一種面向3d打印的半色調(diào)投影與模型生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向3D打印的半色調(diào)投影與模型生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印，即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀 金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。在該技術(shù)出現(xiàn)的早期 時候，常常用來在模具制造，工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域用于制造模型，現(xiàn)在正逐漸用于產(chǎn)品的直接制 造。
[0003] 連續(xù)調(diào)圖像通常指在一幅圖像上，其由淺到深或由淡到濃的色調(diào)變化是以單位面 積成像物質(zhì)顆粒密度來構(gòu)成的，其深淺、濃淡是連續(xù)變化的，如相片底片、畫稿；而半色調(diào)通 常是指經(jīng)過特殊加工后的印刷品上的由淺到深或由淡到濃的色調(diào)變化是由網(wǎng)點(diǎn)大小來表 現(xiàn)的，由于網(wǎng)點(diǎn)在空間上是有一定距離而呈離散型分布的，并且由于加網(wǎng)的級數(shù)總有一定 的限制，在圖像的層次變化上不能像連續(xù)調(diào)圖像一樣實(shí)現(xiàn)無極變化，故稱為半色調(diào)圖像。
[0004] 半色調(diào)已是現(xiàn)代印刷與數(shù)字顯示中的成熟技術(shù)，研究者在近幾年主要關(guān)注如何 保持圖像的特征，如Kim等人在2008年提出了一種半色調(diào)點(diǎn)分布算法（IQM，D.，SON，M.， LEE,Y. ,KANG,H. ,ANDLEE,S. 2008.Feature-guidedimagestippling.InProceedings oftheNineteenthEurographicsConferenceonRendering,EurographicsAssoci ation，Aire-la_Ville，Switzerland,Switzerland，EGSR，08, 1209 - 1216.),在算法中， 點(diǎn)根據(jù)圖像的特征線分布，從而使得點(diǎn)的分布與圖像的特征輪廓相吻合。Heng等人也 在2008年提出了 一種同時保持圖像結(jié)構(gòu)和色調(diào)的優(yōu)化算法（PANG，W. -M.，QU，Y.，W0NG， T.-T. ,C0HEN-0R,D. ,ANDHENG,P.-A. 2008.Structure-awarehalftoning.ACMTrans. Graph. 27, 3 (Aug. )，89:1 - 89:8.)。Li和Mould在2011年通過使用非線性的優(yōu)先級走樣調(diào) 整函數(shù)（LI，H.，ANDMOULD,D. 2011.Structure-preservingstipplingbypriority-based errordiffusion.InProceedingsofGraphicsInterface2011,Canadian Human-ComputerCommunicationsSociety,SchoolofComputerScience,Universityof Waterloo,Waterloo,Ontario,Canada,GI' 11, 127 - 134.)，由對比明顯的圖像得到了結(jié)構(gòu) 分明的點(diǎn)刻法圖像。
[0005] 然而，目前關(guān)于半色調(diào)的工作所面向印刷與顯示，使用的介質(zhì)是印刷墨水，我們提 出一種方法以投射光作為半色調(diào)技術(shù)的介質(zhì)，面向3D打印的在三維空間中帶有深度的半 色調(diào)曲面。這里只有Zhou和Chen在2009年提出了基于droplets，使用類似3D半色調(diào) 技術(shù)減少分層打印技術(shù)打印時間的方法（Three-dimensionaldigitalhalftoningfor layeredmanufacturingbasedondroplets)〇
