JP6474995B2 - スライスデータ作成装置、スライスデータ作成方法、プログラムおよびコンピューター読み取り可能な記録媒体 - Google Patents
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Description
(1)ポリゴンメッシュを輪切りにした際の輪郭線を示すポリラインである輪郭ポリ ライン(連続線分)が得られるように、ポリゴンメッシュの位相情報(「ポリ ゴンメッシュの位相情報」とは、ポリゴンメッシュを構成する三角面の接続情 報である。)を変更する、
(2)上記(1)で得られた輪郭ポリラインを、当該輪郭ポリライン内の領域である 内部を正常に塗り潰すことができるように修正する、
という処理を行うようにしたものである。
本発明の一態様に係る三次元造形装置は、スライスデータ生成装置により生成されたスライスデータを入力する入力手段と、複数の第2ピクセルの各々に対応するように設けられ、前記光源により発せられた光を反射させて前記光硬化性材料に導く第1の位置と前記光源により発生された光を前記光硬化性材料に導かない第2の位置との間において回動自在に支持された複数の反射手段と、各第2ピクセルに対して、前記複数の第1ピクセルのうち対応する2つ以上の第1ピクセルに対して設定された輝度値を用いた補間処理により、輝度値を設定する設定手段と、前記複数の反射手段の各々の回動を、該反射手段に対応する第2ピクセルに対して設定された輝度値に基づいて制御する制御手段と、を具備する。
ポリゴンメッシュ生成部42においては、STLファイルからポリゴンメッシュの情報を読み込み、読み込んだポリゴンメッシュに対してスライスデータを生成するために必要な調整を行うものであり、以下に図13に示すフローチャートを参照しながらその技術内容を詳細に説明する。
ポリゴンメッシュ生成部42においては、まず、STLファイルをロードしてポリゴンメッシュの情報を読み込む。
上記(1−1)、即ち、ステップS1302で作成したデータの状態では、隣り合う面と座標値が同じ頂点が重複して存在しているため、それらを1つに統合する処理を行う。それに伴い、各稜線の頂点の情報を更新する。その結果、隣り合う面の境界の稜線も同じ頂点の構成となり重複するので、それらも統合して面と稜線間の位相情報も更新する。
ソリッドモデルで扱われるポリゴンメッシュは二多様体であり、1つの稜線に三角面は必ず2つ接続するが、稀に頂点の座標値が非常に接近している場合などは4つ以上接続してしまう場合がある。
輪郭抽出部44においては、ポリゴンメッシュ生成部42の処理による境界表現により生成されたポリゴンメッシュを任意のZ座標の平面で切断し、そのときの輪郭形状(輪郭ポリライン)を得る処理を行う。
(2−1−1)稜線と平面との交差点
ポリゴンメッシュの各稜線と、スライス面(法線ベクトルがZ軸に平行な平面)との交差点の座標を求める。その結果は、各稜線と関連付けて保持する。
輪郭ポリラインの進行方向は、ポリゴンメッシュをZ軸上方から下方に見て右回りに囲むようにする。交差座標が関連付けられている稜線に着目し、その稜線に接続する面の他方の稜線にも交差座標が関連付けられている場合、それら2点の交差点を繋いで1つの切断線分を得る。そのときの交差点を繋ぐ方向は次のように決定する。
始点側の稜線の上向きのベクトル
次に、上記の処理により得られた切断面のポリラインを塗り潰す準備をする。
まず、1つのポリラインについて、以下の分割合成処理を行う。複数ある場合は、それぞれについて行う。
各ポリラインについて、そのポリラインが交差する点である自己交差点で、複数のポリラインに分割(Separate)する。分割されたポリラインは、端点が開いた状態になる。
ポリラインのある一つの線分に着目し、次の処理を繰り返す。
内外判定=ON,ステータス=1以外
個々の閉じたポリラインについて自己交差を解消した後、他のポリライン同士との交差を解消する。
全ての線分について判定と削除処理が終わったならば、残った開ポリラインをつないで閉じたポリラインを形成する。
次に,上記した(2−2−3)の処理により合成された輪郭ポリラインを出力するビットマップ出力用画像座標系に当てはめる。
ワールド座標値を(Xw,Yw)、ワールド→画像座標スケーリング係数を(sx,sy)、画像座標原点の平行移動量を(tx,ty)とおくと、画像座標値を(u,v)は次式で求められる。
プロジェクターを使用して造形する場合は、調査済みの歪み係数を用いて画像座標の変更を行う。また、その画像座標から、対応するワールド座標値を計算する。
