CN116945609B - 适用于体积生物3d打印的投影切片生成方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

适用于体积生物3d打印的投影切片生成方法、装置、设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，包括：将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；对每一张横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为横向切片的(n‑1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°<θ≤1°，N*θ＝360°；将M张横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片。

Description

适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法、装置、设备和存 储介质
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
生物3D打印是将3D打印技术应用于生物领域的一种应用。它利用生物材料或生物活性物质，通过逐层堆叠或逐层喷射的方式创建具有特定结构和功能的生物组织或器官。
生物3D打印技术有助于解决医学领域的一些挑战，例如组织缺损修复、器官移植等问题。通过使用生物材料如生物墨水，可以将细胞、蛋白质和其他生物分子精确地打印成三维结构，以重建受损或缺失的组织。
生物3D打印的应用包括但不限于以下几个方面：
组织工程：通过生物3D打印技术，可以制造出与人体组织相似的三维结构，如骨骼、软骨、皮肤等。这些结构可以被用于组织修复、再生医学研究等领域。
器官移植：生物3D打印为器官移植提供了新的可能性。研究人员已经成功地使用该技术打印出心脏、肝脏、肾脏等器官原型，为患者提供更好的治疗选择。
药物研发：生物3D打印可用于制造定制化的药物交付系统。通过打印药物载体或微结构，可以实现药物的持续释放、剂量控制以及个体化治疗。
医学教育和研究：生物3D打印技术可以创建解剖模型、仿真器官等工具，用于医学教育培训和手术模拟。它还可以帮助研究人员更好地理解人体结构和功能。
尽管生物3D打印技术还处于发展阶段，但它已经展示了巨大的潜力，在未来有望为医学领域带来革命性的改变，并为患者提供更好的治疗和康复方案。
目前，国内外的生物3D打印的常规技术是采用逐层打印的技术，所谓逐层打印就是将三维模型按照垂直于Z轴进行切片，在打印时，将这些XY轴二维切片按照位置先后顺序在Z轴方向上进行垂直打印，最终由“二维”向“三维”逐层式堆叠出三维物体。
这种逐层打印的技术目前主要有两种实现方案，分别是挤出式和光固化式。挤出式是利用气压或者机械驱动的喷头将生物墨水可控的挤出，(生物)墨水从喷头处被挤出，沉积到成形平台上形成二维结构，随着喷头或者成形平台z方向上的运动，二维结构层层堆积形成三维结构。而光固化式打印是利用数字光投射器对生物墨水的整个面进行固化，通过成形平台的上下运动，逐层固化得到三维结构。
但是，这种逐层打印的技术，在打印精度要求越高时，切出的二维切片数量会快速升高，导致打印的时间很长，一般在几十分钟到几个小时。而过长的等待会导致生物墨水里的活细胞大量死亡。逐层打印因为每个切片是按照顺序单独成型的，这就会造成打印物体中的细胞和血管网络无法有机融合，并且层与层之间在表面会有高度差，就会使得打印物体在表面会形成层状粗糙纹理，这与正常器官的比较光滑的表面不符。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法、装置、设备和存储介质，能够有效解决现有技术中存在的上述技术问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，所述方法包括步骤：
S1、将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1；
S2、对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°<θ≤1°，N*θ＝360°；
S3、将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片；
其中，在对所述三维模型的体积打印过程中，将获得的所述投影切片按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应。
较佳地，0.5°≤θ≤1°。
较佳地，所述步骤S3具体包括：
S31、对每一张所述横向切片的每一角度的投影数据进行滤波操作；
S32、将M张所述横向切片的同一角度的滤波后的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片。
较佳地，在所述S1中，所述三维模型由大量的三角形构成，每个三角形设有对应的顶点三维坐标，设平行于X，Y轴平面的表达式为：Z＝z0，其中Z表示Z轴的坐标，z0为常数，且z0初始化为0；所述步骤S1具体包括：
S11、将每一个三角形的三个顶点的Z轴的坐标与z0做比较，选出其中满足同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形或同时存在两个顶点的Z坐标等于z0的三角形；
