TWI514316B - 3d模型的關節設置方法、設置設備及其應用程式 - Google Patents

Description

3D模型的關節設置方法、設置設備及其應用程式

本發明涉及3D模型，尤其涉及自動在3D模型中設置適當的可動關節的設置方法、設置設備及其應用程式。

近年來，3D列印技術蓬勃發展，並且隨著3D印表機(3D printer)的價格下降，更使得3D列印技術的普及化速度越來越快。

一般來說，使用者需將一3D模型檔案匯入3D印表機中，並且3D印表機可依據3D模型檔案中記載的3D模型，印製出等比例大小的一實體3D模型。目前所見的3D印表機列印出來的實體3D模型，多為固定而無法活動的模型。若要讓印製出來的實體3D模型可以活動，則使用者需在繪製上述3D模型檔案中的3D模型時，即在對應位置上直接繪製一可動關節。

然而，繪製3D模型的程序原已相當繁複，若要同時在3D模型上繪製關節，則使用者的繪製時間將會相當可觀。

再者，3D模型的繪製技術需要經過專業的訓練，並非每個使用者都具備。部分3D印表機的使用者不具備3D模型的繪製能力，僅能藉由網路或是由供應商取得上述的3D模型檔案，並直接匯入3D印表機以進行印製。

如上所述，此類使用者只能單純地印製所接收的3D模型檔案中的3D模型，而無法對3D模型進行再編輯。換句話說，無法增加一或多個關節至已經繪製完成的3D模型中，以使印製出來的實體3D模型可以活動。

本發明提供一種3D模型的關節設置方法、設置設備及其應用程式，用以自動找出3D模型上可以被設置關節的位置，並且自動取得合適的關節資料並置入對應位置中。

於本發明的一實施例中，上述的關節設置方法包括下列步驟：取得一3D模型檔案；對該3D模型檔案中的一3D模型進行一切層處理，以取得複數的斷切面；於該切層處理的過程中，判斷相鄰的兩個斷切面之間的截面積差異是否大於一門檻值；當該二斷切面之間的截面積差異大於該門檻值時，於一3D資料庫中取出對應的一關節資料；自動將該關節資料置入該二斷切面之間；在所有斷切面皆比對完成後，輸出關節置入完成的 該3D模型至一3D印表機，以列印對應的一實體3D模型，其中該實體3D模型具有一或多個可動關節。

本發明對照現有技術所能達到的技術功效在於，使用者不需要在繪製3D模型的原始檔案(例如CAD檔)時，即在3D模型的各個位置上繪製對應關節，如此一來，可加快上述原始檔案的繪製時間。

再者，部分使用者並非是自己繪製上述的原始檔案，而可能是通過網路或供應商取得可直接列印的3D模型檔案(例如STL檔)。通過本發明的設置方法與設置設備，可在對該3D模型檔案中的3D模型進行切層處理時，自動於適當的位置加入適用的關節資料，如此一來，使用者不必具備上述原始檔案的繪製技術，仍然可為已編輯完成的3D模型加入可動關節。