三次元モデルの輪郭ポリライン全域が出力画像座標系に収まらない場合は、その境界線でクリップする。図10には公知のリエントラント型多角形クリッピング(パイプラインクリッピング)の処理を示す説明図が示されているが、この図10に示すように、画像座標範囲の上辺、下辺、左辺、右辺それぞれ順にポリラインをクリップしていく。ただしそれらの順序は問わないものとする。
塗り潰しデータ生成46(輝度設定部46)においては、上記した処理で得られた輪郭ポリラインの内部を塗り潰すビットマップデータを生成する。
図11にはスキャンコンバージョンによるポリラインの塗り潰しの処理を示す説明図が示されているが、図11において、1つの正方形のマスがビットマップ画像の1つのピクセルを表すものとする。
ビットマップの各ピクセルに輝度値の設定については、IN/OUTステータスによって、8bitグレースケールビットマップの各ピクセルの値を、例えば、次に示す第1の手法〜第3の手法を用いて設定することができる。
第1の手法では、4つの角のすべてが「IN」であるピクセルには、第1の輝度値(例えば255)が設定される。また、4つの角のすべてが「OUT」であるピクセルには、第2の輝度値(例えば0)が設定される。これら以外のピクセル、すなわち、4つの角のうちのいずれかの角が「IN」及び「OUT」の両方であるピクセルには、第1の輝度値(例えば255)が設定される。
この手法を用いた場合には、全体が輪郭ポリラインの内部に存在するピクセルには、第1の輝度値(例えば255)が設定され、全体が輪郭ポリラインの外部に存在するピクセルには、第2の輝度値(例えば0)が設定される。さらに、一部が輪郭ポリラインの内部又は外部に存在するピクセルには、第1の輝度値(例えば255)が設定される。
なお、第1の輝度値としては、1つの値(例えば255)ではなく、ある範囲を有する値(例えば250〜255)の中から選択された値を用いてもよい。同様に、第2の輝度値としては、1つの値(例えば0)ではなく、ある範囲を有する値(例えば0〜5)の中から選択された値を用いてもよい。これは、後述する第2の手法及び第3の手法にも同様に適用可能である。
第2の手法は、4つの角のうちのいずれかの角が「IN」及び「OUT」の両方であるピクセルに第2の輝度値(例えば0)が設定される点のみにおいて、第1の手法と相違する。
この手法を用いた場合には、第1の手法を用いた場合と同様に、全体が輪郭ポリラインの内部に存在するピクセルには、第1の輝度値(例えば255)が設定され、全体が輪郭ポリラインの外部に存在するピクセルには、第2の輝度値(例えば0)が設定される。ところが、第2の手法を用いた場合には、第1の手法を用いた場合とは異なり、一部が輪郭ポリラインの内部又は外部に存在するピクセルには、第2の輝度値(例えば0)が設定される。
この第2の手法を用いた場合には(第1の手法を用いた場合にも同様に)、後述する第3の手法に比べて、実行すべき処理がより簡単となるので、処理速度を向上させることができる。
第3の手法は、4つの角のうちのいずれかの角が「IN」及び「OUT」の両方であるピクセル、すなわち、一部が輪郭ポリラインの内部又は外部に存在するピクセルに、このピクセルにおける輪郭ポリラインの内部に含まれる領域の大きさに基づいた輝度値が設定される点において、第1の手法及び第2の手法と相違する。
かかるピクセルに対しては、例えば次の処理が行われる。図15は、本発明の一実施形態に係るスライスデータ作成装置において一部が輪郭ポリラインの内部又は外部に含まれるピクセルに対する輝度値を決定する方法の一例を模式的に示す図である。
(1)そのピクセルを16×16=256個に細分化した細分化ピクセル群に分割する。
(2)この16×16のグリッドを1つの画像とみなし、スキャンコンバージョンにより内外判定を行う。すなわち、各細分化ピクセル(各グリッド)の4つの角(グリッド点)の各々が輪郭ポリラインPの内部(「IN」)及び外部(「OUT」)のいずれに存在するかを、スキャンコンバージョンにより判定する。
(3)「IN」と判定されたグリッド点を有する(図15のグレー領域内にある)細分化ピクセルの総数nを計算する。min(n,255)をそのピクセルの輝度値とする。
この手法を用いた場合には、第1の手法及び第2の手法を用いた場合と同様に、全体が輪郭ポリラインの内部に存在するピクセルには、第1の輝度値(例えば255)が設定され、全体が輪郭ポリラインの外部に存在するピクセルには、第2の輝度値(例えば0)が設定される。ところが、第3の手法を用いた場合には、第1の手法及び第2の手法を用いた場合とは異なり、一部が輪郭ポリラインの内部又は外部に存在するピクセルには、このピクセルにおける輪郭ポリラインの内部に含まれる領域の大きさに基づいた輝度値が設定される。例えば、図16(a)において、一部が輪郭ポリラインPの内部又は外部に存在する3つのピクセル301、302、303には、第1の輝度値及び第2の輝度値ではなく、それぞれ、「128」、「128」及び「224」という輝度値が設定されている。