S12、对于同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形，当存在Z坐标等于z0的顶点时，将剩余的两个顶点连接，计算连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
S13、对于不存在Z坐标等于z0的顶点的三角形，计算两个Z坐标大于z0的顶点与分别与Z坐标小于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点，或计算两个Z坐标小于z0的顶点与分别与Z坐标大于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
其中，在上述步骤S12和S13中，利用向量法计算每一所述交点，公式如下：
其中，Z坐标大于z0的点P1的坐标为(x1，y1，z1)，另一个Z坐标小于z0的点P2的坐标为(x2，y2，z2)，交点为P，平行于X，Y轴平面表达式为ax+by+cz+d＝0，a，b，c，d为常量，x，y，z为X轴、Y轴、Z轴的变量，原点为O，为O到P的向量，/>为O到P1的向量，/>为P1到P2的向量；
由于平行于X，Y轴平面平行于X，Y轴，所以a＝0，b＝0，d＝-z0，所述公式变换为：
其中，表示P1到P的向量；
从而得到每一所述交点P的坐标为因此，每个三角形得到一个交点、一个Z坐标等于z0的端点或者两个交点或两个Z坐标等于z0的端点，一个三角形所得到的两个点作为一组；
S14、将所有点组的两个点连接，得到三维模型的Z轴坐标为z0，且与X，Y轴平面平行的横截面的轮廓图，将所述轮廓图像素化，在轮廓图的内部的像素点为白色，在轮廓图的外部的像素点为黑色，从而得到当前层的横向切片二值图；
S15、判断当前的z0是否小于H，若是则将z0+h的值代替当前的z0并返回步骤S11；若否则结束；其中H为所述三维模型的总高度，h＜H。
较佳地，h＜0.01㎜。
较佳地，在所述步骤S2中，对每一张所述横向切片侧面360度的每一角度依次进行拉登变换，从而获得每一张所述横向切片的对应角度的拉登变换的投影数据。
较佳地，所述三维模型的高度满足：[H/h]＝M+1；所述三维模型的最高点位于最顶层的横向切片内。
本发明另一实施例对应提供一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成装置，包括：
横向切片生成模块，用于将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1；
投影数据转换模块，用于对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°＜θ≤1°，N*θ＝360°；
投影切片生成模块，用于将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片；
其中，在对所述三维模型的体积打印过程中，将所述投影切片生成模块获得的所述投影切片按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应。
本发明又一实施例提供一种电子设备，包括处理器、存储器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如上任一实施例所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
本发明又一实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行如上任一实施例所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法、装置、设备和存储介质，具有如下技术效果：通过对3D模型所有横向切面侧面360度的每一角度顺序进行拉登(radon)变换，然后将所有横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向(纵向)依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片。其中，获得的投影切片在三维模型的体积打印过程中按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应。可见，利用本发明提供的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法所获得的投影切片进行三维模型的体积打印，舍弃了传统体积生物3D打印的Z轴逐层累加(即直接利用横向切片作为投影切片进行逐层打印)的方法，采用了按角度投影累加的方式，即按照3D模型侧面360度的不同角度进行切片，并投影累加进行3D打印。按角度投影累加使得最大角度固定为360度，避免了3D生物模型Z轴过高引起的切片数量增加，大大降低了切片的数量及加快了打印的速度，打印时间短，一般在10～120秒，实现了按秒计算的体积生物打印。另外，因为每一个角度的投影切片均是所有三维物体横向切面的此角度的投影数据堆叠在一起形成，在打印过程打印瓶中的所有横向切面会同时固化为对应三维物体横向切片，无需进行由“二维”向“三维”逐层式堆叠出三维物体，使得打印目标一体成型，解决了细胞和血管网络无法有机融合的问题，避免了打印物体出现层状粗糙表面的问题，使打印物体更符合组织器官表面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法的流程示意图。