1‧‧‧3D模型

11‧‧‧第一斷切面

110‧‧‧第一圓

12‧‧‧第二斷切面

120‧‧‧第二圓

13‧‧‧第三斷切面

14‧‧‧第四斷切面

15‧‧‧第五斷切面

16‧‧‧第六斷切面

17‧‧‧第七斷切面

2‧‧‧關節

21‧‧‧第一端

22‧‧‧第二端

3‧‧‧設置設備

31‧‧‧檔案取得模組

32‧‧‧檔案轉換模組

33‧‧‧切層處理模組

34‧‧‧截面積比較模組

35‧‧‧關節處理模組

36‧‧‧調整模組

37‧‧‧列印模組

4‧‧‧3D資料庫

41‧‧‧關節資料

5‧‧‧3D印表機

R、r‧‧‧半徑

S10~S26‧‧‧關節設置步驟

S160~S168‧‧‧斷切面比較步驟

S200~S210‧‧‧關節比對步驟

S220~S222‧‧‧關節置入步驟

圖1為本發明的第一具體實施例的關節設置流程圖。

圖2A為本發明的第一具體實施例的3D模型示意圖。

圖2B為本發明的第一具體實施例的切層後示意圖。

圖2C為本發明的第一具體實施例的斷切面局部放大圖。

圖2D為本發明的第二具體實施例的斷切面局部放大圖。

圖2E為本發明的第二具體實施例的切層後示意圖。

圖2F為本發明的第三具體實施例的斷切面局部放大圖。

圖3A為本發明的第一具體實施例的關節設置前示意圖。

圖3B為本發明的第一具體實施例的關節設置後示意圖。

圖4為本發明的第一具體實施例的設置設備方塊圖。

圖5為本發明的第一具體實施例的斷切面比較流程圖。

圖6為本發明的第一具體實施例的斷切面比較示意圖。

圖7為本發明的第一具體實施例的關節比對流程圖。

圖8為本發明的第一具體實施例的關節置入流程圖。

茲就本發明之一較佳實施例，配合圖式，詳細說明如後。

本發明揭露了一種3D模型的關節設置方法，以及可實現該關節設置方法的設置設備。本實施例中，該設置設備可例如為一電腦、一嵌入式系統或一處理器(例如電腦或3D印表機中的處理器)等，不加以限定。該設置設備具有一應用程式，該應用程式記錄有該設置設備可執行的程式碼。該設置設備執行了該應用程式後，可藉由該應用程式來執行本發明所示的該關節設置方法，並達到對應的技術功效。

首請參閱圖1，為本發明的第一具體實施例的關節設置流程圖。如圖1所示，首先，該設置設備(如圖4所示的設置設備3)取得記載有一3D模型的一3D模型檔案(步驟S10)，本實施例中，該3D模型檔案為副檔名是“.STL”的檔案，但不加以限定。該3D模型檔案可為使用者自行編輯、由網路下載、經由載體(例如隨身碟、光碟或記憶卡)傳輸、由廠商提供或是直接內建於3D印表機中，不加以限定。值得一提的是，若該設置設備3先取得該3D模型的一原始檔案(例如副檔名為“.CAD”的檔案)，則該設置設備3需先執行一轉換程序，以將該原始檔案轉換為可供列印的該3D模型檔案。

接著，該設置設備3對該3D模型檔案中的3D模型(如圖2A所示的3D模型1)進行一切層(slice)處理(步驟S12)，藉以於該3D模型1上取得複數的斷切面(例如圖2B與圖2C所示的斷切面11-17)。上述該切層處理主要可例如為立體切層(Stereolithography(SLA)slice)處理，但不加以限定。該切層處理係為本技術領域的常用技術手段，於此不再贅述。

於該切層處理的執行過程中，該設置設備3依序對兩個相鄰的斷切面進行截面積大小的比較(步驟S14)，並且判斷兩個相鄰的斷切面之間的截面積差異是否大於一個門檻值(步驟S16)。於本實施例的定義中，該門檻值為是否可設置一關節的判斷標準，若兩個相鄰的斷切面之間的截面積差異大於該門檻值，該設置設備3即認定該二斷切面之間的位置，是適合被設置一個對應的關節的位置。

承該步驟S16，若兩個相鄰的斷切面之間的截面積差異小於該門檻值，則該設置設備3進一步判斷該複數斷切面是否皆比較完畢(步驟S18)。若尚未比較完畢，則返回該步驟S16，直到所有斷切面皆比較完畢為止。

若於該步驟S16中，判斷有兩個相鄰的斷切面之間的截面積差異大於該門檻值，則該設置設備3進一步判斷是否有適合設置在該二斷切面之間的一筆關節資料(步驟S20)。若沒有適合的該關節資料，則執行該步驟S18。反之，若有適合的該關節資料，則該設置設備3將對應的該關節資料置入該二斷切面之間的位置(步驟S22)。

當對應的該關節資料被置入完成後，即執行該步驟S18，以判斷是否所有的斷切面皆比較完成。當所有的斷切面皆比較完成時，該設置設備3可通過一顯示單元(圖末標示)顯示調整後的該3D模型1(即，加入了一或多筆關節資料的該3D模型1)。