この第3の手法を用いた場合には、図形の輪郭部分が滑らかに表現されたアンチエイリアシング画像が得られる。なお、上記第1の手法又は上記第2の手法を用いた場合には、図形の輪郭部分にジャギーが存在する画像が得られる。
なお、上述したアンチエイリアシング処理は、一部が輪郭ポリラインの内部又は外部に存在するピクセルのすべてに対して実行可能なものであるが、これに代えて、このようなピクセルのすべてに対してではなく任意の一部のピクセルに対してのみ実行されるものとしてもよい。
三次元造形装置のプロジェクタの光源から投影される光の強度は、必ずしも光硬化性材料における投影面(液面)全域にわたって一様である訳ではなく、一般的には投影面の中心から周辺に近づくほど暗くなる傾向がある。よって、投影面において一様な強度の光が投影されるようにするためには、投影面のうち明るい部分に対応するピクセルに対する輝度値を予め低く設定しておくことが好ましい。
そこで、本発明の様々な実施形態では、スライスデータ生成装置10は、上述したアンチエイリアシング処理が施されたビットマップ画像(上記第3の手法により輝度が設定された画像)に対して以下に示すようなシェーディング補正を行う。なお、ここで説明するシェーディング補正は、上記第1の手法及び上記第2の手法のいずれかにより輝度が設定された画像に対しても実行可能なものである。
なお、このようなこの光量測定値テーブルは、例えば、プロジェクタの出力端にパワーメータを設置した上で、プロジェクタが14×8個のブロック領域の画像を順次投影したときに、パワーメータが各ブロック領域の光量を測定することによって、得られたものとすることができる。
別の実施形態では、光量測定値テーブルに代えて、これと等価な光量設計値テーブルを用いることができる。この光量設計値テーブルは、プロジェクタの製造者により提供されたものであって、プロジェクタに入力される入力画像における各ブロック領域に対して割り当てられた光量設計値を記憶するものである。
よって、スライスデータ生成装置10は、各ブロック領域の光量補正値をそのブロック領域に割り当てられた光量測定値(光量設計値)から次の式を用いて算出する。
光量補正値(%)=100%−(光量測定値−光量測定値の最小値)―――(式A)
このような光量補正値を用いると、光量測定値(光量設計値)が最も小さい(最も暗い)ブロック領域に含まれるピクセルの光量(輝度値)は、最大の割合(100%)が掛け合わされることにより変化しない一方、光量測定値(光量設計値)が大きい(明るい)ブロック領域に含まれるピクセルの光量(輝度値)は、その光量測定値(光量設計値)に反比例した割合が掛け合わされることにより、その光量測定値(光量設計値)に応じて小さく(暗く)補正されることになる。
また、本実施形態では、ビットマップ画像における各ピクセルに設定された輝度値に対して、単に、対応する光量補正値を掛け合わせる例について説明した。しかし、別の実施形態では、光量補正値をそのまま用いるのではなく、運用する装置の都合等に合わせて(例えば、プロジェクタの光量と入力画像の輝度値との実測された関係に基づいて)、光量補正値に対して、更に、係数を掛け合わたり、関数を適用することができる。すなわち、光量補正値を用いた別式を導出し、ビットマップ画像における各ピクセルに設定された輝度値に対して、かかる別式により算出された値を掛け合わせることができる。
図18は、本発明の一実施形態に係る三次元造形装置100の構成の一例を示す模式図である。図18に示すように、三次元造形装置100は、主に、スライスデータ生成装置10からスライスデータを入力する入力部500と、入力したスライスデータを用いて輝度値の設定を行う設定部505と、デジタルミラー素子510と、光を照射する光源520と、光源520からの光を平行光にしてデジタルミラー素子510に照射するレンズ530と、デジタルミラー素子510により反射された光を収束させるレンズ540と、光硬化性材料554を収容する容器550と、を含む。
スライスデータ作成装置10により作成されるビットマップ画像を構成する各ピクセルと、三次元造形装置100(プロジェクタ)により取り扱われるデジタル画像を構成する各ピクセルとは、図16(d)と図16(e)との比較から明らかであるように、相互に形状が異なることにより、1対1で対応していない。すなわち、スライスデータを構成する各ピクセルは略正方形状であるのに対して、三次元造形装置100(プロジェクタ)により取り扱われるデジタル画像を構成する各ピクセルは略菱形状であるため、両者は1対1で対応しない。