图2为利用本发明实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法生成的横向切片的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法实施过程中执行的拉登(Radon)变换示意图。
图4展示利用本发明实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法获得的投影切片的生成(变换)过程。
图5为利用本发明提供的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法所获得的投影切片进行三维模型的体积打印示意图。
图6为本发明实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成装置的结构框图。
图7是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
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。
图1为本申请实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片方法的流程图，所述方法包括步骤S1～S3：
S1、将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1。
S2、对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°<θ≤1°，N*θ＝360°。
作为优选方案，0.5°≤θ≤1°。
S3、将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片；
其中，在对所述三维模型的体积打印过程中，将获得的所述投影切片按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应。
下面，将对本申请实施例提供的一种适用于体积生物3D打印的投影切片方法的各个步骤展开详细描述。
首先，在所述S1中，可以通过存储大量三角形的三维坐标，然后计算符合条件的三角形，计算三角形顶点的坐标，然后将点与点相连得到轮廓图，将轮廓图像素化，将所有平面三角形都向上移动固定距离，做同样的操作，直到平行于X，Y轴平面到达三维模型顶层或第一次超过顶层。
通过步骤S1将平行于X，Y轴平面向上移动固定距离越小越好。因为横向切片二值图的数量决定了最终打印出的三维物体的精度。横向切片二值图的数量根据3D模型总高度/固定移动距离得到。在本实施例中，横向切片二值图的数量M≥1。可以理解的，对三维模型沿Z轴进行等距横向切片是对其的一种离散化，势必导致离散出的面足够多时，优选为三维模型沿Z轴进行等距横向切片数目足够多的时候，与原三维模型更相似，打印出的物体还原度更高。
具体的，下面结合图2，将详细描述如何获得所述三维模型的每一张横向切片的横向切片二值图。可以理解的，在所述S1中，所述三维模型由大量的三角形构成，每个三角形设有对应的顶点三维坐标，设平行于X，Y轴平面的表达式为：Z＝Z0，其中Z表示Z轴的坐标，z0为常数，且z0初始化为0；所述步骤S1具体包括步骤S11～S15：
S11、将每一个三角形的三个顶点的Z轴的坐标与z0做比较，选出其中满足同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形或同时存在两个顶点的Z坐标等于z0的三角形。
S12、对于同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形，当存在Z坐标等于z0的顶点时，将剩余的两个顶点连接，计算连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点。
S13、对于不存在Z坐标等于z0的顶点的三角形，计算两个Z坐标大于z0的顶点与分别与Z坐标小于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点，或计算两个Z坐标小于z0的顶点与分别与Z坐标大于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
其中，在上述步骤S12和S13中，利用向量法计算每一所述交点，公式如下：
其中，Z坐标大于z0的点P1的坐标为(x1，y1，z1)，另一个Z坐标小于z0的点P2的坐标为(x2，y2，z2)，交点为P，平行于X，Y轴平面表达式为ax+by+cz+d＝0，a，b，c，d为常量，x，y，z为X轴、Y轴、Z轴的变量，原点为O，为O到P的向量，/>为O到P1的向量，/>为P1到P2的向量；
由于平行于X，Y轴平面平行于X，Y轴，所以a＝0，b＝0，d＝-z0，所述公式变换为：
其中，表示P1到P的向量；
从而得到每一所述交点P的坐标为因此，每个三角形得到一个交点、一个Z坐标等于z0的端点或者两个交点或两个Z坐标等于z0的端点，一个三角形所得到的两个点作为一组。
S14、将所有点组的两个点连接，得到三维模型的Z轴坐标为z0，且与X，Y轴平面平行的横截面的轮廓图，将所述轮廓图像素化，在轮廓图的内部的像素点为白色，在轮廓图的外部的像素点为黑色，从而得到当前层的横向切片二值图。其中，图2分别显示了三维模型的第150层横向切片和第450层横向切片的横向切片二值图(原始二值图)。