[0006] 最近，通過微觀幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)整控制光線效果的技術(shù)十分熱門。MitraandPauly 在 2009 年提出一種模型制作方法（MITRA,N.J.，ANDPAULY,M. 2009.Shadowart.ACM Trans.Graph. 28, 5(Dec. )，156:1 - 156:7.)，使得模型在不同角度能投影出給定的不同的 影子。而諸多工作通過控制例如微觀表面結(jié)構(gòu)（WEYRICH，T.，PEERS,P.，MATUSIK，W.，AND RUSINKIEWICZ,S. 2009.Fabricatingmicrogeometryforcustomsurfacereflectance.ACMTrans.Graph. 28, 3 (July), 32:1 - 32:6.)微觀區(qū)塊（PAPAS,M. ,HOUIT,T. ,NOWROUZEZAH RAI,D. ,GROSS,M. ,ANDJAROSZ,ff. 2012.Themagiclens:Refractivesteganography.ACM Trans.Graph. 31, 6(Nov.), 186:1 - 186:10.)和表面法向（SCHWARTZBURG,Y. ,TESTUZ,R.，T AGLIASACCHI,A.,ANDPAULY,M. 2014.High-contrastcomputationalcausticdesign.ACM Trans.Graph..)，利用光線折射得到想要的投影。
[0007] 但是，這些研究工作提出的技術(shù)必須依賴于昂貴的設(shè)備和特殊的材料，而我們提 出的方法則適用于所有標(biāo)準(zhǔn)3D打印技術(shù)。由于3D打印中普遍采用的樹脂打印材料（如 ABS和PLA材料）的透光率低、光傳播介質(zhì)不均一導(dǎo)致材料的反光性和透光性差，基于表面 反射和折射的方法不能使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提出了一種面向3D打印的半色調(diào)投影與模型生成方法，本方法通過控制 每個孔洞的位置、大小和長度，得到宏觀完整圖像的投影方法，該方法將圖像分為特征層和 色調(diào)層，對每層分別使用基于半色調(diào)的方法生成孔洞，最后將兩層融合并打印生成模型，在 整個過程中滿足可打印約束并保證投影圖像的對比度和投影灰度的連續(xù)性。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0010] -種面向3D打印的半色調(diào)投影與模型生成方法，包括以下步驟：
[0011] (1)根據(jù)輸入?yún)?shù)，包括模型到光源的距離和模型到投影表面的距離，建立模擬投 影場景；
[0012] (2)對輸入圖像，生成保持原圖特征的特征層和色調(diào)層兩層圖像，計算相對應(yīng)的半 色調(diào)分布，即特征層的半色調(diào)分布和色調(diào)層的半色調(diào)分布；
[0013] (3)對于特征層的半色調(diào)分布和色調(diào)層的半色調(diào)分布中的每個點(diǎn)，滿足打印的約 束條件下，根據(jù)該點(diǎn)的灰度值調(diào)整其半徑；
[0014] (4)融合兩半色調(diào)分布，得到整體圖像的半色調(diào)分布；
[0015] (5)對于得到的整體圖像半色調(diào)分布上的每個點(diǎn)，迭代計算其對應(yīng)孔洞的長度；
[0016] (6)把計算得到的半色調(diào)分布和對應(yīng)孔洞長度反投影到模型表面，在模型上生成 對應(yīng)孔洞，并得到模型的三維網(wǎng)格表示。
[0017] 所述步驟（1)中，模擬投影場景的建立方法，具體包括以下步驟：
[0018] (1-1)建立全向發(fā)射光線的球形模擬光源；
[0019] (1-2)模型表面有大量朝向光源的孔洞，使用光線投射方法模擬光源發(fā)出光線通 過模型孔洞在投影表面形成光斑。
[0020] 所述步驟（2)中，特征層的半色調(diào)分布和色調(diào)層的半色調(diào)分布的計算方法為：
[0021] (2-1)將給定輸入圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，使用邊緣檢測算法，計算其橫向縱向灰度 變化的梯度，由此提取特征輪廓，得到特征層；
[0022] (2-2)對特征層使用半色調(diào)方法沿特征線采樣，形成一系列排列緊密的半色調(diào)采 樣點(diǎn)，并為所有采樣點(diǎn)的半徑設(shè)置統(tǒng)一的初始值；
[0023] (2-3)抽取特征后的剩余圖像為色調(diào)層，為了提高投影后圖像的清晰度，在色調(diào)層 的基礎(chǔ)上增強(qiáng)其對比度；
[0024] (2-4)使用基于加權(quán)質(zhì)心Voronoi圖的半色調(diào)算法，生成半色調(diào)分布，包括所有采 樣點(diǎn)的位置和半徑初始值。
[0025] 所述步驟（3)的具體方法為：根據(jù)計算機(jī)仿真的配置，計算所有點(diǎn)的最大半徑和 最小半徑作為打印性約束，并計算該點(diǎn)所在Voronoi多邊形單元平均灰度值，并將其映射 成為半徑。
[0026] 所述步驟（3)中，每一個點(diǎn)的最大半徑和最小半徑