利要求2所述的一种基于DLP的3D打印切片填充方法，其特征在于：所述步骤S9中计算抖动后线段的最小和最大纵坐标，分别记为y_min和y_max，然后找到纵坐标范围为[y_min，y_max]的所有扫描线，即最小扫描线和最大扫描线之间的所有扫描线，并记录为通过该计算抖动后线段的所有扫描线的集合；具体的方法如下：
抖动后线段的最小和最大纵坐标分别为y_min和y_max，最小扫描线和最大扫描线是最小和最大纵坐标分别做向上取整和向下取整的操作，具体公式如下：
最小和最大扫描线倍数为：
Figure FDA0004144272590000025
Figure FDA0004144272590000026
最小和最大扫描线为：
Figure FDA0004144272590000027
Figure FDA0004144272590000028
将线段分为(x_indice_max-x_indice_min+1)条扫描线。
4.根据权利要求3所述的一种基于DLP的3D打印切片填充方法，其特征在于：所述步骤S10中求扫描线与线段的交点(x，y)，并将交点的坐标记录在扫描线的数组中，具体公式如下：
Figure FDA0004144272590000031
上式中：y0为扫描线的y轴坐标，(x1，y1)、(x2，y2)为线段的两个起始端点坐标。
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