由於本發明的技術方案是採用判斷兩個斷切面之間的截面積差異是否大於該門檻值的方式，判斷是否要在該位置上置入對應的該關節資料，因此，該設置設備3可能會在某些位置中置入使用者認為不必要的關節資料。因此，該設置設備3可進一步提供一選單以顯示一關節清單(步驟S24)，其中該關節清單包含該設置設備3自動置入的所有關節資料。並且，該選單可接受使用者的外部操作，以於該關節清單中去除不需要的一或多筆該關節資料(步驟S26)。該步驟S26後，該設置設備3將該3D模型1輸出至一3D印表機，以列印出一實體3D模型(步驟S28)。

續請同時參閱圖2A至圖2F，其中圖2A為本發明的第一具體實施例的3D模型示意圖、圖2B為第一具體實施例的切層後示意圖、圖2E為第二具體實施例的切層後示意圖、圖2C為第一具體實施例的斷切面局部放大圖、2D為第二具體實施例的斷切面局部放大圖、圖2F為第三具體實施例的斷切面局部放大圖。

首先如圖2A所示，當該設置設備3取得該3D模型檔案並開啟後，可得到該3D模型檔案中包含的該3D模型1。接著如圖2B所示，當該設置設備3對該3D模型1進行該切層處理後，可得到複數的斷切面。於圖2B的實施例中，該設置設備3主要是依據由左至右的方向對該3D模型1進行該切層處理，並得到該複數斷切面。

該設置設備3主要是依照切割順序依序比較兩個相鄰的斷切面的截面積。如圖2C與圖2D所示，假設一第一斷切面11與相鄰的一第二斷切面12之間的截面積差異大於該門檻值，並且一第三斷切面13與相鄰的一第四斷切面14之間的截面積差異大於該門檻值。該設置設備3在該切層處理執行完成後，會自動取得對應的一筆第一關節資料(圖未標示)，並置入該第一斷切面11與該第二斷切面12之間。並且，自動取得對應的一筆第二關節資料(圖未標示)，並置入該第三斷切面13與該第四斷切面14之間。

值得一提的是，若經判斷後發現有多筆關節資料適合置入該第一斷切面11與該第二斷切面12之間，則該設置設備3還可將該多筆關節資料同時列出，供使用者於其中選擇最適當的關節資料做為該第一關節資料後，再置入該第一斷切面11與該第二斷切面12之間。上述說明為本發明的另一個具體實施例，但不以此為限。

一般來說，執行該切層處理是為了要令3D印表機可實際製造該實體3D模型，因此只需進行單一方向的該切層處理(例如圖2B所示的由 左到右)。然而，若僅從單一方向進行該切層處理，可能無法全面地找到該3D模型上所有可設置關節的位置。因此在本發明中，該設置設備3可依據使用者的設定，從多個方向來進行多次的該切層處理，例如由左到右、由下到上、由前至後等，不加以限定。

於圖2E的實施例中，該設置設備3主要是依照由下至上的方向對該3D模型進行該切層處理，並得到複數的該斷切面。具體而言，如圖2F所示，係假設一第五斷切面15與相鄰的一第七斷切面17之間的截面積差異大於該門檻值，並且一第六斷切面16與相鄰的該第七斷切面17之間的截面積差異大於該門檻值。本實施例中，該設置設備3在該切層處理執行完成後，會自動取得對應的一筆第三關節資料(圖未標示)，並置入該第五斷切面15與該第七斷切面17之間。並且，還會自動取得對應的一筆第四關節資料(圖未標示)，並置入該第六斷切面16與該第七斷切面17之間。

參閱圖3A與圖3B，分別為本發明的第一具體實施例的關節設置前示意圖與關節設置後示意圖。於圖3A與圖3B中，主要是以上述的該第一斷切面11與該第二斷切面12來舉例說明，但不以此為限。本實施例中，當上述的該關節資料被實體化後，即可得到圖3A與圖3B中所示的關節2。