可以理解的，在该步骤中，将所述轮廓图像素化为对于所述轮廓图的每一个像素，取中心点坐标作为像素坐标，利用射线法判断是否在轮廓内部，在轮廓内部的像素点为白色，在轮廓外部的像素点为黑色，所述黑色代表此像素点在三维模型外，为空，表示像素点位置不需要光固化为物体；所述白色代表此像素点在三维模型内，为实体，表示像素点位置需要光固化为物体。其中，将所述轮廓图像素化的具体操作为：用相同大小正方形网格铺满轮廓图，每个网格为一个像素，且每个网络设置一个颜色，网格的边长为自定长度。
S15、判断当前的z0是否小于H，若是则将z0+h的值代替当前的z0并返回步骤S11；若否则结束；其中H为所述三维模型总高度，h＜H。作为优选方案，h≤0.01㎜。
可以理解的，在该步骤S15中，h为将平行于X，Y轴平面向上移动的固定距离。其中，所述三维模型的总高度为取整计算，具体的，所述三维模型的总高度/向上移动的固定距离的取整＝层数+1，即：[H/h]＝M+1。三维模型总高度相同时，向上移动的固定距离越小，层数越多。所述三维模型的最高点位于最顶层的横向切片内。
可以理解的，通过步骤S1获得三维模型的所有横向切片的横向切片二值图之后，本发明实施例并不是直接利用横向切片作为投影切片进行3D体积打印，而是对三维模型的所有横向切片进行360度的拉登(Radon)变换，得到所有横向切片的不同角度的拉登变换的投影数据，并将所有横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片，然后再利用获得的投影切片按角度顺序进行3D体积打印。
具体的，在步骤S2中，对每一张所述横向切片侧面360度的每一角度依次进行拉登变换，从而获得每一张所述横向切片的对应角度的拉登变换的投影数据。例如，以θ＝1°，N＝360为例，对每一张所述横向切片侧面360度的0°角度开始进行拉登(Radon)变换得到第1行投影数据，然后对每一张所述横向切片侧面360度的1°角度进行拉登(Radon)变换得到第2行投影数据，接着对每一张所述横向切片侧面360度的2°角度进行拉登(Radon)变换得到第3行投影数据……以此类推，从而得到每一张所述横向切片侧面360度的(n-1)*θ角度下的第n行投影数据。又例如，以θ＝0.5°，N＝720为例，对每一张所述横向切片侧面360度的0°角度开始进行拉登(Radon)变换得到第1行投影数据，然后对每一张所述横向切片侧面360度的0.5°角度进行拉登(Radon)变换得到第2行投影数据，接着对每一张所述横向切片侧面360度的1°角度进行拉登(Radon)变换得到第3行投影数据……以此类推，从而得到每一张所述横向切片侧面360度的(n-1)*θ角度下的第n行投影数据。
可以理解的，对三维模型的所有横向切片进行360度的拉登(Radon)变换，拉登(Radon)变换就是对每一张横向切片二值图像(二维灰度图像)强度沿特定角度的径向线的投影。具体来说，每一张横向切片二值图像的拉登(Radon)变换是其中每个像素的Radon变换的总和。
例如，结合图3所示，对每一张横向切片二值图像的拉登(Radon)变换操作过程参考如下：
首先将横向切片二值图的每个像素分成四个子像素，并单独对每个子像素投影；
根据投影位置和bin中心之间的距离，每个子像素的贡献按比例拆分到两个最近的bin；
根据子像素投影到bin中心点的情况，计算像素值的总和；
其中，所述子像素投影到bin中心点的情况具体为：
(1)子像素投影到bin的中心点，则轴上的bin将获得子像素的完整值，即为像素值的四分之一；
(2)子像素投影到两个bin之间的边界，则子像素值在这两个bin之间均匀拆分。
可以理解的，引入图3所示的对于二维灰度图像的拉登(Radon)变换已为本领域技术人员所熟悉，在此不再展开详细说明。
在本实施例中，通过步骤S2获得三维模型的每一张所述横向切片的每一角度的投影数据后，首先对每一张所述横向切片的每一角度的投影数据进行滤波操作，然后再将所有横向切片的同一角度的滤波后的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片。可以理解的，通过对对每一张所述横向切片的每一角度的投影数据进行滤波操作后再执行堆叠构成投影切片，能够进一步提高3D体积打印的图像清晰度。其中，滤波操作可以采用本技术领域的常用滤波方式，在此不做展开说明。
具体的，在上述步骤S3中，通过将三维模型的所有横向切片的同一角度的滤波后的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片。结合图4所示，图4展示投影切片的生成(变换)过程，具体地，展示了将三维物体进行横向切片得到多层(张)横向切片，然后对每层(张)横向切片进行拉登变换得到投影数据，再将所有横向切片的同一角度(例如，图4显示为0°)的投影数据(优选滤波后)按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度(例如，图4显示为0°)的投影切片。
如图5所示，利用本发明提供的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法所获得的投影切片进行三维模型的体积打印，在对所述三维模型的体积打印过程中，将投影切片按角度顺序依次(例如，定时)投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶，使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应。