そこで、設定部505は、スライスデータ作成装置10から入力したスライスデータ(ビットマップ画像)を用いて、三次元造形装置100(プロジェクタ)により取り扱われるデジタル画像を構成する各ピクセルに対して輝度値を設定する。具体的には、スライスデータ作成装置10から入力したスライスデータ(ビットマップ画像)を構成するピクセルを「第1ピクセル」とし、三次元造形装置100(プロジェクタ)により取り扱われるデジタル画像を構成するピクセルを「第2ピクセル」とすると、設定部505は、各第2ピクセルに対して、複数の第1ピクセルのうち対応する2つ以上の第1ピクセルに対して設定された輝度値を用いた補間処理により、輝度値を設定する。例えば、図16(d)及び図16(e)を参照すると、図16(e)において太枠が付された1つの略菱形状のピクセルに対する輝度値は、図16(d)において同じく太枠が付された4つの略正方形状ピクセルに対して設定された輝度値(255、237、224、237)を用いたバイリニア法による補間処理により、「238」に設定される。なお、図16には、設定部505が、各第2ピクセルに対して、複数の第1ピクセルのうち対応する「4つ」の第1ピクセルに対して設定された輝度値を用いた補間処理により、輝度値を設定する例が示されているが、設定部505は、各第2ピクセルに対して、複数の第1ピクセルのうち対応する「任意の数(複数)の」第1ピクセルに対して設定された輝度値を用いた補間処理により、輝度値を設定するようにしてもよい。
なお、補間処理としては、バイリニア法によるものだけでなく、ニアレストネイバー及びバイキュービック法等を含む任意の手法によるものを用いることができる。
Claims (6)
- 三次元造形物を切断した断面を表すスライスデータを生成するスライスデータ生成装置であって、ポリゴンメッシュを輪切りにした際の輪郭線を示す輪郭ポリラインが得られるように、ポリゴンメッシュの位相情報を変更する変更手段、該変更手段によって位相情報を変更されたポリゴンメッシュから輪郭ポリラインを取得し、前記取得した輪郭ポリライン内の領域である内部を正常に塗り潰すことができるように前記輪郭ポリラインを修正する修正手段、及び、該修正手段により修正された前記輪郭ポリラインとスライスデータを構成する複数の第1ピクセルの各々との位置関係に基づいて各第1ピクセルに対して輝度値を設定する設定手段、を含むスライスデータ生成装置により生成されたスライスデータを入力する入力手段と、
複数の第2ピクセルの各々に対応するように設けられ、光源により発せられた光を反射させて光硬化性材料に導く第1の位置と前記光源により発生された光を前記光硬化性材料に導かない第2の位置との間において回動自在に支持された複数の反射手段と、
各第2ピクセルに対して、前記複数の第1ピクセルのうち対応する2つ以上の第1ピクセルに対して設定された輝度値を用いた補間処理により、輝度値を設定する設定手段と、
前記複数の反射手段の各々の回動を、該反射手段に対応する第2ピクセルに対して設定された輝度値に基づいて制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする三次元造形装置。 - 前記複数の第1ピクセルの各々は略正方形状であり、前記複数の第2ピクセルの各々は略菱形状であり、
前記設定手段は、各第2ピクセルに対して、前記複数の第1ピクセルのうち該第2ピクセルと重なる任意の数の第1ピクセルに対して設定された輝度値を用いた補間処理により、輝度値を設定する、請求項1に記載の三次元造形装置。 - 前記設定手段は、全体が前記輪郭ポリラインの内部に存在する第1ピクセルに対して第1の輝度値を設定し、全体が前記輪郭ポリラインの外部に存在する第1ピクセルに対して前記第1の輝度値より小さい第2の輝度値を設定する、請求項1又は請求項2に記載の三次元造形装置。
- 前記設定手段は、一部が前記輪郭ポリラインの内部又は外部に存在する第1ピクセルに対して前記第1の輝度値又は前記第2の輝度値を設定する、請求項3に記載の三次元造形装置。
- 前記設定手段は、一部が前記輪郭ポリラインの内部又は外部に存在する第1ピクセルに対して、該第1ピクセルにおける前記輪郭ポリラインの内部に含まれる領域の大きさに基づいた輝度値を設定する、請求項3に記載の三次元造形装置。
- 前記設定手段は、前記スライスデータに基づいて三次元造形物を作製する三次元造形装置に用いられる光源の特性に基づいて設定された補正値を用いて、各第1ピクセルに対して設定された輝度値のうちの少なくとも一部の輝度値を補正する、請求項1から請求項5のいずれかに記載の三次元造形装置。
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