一种分层方向自适应快速选取方法技术

本发明专利技术公开了一种分层方向自适应快速选取方法，将三维模型三角网格化得到三角形面片后求出面积加权法向量；然后对面积加权法向量进行主成分分析，构造协方差矩阵并进行奇异值分解，得出三个特征向量作为候选分层方向；其后，在候选分层方向下对模型进行分层，并计算分层后构建模型和原始模型的总体积误差，最小总体积误差所对应的候选分层方向即为最优分层方向。本发明专利技术通过提取特征向量获得三个垂直正交的候选分层方向，并基于最小体积误差选择最优分层方向，无需将模型表面所有法向量或空间法向量的采样作为候选分层方向，提高模型精度的同时减少了算法复杂度，能够大大降低获得最优分层方向的时间，适用于几何特征或拓扑结构复杂的模型。

【技术实现步骤摘要】
一种分层方向自适应快速选取方法
本专利技术涉及一种数据处理方法，具体涉及一种快速成型中的分层方向选取方法。
技术介绍
3D打印是快速成型技术(Rapidprototyping)的一种，最早由美国麻省理工大学(MIT)提出，采用分层制造(增加制造)的思想。快速成型是逆向工程、计算机辅助设计及制造、材料去除成型、材料增加成型、分层制造等技术的统称，现在3D打印已是快速成型技术的统称。分层制造是指沿分层方向将三维模型离散为一组二维图形，即一组薄层(也被称为切片或者分层)，逐层加工、层层叠加形成三维模型实体。该技术具有设备简单、材料便宜、成本低、体积小、工作过程无污染、成型速度快等优点。三维模型的数据格式多样，如CAD模型、点云数据模型、STL模型等，无法直接作为3D打印的输入数据，必须通过分层软件转化为3D打印可识别的数据形式。STL模型是为快速成型技术服务的文件格式，由美国3DSystem公司于1987年首次提出，已经被工业界公认为是CAD系统与快速成型系统之间数据交换的标准格式，因此也被3D打印技术所采用。STL模型由若干通过将三维模型三角网格化获得的三角形面片组成，每一个三角形面片包含三个顶点和一个指向模型外部的法向量，这些三角形面片无序排列。分层过程为先求得与分层平面相交的三角形面片，再将得到的交线段首尾相接构成当前层的二维图形，即切片，分层结果直接影响模型构建精度和模型构建时间。随着3D打印技术的普及，适用于复杂模型的分层算法逐渐成为研究热点，重点为分层厚度和分层方向的选取。模型构建精度是指成型的模型实体与理论模型之间的接近程度，一般用模型表面的阶梯效应来表示，分层厚度越小阶梯效应越不明显，模型误差越小。模型构建时间主要是指构建一个完整模型所需要的时间，一般来讲，分层数目越少构建时间越短。模型的构建精度和构建时间同时受分层厚度和分层方向的影响。通常考虑两种类型的误差对模型构建精度的影响。一种是在CAD模型到STL模型转化中，由光滑曲面三角化为离散三角形面片引起的，可以通过控制chordal误差减少。另一种是在分层过程中由模型表面产生的阶梯效应引起的，一般来讲在大曲率和倾斜的三角形表面上会产生更明显的阶梯效应，导致构建的模型实体表面与理论模型表面之间产生更大的误差。根据分层制造的原理可知打印过程中的阶梯效应不能被消除，但是可以通过调整分层厚度和分层方向减小。分层厚度越小，阶梯效应越不明显，构建的模型实体表面与理论模型的表面越接近，那么模型的构建精度越高。另一方面，相同的模型分层厚度越小，产生的分层数目就越多，那么模型构建时间就越长，所以同时提高构建精度和减少构建时间是一个难点。现有分层算法主要分为直接分层算法和自适应分层算法。直接分层算法从原始CAD模型生成每一层的轮廓信息，避免了模型三角化造成的误差。Rajagopalan于SusilaB，etal.Interfacinggeometricmodeldatawithrapidprototypingsystems.JournalofIntelligentManufacturing1999；10：323-9中提出了一种利用模型整体几何信息对NURBS模型直接分层的算法；Chakraborry于ChakrabortyD，ChoudhuryAR.Asemi-analyticapproachfordirectslicingoffreeformsurfacesforlayeredmanufacturing.RapidPrototypingJournal2007；13：256-64提出了一种基于曲面-平面求交的直接分层算法，该算法生成一种分层文件。自适应分层算法根据模型局部的几何特征或者期望的模型精度进行分层，通过减少分层厚度减少误差效应，减少分层数目提高模型构建效率。Dolenc和Makela于Dolenc，A.andMakela，I.(1994)，“Slicingproceduresforlayeredmanufacturingtechniques”，Computer-AidedDesign，Vol.26，pp.119-26提出了一种被广泛使用的cuspheight来表示阶梯效应造成的误差大小，cuspheight由三角形面片的法向量方向与分层方向的夹角和分层厚度决定。根据给定的cuspheight和三角形面片的法向量与分层方向的夹角来调整分层厚度，从而提高模型构建精度。Sabourin用Cuspheight作为模型构建误差的标准提出了一种统一分层厚度的算法，该算法先将模型分为较厚的薄层，然后对每个薄层进行局部分析，最终获得一个最优的分层厚度。