具体来说，将投影切片从某一角度开始，按照顺时针或逆时针顺序定时投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶，使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度一一对应。投影光线以对应的角度通过打印瓶对每一个打印瓶中的所有横向切面均进行了类似反投影效果的操作。即将每个角度的一串投影数据(这里是每一行像素的灰度)沿着原角度“回抹”，往二维的所有像素点上平均，将会使得打印瓶中的横切面光强累积为对应的三维物体横切面的形状，从而使得此横切面固化为一个三维物体横向切片，光强累积指的是整个打印过程中在同一个位置光强能量的叠加。因为每一个角度的投影切片均是所有三维物体横切面的此角度滤波后的投影数据堆叠在一起形成(三维物体横切面的此角度滤波后的投影数据是一串数据，将这一串数据按照所属横向切片从底层到高层的顺序，从低到高一行一行的排列在一起)，所以当将其投影到打印瓶中时，会同时对所有横切面做类似反投影的操作。打印瓶中的所有横切面的生物墨水同时光固化为对应三维物体横向切片，从三维角度看则为此三维物体，由此，完成了对3D模型的体积打印。
如图6所示，本发明实施例提供了一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成装置，包括：
横向切片生成模块61，用于将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1；
投影数据转换模块62，用于对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°＜θ≤1°，N*θ＝360°；
投影切片生成模块63，用于将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片；
其中，在对所述三维模型的体积打印过程中，将所述投影切片生成模块获得的所述投影切片按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应。
本实施例中的适用于体积生物3D打印的投影切片生成装置的具体实施方式可参照上述实施例的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法的描述，在此不再赘述。
如图7所示，本发明实施例提供了一种电子设备300，包括存储器310和处理器320，所述存储器310用于存储一条或多条计算机指令，所述处理器320用于调用并执行所述一条或多条计算机指令，从而实现上述任一所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
也就是说，电子设备300包括：处理器320和存储器310，在所述存储器310中存储有计算机程序指令，其中，在所述计算机程序指令被所述处理器运行时，使得所述处理器320执行上述任一所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
进一步地，如图7所示，电子设备300还包括网络接口330、输入设备340、硬盘350、和显示设备360。
上述各个接口和设备之间可以通过总线架构互连。总线架构可以是可以包括任意数量的互联的总线和桥。具体由处理器320代表的一个或者多个中央处理器(CPU)，以及由存储器310代表的一个或者多个存储器的各种电路连接在一起。总线架构还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其它电路连接在一起。可以理解，总线架构用于实现这些组件之间的连接通信。总线架构除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线，这些都是本领域所公知的，因此本文不再对其进行详细描述。
所述网络接口330，可以连接至网络(如因特网、局域网等)，从网络中获取相关数据，并可以保存在硬盘350中。
所述输入设备340，可以接收操作人员输入的各种指令，并发送给处理器320以供执行。所述输入设备340可以包括键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。
所述显示设备360，可以将处理器320执行指令获得的结果进行显示。
所述存储器310，用于存储操作系统运行所必须的程序和数据，以及处理器320计算过程中的中间结果等数据。
可以理解，本发明实施例中的存储器310可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM)，其用作外部高速缓存。本文描述的装置和方法的存储器310旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在一些实施方式中，存储器310存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统311和应用程序312。
其中，操作系统311，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序312，包含各种应用程序，例如浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序312中。