如圖3A所示，該關節2主要具有一第一端21與一第二端22，當該第一斷切面11與相鄰的該第二斷切面12之間的截面積差異大於該門檻值，並且該第一斷切面11與該第二斷切面12的截面積分別大於該關節2的該第一端21與該第二端22的截面積時，該設置設備3就會認定該關節2適合被設置在該第一斷切面11與該第二斷切面22之間，並且自動將該關節2置入該第一斷切面11與該第二斷切面22之間。更具體而言，係將該關節2所對應的該筆關節資料置入該第一斷切面11與該第二斷切面22之間的位置。

具體而言，於本實施例中，該第一斷切面11與相鄰的該第二斷切面12之間的截面積差異大於該門檻值，同時，該第一斷切面11的截面積大於該關節2的該第一端21的截面積，並且該第二斷切面12的截面積大於該關節2的該第二端22的截面積。因此，如圖3B所示，當該關節2被置入該第一斷切面11與該第二斷切面22之間時，主要是令該關節2的該第一端21連接該第一斷切面11，並且令該關節2的該第二端22連接該第二斷切面12。

續請參閱圖4，為本發明的第一具體實施例的設置設備方塊圖。如圖4所示，該設置設備3主要連接一3D資料庫4，以讀取該3D資料庫4並取得該3D資料庫4中儲存的一或多筆關節資料41，其中該些關節資料41分別記載不同類型、尺寸大小的關節。另，該設置設備3還連接一3D印表機5，將完成關節設置的該3D模型1輸出至該3D印表機5，以列印該實體3D模型。

該設置設備3主要包括一檔案取得模組31、一檔案轉換模組32、一切層處理模組33、一截面積比較模組34、一關節處理模組35、一調整模組36及一列印模組37。上述該些模組31-37可為以實體裝置建構而成的硬體模組，亦可為程式碼所實現的具有特定功能的軟體模組，不加以限定。

該檔案取得模組31用以取得並開啟該3D模型檔案，以得到該3D模型檔案中包含的該3D模型1。同時，該檔案取得模組31還可用以取得該3D模型1的該原始檔案，並且該檔案轉換模組32用以將該原始檔案轉換為可被列印的該3D模型檔案。本實施例中，該原始檔案是副檔名為“.CAD”的檔案，該3D模型檔案是副檔名為“.STL”的檔案，但不加以限定。

該切層處理模組33用以依據使用者的設定，對該3D模型1進行一或多次的該切層處理。其中，若該切層處理模組33對該3D模型1進行多次的該切層處理，則各該切層處理分別由不同方向進行切層。

該截面積比較模組34用於判斷該3D模型1上是否具有適合設置關節的位置。具體而言，該截面積比較模組34在該切層處理的執行過程中，依序對相鄰的兩個斷切面進行截面積大小的比較，並判斷相鄰的兩個斷切面的截面積差異是否大於該門檻值。其中，若相鄰的兩個斷切面的截面積差異大於該門檻值，則該截面積比較模組34認定該二斷切面之間的位置，是適合設置一個對應的關節的位置。

該關節處理模組35用於讀取該3D資料庫4，判斷是否有適合設置在上述位置的一或多筆該關節資料41，並且取出適合的該關節資料41並置入上述的位置中。

該調整模組36用於調整被置入了一或多筆該關節資料41的該3D模型1，並且通過上述該選單接受使用者的外部操作，以依據該外部操作去除不需要的一或多筆該關節資料41。該列印模組37連接外部的該3D印表機5，用以輸出調整後的該3D模型1至該3D印表機5，藉以令該3D印表機5可依據該3D模型1進行列印，以製造出該實體3D模型。

參閱圖5，為本發明的第一具體實施例的斷切面比較流程圖。具體而言，圖5中所示之各步驟，係對圖1所示的步驟S16做進一步之詳細界定。並且，請同時參閱圖6，為本發明的第一具體實施例的斷切面比較示意圖。

當該設置設備3要對相鄰的兩個斷切面(下面以該第一斷切面11與該第二斷切面12為例)進行比對時，主要是先取出能包覆該第一斷切面11的一個最小的第一圓110(步驟S160)，並且取出能包覆該第二斷切面12的一個最小的第二圓120(步驟S162)。接著，對該第一圓110的半徑r 與該第二圓120的半徑R進行比較，判斷該第一圓110與該第二圓120的半徑差異是否大於或等於一比例值(步驟S164)。本實施例中，該比例值的較佳值為二分之一，但不加以限定