统一分层厚度算法最终只使用一个分层厚度对模型进行分层，也就是每个薄层的厚度相同。这种算法虽然简单，但是一般来讲模型的局部几何特征不同，所以该类算法并不适用于几何特征复杂的模型。Yan通过自适应的cuspheight调整分层厚度获得了更高模型构建精度。已有大量工作通过调整分层厚度来提高模型构建精度，但是3D打印设备的每一层构建厚度有一定阈值，分层厚度多受硬件条件限制。分层方向对模型构建精度和构建时间都有重要影响，如图2所示，给出了不同分层方向下模型产生不同的阶梯效应。图2(a)中分层方向为，组成平面AEFD、平面DFC、平面AEB的三角形面片的法向量分别与分层方向垂直，组成平面FEBC的三角形面片的法向量分别与分层方向平行，由图可见在这些三角形面片上不会产生阶梯效应。然而组成平面ABCD的三角形面片的法向量与分层方向既不垂直也不平行，由图可见在该平面上产生锯齿状台阶，即阶梯效应。图2(b)中分层方向为，由图可见同样只在法向量与分层方向既不垂直又平行的平面ABCD上产生阶梯效应。图2(c)中分层方向为，组成模型的所有三角形面片的法向量都与分层方向垂直或者平行，由图可见模型所有表面上都不产生阶效应。同时由图可见，阶梯效应的大小直接影响模型精度，产生阶梯效应的模型表面上的阶梯效应越小，该表面越接近理论模型，反之阶梯效应越大，模型表面上误差越大，与理论模型越不吻合。在图2(a)和图2(b)中，分层厚度越小，阶梯效应造成的误差越小，但是会导致过多的分层数目，使得打印时间过度增加，同时由于机械原因，分层厚度只能在一定范围内取值。而图2(c)中，分层厚度可以取到最大的分层厚度值，减少分层数目，提高了模型精度的同时也可以减少打印制造的时间。可见，分层方向同时影响分层厚度的选取，若某个三角形面片与分层方向平行或者垂直，那么该三角形面片的分层厚度可以取得最大值而不会在该三角形面片上产生阶梯效应。因此在模型分层之前选取一个好的分层方向对模型的构建精度和构建时间影响很大。由以上三角形面片的法向量与分层方向的关系可以得出以下结论：若最终选取的分层方向，使得某个三角形面片在该分层方向上的投影最大(三角形面片的法向量与分层方向垂直)或者最小(三角形面片的法向量与分层方向平行)，那么该三角形面片在此分层方向上产生的误差最少。现有分层方向选取算法主要从提高模型精度、减少构建时间、减少支撑结构、节省材料等目标中选取单个或多个构造一个目标函数，以模型表面的法向量或空间法向量的采样作为候选方向，从中选取目标函数值最小的候选方向作为最优分层方向。C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分层方向自适应快速选取方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，将三维模型三角网格化，获得若干三角形面片，每一个三角形面片包含三个顶点和一个指向模型外部的法向量；步骤2，计算出每一个三角形面片对应的面积加权法向量Nm′→=(nij′)3×1:]]>Nm′→=Am*Nm→;]]>其中，表示第m个三角形面片的面积加权法向量，Am为第m个三角形面片的面积，为第m个三角形面片的原始单位法向量；步骤3，所有的面积加权法向量构成的新的样本空间记为n为样本总数，即三角形面片的个数；对面积加权法向量进行主成分分析，构造协方差矩阵并进行奇异值分解，得出包含新样本空间信息最多的三个特征向量作为候选方向；步骤4，分别在三个候选分层方向下对三维模型进行分层；步骤5，计算在三个候选分层方向下构建的模型在阶梯效应影响下和原始模型之间的总体积误差；步骤6，根据步骤5计算得出的三个总体积误差，其中最小值所对应的候选分层方向即为最优分层方向。

【技术特征摘要】
1.一种分层方向自适应快速选取方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，将三维模型三角网格化，获得若干三角形面片，每一个三角形面片包含三个顶点和一个指向模型外部的法向量；步骤2，计算出每一个三角形面片对应的面积加权法向量其中，表示第m个三角形面片的面积加权法向量，Am为第m个三角形面片的面积，为第m个三角形面片的原始单位法向量；步骤3，所有的面积加权法向量构成的新的样本空间记为n为样本总数，即三角形面片的个数；对面积加权法向量进行主成分分析，构造协方差矩阵并进行奇异值分解，得出包含新样本空间信息最多的三个特征向量作为候选方向；步骤4，分别在三个候选分层方向下对三维模型进行分层；步骤5，计算在三个候选分层方向下构建的模型在阶梯效应影响下和原始模型之间的总体积误差；所述总体积误差计算过程如下：5.1)计算在候选分层方向下，每个三角形面片对应的体积误差：其中，cm为第m个三角形面片对应的阶梯效应斜高(cuspheight)，有t为分层厚度，Δm为和的夹角；5.2)对构成模型的所有三角形面片的体积误差加总得出相应候选分层...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泉，刘红霞，罗楠，杨鹏飞，万波，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61