上述处理器320，当调用并执行所述存储器310中所存储的应用程序和数据，具体的，可以是应用程序312中存储的程序或指令时，将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1；然后对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°＜θ≤1°，N*θ＝360°；最后将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片
本发明上述实施例揭示的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法可以应用于处理器320中，或者由处理器320实现。处理器320可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器320中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器320可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器310，处理器320读取存储器310中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
具体地，处理器320还用于读取所述计算机程序，执行上述任一所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行上述方法，比如执行上述电子设备执行的方法，此处不赘述。
可选的，本申请涉及的存储介质如计算机可读存储介质可以是非易失性的，也可以是易失性的。
可选的，该计算机可读存储介质可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据区块链节点的使用所创建的数据等。其中，本申请所指区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链(Blockchain)，本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次网络交易的信息，用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。区块链可以包括区块链底层平台、平台产品服务层以及应用服务层等。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理包括，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述收发方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所揭露的仅为本发明一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1；
S2、对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°<θ≤1°，N*θ＝360°；
S3、将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片；
其中，在对所述三维模型的体积打印过程中，将获得的所述投影切片按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应；
其中，在所述S1中，所述三维模型由大量的三角形构成，每个三角形设有对应的顶点三维坐标，设平行于X，Y轴平面的表达式为：Z＝z0，其中Z表示Z轴的坐标，z0为常数，且z0初始化为0；所述步骤S1具体包括：
S11、将每一个三角形的三个顶点的Z轴的坐标与z0做比较，选出其中满足同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形或同时存在两个顶点的Z坐标等于z0的三角形；
S12、对于同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形，当存在Z坐标等于z0的顶点时，将剩余的两个顶点连接，计算连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
S13、对于不存在Z坐标等于z0的顶点的三角形，计算两个Z坐标大于z0的顶点与分别与Z坐标小于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点，或计算两个Z坐标小于z0的顶点与分别与Z坐标大于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
其中，在上述步骤S12和S13中，利用向量法计算每一所述交点，公式如下：
其中，Z坐标大于z0的点P1的坐标为(x1，y1，z1)，另一个Z坐标小于z0的点P2的坐标为(x2，y2，z2)，交点为P，平行于X，Y轴平面表达式为ax+by+cz+d＝0，a，b，c，d为常量，x，y，z为X轴、Y轴、Z轴的变量，原点为O，为O到P的向量，/>为O到P1的向量，/>为P1到P2的向量；
由于平行于X，Y轴平面平行于X，Y轴，所以a＝0，b＝0，d＝-z0，所述公式变换为：
其中，表示P1到P的向量；
从而得到每一所述交点P的坐标为因此，每个三角形得到一个交点、一个Z坐标等于z0的端点或者两个交点或两个Z坐标等于z0的端点，一个三角形所得到的两个点作为一组；