更具體而言，該步驟S164主要是判斷該第一圓110與該第二圓120的面積比值是否大於或等於另一比例值(若該比例值為二分之一，則該另一比例值為75%)。然而，上述僅為本發明的一個具體實施例，不應以此為限。

該步驟S164後，若該第一圓110與該第二圓120的半徑差異大於或等於該比例值，則該設置設備3認定該第一斷切面11與該第二斷切面12的截面積差異大於該門檻值(步驟S166)。反之，若該第一圓110與該第二圓120的半徑差異小於該比例值，則該設置設備3認定該第一斷切面11與該第二斷切面12的截面積差異小於該門檻值(步驟S168)。

如上所述，在進行截面積的比較時，該設置設備3會分別取出可完整包覆各斷切面的圓。值得一提的是，於本發明的一較佳實施例中，當該設置設備3將該關節資料置入二斷切面之間時，主要會預設將該關節資料設置在兩個圓之中相對較小的圓的中心位置，但不加以限定。

續請參閱圖7，為本發明的第一具體實施例的關節比對流程圖。具體而言，圖7中所示之各步驟，係對圖1所示的步驟S20做進一步之詳細界定。

如圖7所示，當該設置設備3判斷兩斷切面之間可設置關節時，係先讀取該3D資料庫4(步驟S200)，並且於該3D資料庫4中取得一或多筆該關節資料41(步驟S202)。於一實施例中，該設置設備3係可讀取該3D資料庫4中的所有關節資料41，並且將該些關節資料41一一與該二斷切面進行比對。然而於另一實施例中，該設置設備3可接受使用者預先之設定，以選擇特定的關節類型(例如手部關節、腳部關節、通用關節等)，並且選擇對應的關節大小。於本實施例中，該設置設備3係僅讀取符合使用者的設定的一或多筆該關節資料41，藉此，該設置設備3的讀取時間與比對時間將可有效提昇。

該步驟S202後，該設置設備3經由比對，判斷該二斷切面的截面積是否分別大於該筆關節資料41對應的關節的兩端(例如圖3A的該關節2的該第一端21與該第二端22)的截面積(步驟S204)。若是，表示該關節適合被設置於該二斷切面之間，故該設置設備3保留對應的該筆關節資料41(步驟S206)。若否，表示該關節不適合被設置於該二斷切面之間，故該設置設備3捨棄對應的該筆關節資料41(步驟S208)。

該步驟S206或該步驟S208後，該設置設備3判斷該些關節資料41是否比對完畢(步驟S210)。若否，則返回步驟S202，以取得下一筆符合使用者的設定的該關節資料41，並進行比對。若是，則結束關節比對 的程序。當該步驟S200至該步驟S210執行完畢後，該設置設備3即可得知該3D資料庫4中，是否存在適合設置於該二斷切面之間的該關節資料41。

最後請參閱圖8，為本發明的第一具體實施例的關節置入流程圖。具體而言，圖8中所示之各步驟，係對圖1所示的步驟S22做進一步之詳細界定。

如前文中所述，當該設置設備3完成該關節比對程序後，可能會找到多筆適合被設置在該二斷切面之間的該關節資料41。於本實施例中，該設置設備3主要係可提供另一選單(圖未標示)，該選單上可列出一關節資料清單(步驟S220)。其中該關節資料清單中包了一或多筆適合被設置在該二斷切面之間的該關節資料41，並且各該關節資料41分別記載了不同種類與不同尺寸大小的關節。

通過上述該選單，該設置設備3可接受使用者的外部操作，以選擇其中一筆該關節資料41，並且將使用者選擇的該筆關節資料41置入該二斷切面之間(步驟S222)。

本發明的該設置設備3與設置方法可在經過分析後，自動將適當的關節置入3D模型中的適當位置，使用者不需要在3D模型的繪製過程中手動置入，因此可有效縮短3D模型的繪製時間。同時，對於不具備3D模型的繪製能力的使用者而言，亦可藉由本發明的技術方案，對所取得的3D模型進行關節置入的動作，解決了使用者長久以來的困擾。

以上所述僅為本發明之較佳具體實例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之範圍內，合予陳明。

S10~S26‧‧‧關節設置步驟

Claims (13)

1. 一種3D模型的關節設置方法，包括：a)對一3D模型檔案中的一3D模型進行一切層處理，以取得複數斷切面；b)依序判斷該複數斷切面中相鄰的兩個斷切面的截面積差異是否大於一門檻值；c)於相鄰的兩個斷切面的截面積差異大於該門檻值時，取得一關節資料並置入該二斷切面之間的位置。
2. 如請求項1所述的關節設置方法，其中該步驟a係依照由左至右的方向對該3D模型進行該切層處理。
3. 如請求項1所述的關節設置方法，其中該步驟a係依照由下至上的方向對該3D模型進行該切層處理。
4. 如請求項1所述的關節設置方法，其中更包括下列步驟：d)顯示一關節清單，其中該關節清單包含被置入該3D模型中的所有該關節資料；及e)接受一外部操作，以於該關節清單中去除不需要的該關節資料。
5. 如請求項1所述的關節設置方法，其中該步驟c包括下列步驟：c1)當相鄰的兩個斷切面的截面積差異大於該門檻值時，判斷是否具有適合設置在該二斷切面之間的該關節資料；及c2)取得對應的該關節資料並置入該二斷切面之間的位置。
6. 如請求項5所述的關節設置方法，其中該步驟c1包括下列步驟：c11)讀取一3D資料庫以取得至少一筆該關節資料；c12)判斷該二斷切面的截面積是否分別大於該關節資料對應的一關節的兩端的截面積；及c13)於該二斷切面的截面積分別大於該關節的兩端的截面積時，認定該關節資料適合設置在該二斷切面之間的位置。
7. 如請求項5所述的關節設置方法，其中該步驟c2包括下列步驟：c21)讀取一3D資料庫以取出適合被置入該二斷切面之間的多筆該關節資料，其中該多筆關節資料分別記載不同種類與不同尺寸大小的關節；c22)接受一外部操作以選擇其中一筆該關節資料，並將所選擇的該筆關節資料置入該二斷切面之間的位置。
8. 如請求項1所述的關節設置方法，其中該步驟b包括下列步驟：b1)取出能包覆一第一斷切面的一第一圓；b2)取出能包覆一第二斷切面的一第二圓，其中該第一斷切面相鄰於該第二斷切面；b3)於該第一圓與該第二圓的半徑差異大於或等於一比例值時，認定該第一斷 切面與該第二斷切面的截面積差異大於該門檻值。
9. 如請求項8所述的關節設置方法，其中該比例值為二分之一。
10. 一種設置設備，包括：一檔案取得模組，開啟一3D模型檔案，以得到該3D模型檔案中的一3D模型；一切層處理模組，對該3D模型進行一切層處理，以得到複數斷切面；一截面積比較模組，依序判斷該複數斷切面中相鄰的兩個斷切面的截面積差異是否大於一門檻值，並於相鄰的兩個斷切面的截面積差異大於該門檻值時，認定該二斷切面之間的位置適合設置一關節資料；一關節處理模組，取得適合設置在該二斷切面之間的該關節資料，並置入該二斷切面之間的位置；一調整模組，調整被置入一或多筆該關節資料的該3D模型，並依據一外部操作去除一或多筆該關節資料中不需要的該關節資料。
11. 如請求項10所述的設置設備，其中該設置設備連接一3D資料庫，該3D資料庫儲存多筆該關節資料，其中該多筆關節資料分別記載不同種類與不同尺寸大小的關節。
12. 如請求項10所述的設置設備，其中更包括一列印模組，連接一3D印表機，該列印模組輸出調整後的該3D模型至該3D印表機，以製造對應的一實體3D模型。
13. 一種應用程式，記錄一設置設備可執行的程式碼，當該設置設備執行該應用程式後，可執行請求項1所限定的各步驟。