S14、将所有点组的两个点连接，得到三维模型的Z轴坐标为z0，且与X，Y轴平面平行的横截面的轮廓图，将所述轮廓图像素化，在轮廓图的内部的像素点为白色，在轮廓图的外部的像素点为黑色，从而得到当前层的横向切片二值图；
S15、判断当前的z0是否小于H，若是则将z0+h的值代替当前的z0并返回步骤S11；若否则结束；其中H为所述三维模型的总高度，h＜H。
2.根据权利要求1所述的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，其特征在于，0.5°≤θ≤1°。
3.根据权利要求1所述的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
S31、对每一张所述横向切片的每一角度的投影数据进行滤波操作；
S32、将M张所述横向切片的同一角度的滤波后的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片。
4.根据权利要求1所述的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，其特征在于，h<0.01㎜。
5.根据权利要求1所述的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对每一张所述横向切片侧面360度的每一角度依次进行拉登变换，从而获得每一张所述横向切片的对应角度的拉登变换的投影数据。
6.根据权利要求1所述的一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法，其特征在于，所述三维模型的高度满足：[H/h]＝M+1；所述三维模型的最高点位于最顶层的横向切片内。
7.一种适用于体积生物3D打印的投影切片生成装置，其特征在于，包括：
横向切片生成模块，用于将三维模型沿Z轴进行等距横向切片，得到M张横向切片；其中，得到的每一张横向切片为横向切片二值图，M≥1；
投影数据转换模块，用于对每一张所述横向切片进行360度的拉登变换，使每一张横向切片得到N行投影数据；其中，每一行投影数据为每一张所述横向切片的一个角度的拉登变换的投影数据，由同一张横向切片进行拉登变换得到的N行投影数据中，第n行投影数据为所述横向切片的(n-1)*θ角度的拉登变换的投影数据，n＝1，2……N，0°<θ≤1°，N*θ＝360°；
投影切片生成模块，用于将M张所述横向切片的同一角度的投影数据按照Z轴的方向依次堆叠构成同一角度的投影切片，从而获得所述三维模型的侧面360度的不同角度下的投影切片；
其中，在对所述三维模型的体积打印过程中，将所述投影切片生成模块获得的所述投影切片按照角度顺序依次投影到装有光固化生物墨水的打印瓶中，同时匀速旋转打印瓶使得投影的投影切片的角度与打印瓶的角度对应；
其中，在所述横向切片生成模块中，所述三维模型由大量的三角形构成，每个三角形设有对应的顶点三维坐标，设平行于X，Y轴平面的表达式为：Z＝z0，其中Z表示Z轴的坐标，z0为常数，且z0初始化为0；所述横向切片生成模块执行的步骤具体包括：
S11、将每一个三角形的三个顶点的Z轴的坐标与z0做比较，选出其中满足同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形或同时存在两个顶点的Z坐标等于z0的三角形；
S12、对于同时存在Z坐标大于z0的顶点和小于z0的顶点的三角形，当存在Z坐标等于z0的顶点时，将剩余的两个顶点连接，计算连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
S13、对于不存在Z坐标等于z0的顶点的三角形，计算两个Z坐标大于z0的顶点与分别与Z坐标小于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点，或计算两个Z坐标小于z0的顶点与分别与Z坐标大于z0的顶点连接的线段与平行于X，Y轴平面的交点；
其中，在上述步骤S12和S13中，利用向量法计算每一所述交点，公式如下：
其中，Z坐标大于z0的点P1的坐标为(x1，y1，z1)，另一个Z坐标小于z0的点P2的坐标为(x2，y2，z2)，交点为P，平行于X，Y轴平面表达式为ax+by+cz+d＝0，a，b，c，d为常量，x，y，z为X轴、Y轴、Z轴的变量，原点为O，为O到P的向量，/>为O到P1的向量，/>为P1到P2的向量；
由于平行于X，Y轴平面平行于X，Y轴，所以a＝0，b＝0，d＝-z0，所述公式变换为：
其中，表示P1到P的向量；
从而得到每一所述交点P的坐标为因此，每个三角形得到一个交点、一个Z坐标等于z0的端点或者两个交点或两个Z坐标等于z0的端点，一个三角形所得到的两个点作为一组；
S14、将所有点组的两个点连接，得到三维模型的Z轴坐标为z0，且与X，Y轴平面平行的横截面的轮廓图，将所述轮廓图像素化，在轮廓图的内部的像素点为白色，在轮廓图的外部的像素点为黑色，从而得到当前层的横向切片二值图；
S15、判断当前的z0是否小于H，若是则将z0+h的值代替当前的z0并返回步骤S11；若否则结束；其中H为所述三维模型的总高度，h＜H。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1-6任一项所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1-6任一项所述的适用于体积生物3D打印的投影切片生成方法。
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