[发明专利]一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法

权利要求书

1.一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)根据输入参数，包括模型到光源的距离和模型到投影表面的距离，建立模拟投影场景；

(2)对输入图像，生成保持原图特征的特征层和色调层两层图像，计算相对应的半色调分布，即特征层的半色调分布和色调层的半色调分布；

(3)对于特征层的半色调分布和色调层的半色调分布中的每个点，满足打印的约束条件下，根据该点的灰度值调整其半径；

(4)融合两半色调分布，得到整体图像的半色调分布；

(5)对于得到的整体图像半色调分布上的每个点，迭代计算其对应孔洞的长度；

(6)把计算得到的整体图像的半色调分布和对应孔洞长度反投影到模型表面，在模型上生成对应孔洞，并得到模型的三维网格表示；

所述步骤(2)中，具体方法为：

(2-1)将给定输入图像转化为灰度图像，使用边缘检测算法，计算其横向纵向灰度变化的梯度，由此提取特征轮廓，得到特征层；

(2-2)对特征层使用半色调方法沿特征轮廓采样，形成一系列排列紧密的半色调采样点，并为所有采样点的半径设置统一的初始值；

(2-3)抽取特征后的剩余灰度图像为色调层，为了提高投影后图像的清晰度，在色调层的基础上增强对比度；

(2-4)使用基于加权质心Voronoi图的半色调算法，生成半色调分布，包括所有采样点的位置和半径初始值；

所述步骤(3)的具体方法为：根据计算机仿真的配置，计算所有点的最大半径和最小半径作为打印的约束条件，并计算各个点所在Voronoi多边形单元平均灰度值，并将其映射成为半径。

2.如权利要求1所述的一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法，其特征是：所述步骤(1)中，光源为球形模拟光源时，模拟投影场景的建立方法，具体包括以下步骤：

(1-1)建立全向发射光线的球形模拟光源；

(1-2)模型表面有大量朝向球形模拟光源的孔洞，使用光线投射方法模拟球形模拟光源发出光线通过模型孔洞在投影表面形成光斑。

3.如权利要求1所述的一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法，其特征是：所述步骤(3)中，所有点的最大半径和最小半径的计算方法包括：

(3-1-1)由模型表面孔洞最小半径投影得到在半色调分布中的最小半径，此为满足打印性约束的取值下限；

(3-1-3)计算每一点投影中心到其对应Voronoi多边形单元距离的最短距离，作为该点最大投影半径，此为满足打印性约束的取值上限。

4.如权利要求1所述的一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法，其特征是：所述步骤(4)的具体方法为：将色调层的半色调分布上的点直接叠加到特征层的半色调分布上，所有叠加的半色调分布上的点实为带半径的圆，对于叠加产生的重叠的点，如果该叠加产生的重叠的点属于特征层的半色调分布上，保留此叠加产生的重叠的点，如果该叠加产生的重叠的点属于色调层的半色调分布，则删除该叠加产生的重叠的点。

5.如权利要求1所述的一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法，其特征是：所述步骤(5)中，孔洞长度的计算方法，具体包括以下步骤：

(5-1)设置所有孔洞初始长度，根据高斯函数计算投影表面的投影图像；

(5-2)计算输入图像与投影图像的差异，记为差异图像；

(5-3)调整每个孔洞的长度，使差异图像的灰度值减小，如果满足阈值则停止，否则转向(5-1)。

6.如权利要求1所述的一种面向3D打印的半色调投影与模型生成方法，其特征是：所述步骤(6)中，模型为壳状输入模型时，其步骤包括：

(6-1)对整体图像的半色调分布中的每个点，根据壳状输入模型到光源距离和壳状输入模型到投影表面的距离，将该点的位置及其半径使用光线投射的方法投影到给定的壳状输入模型的外表面，在壳状输入模型外表面形成一个椭圆；

(6-2)对整体图像的半色调分布中的每个点，根据该点位置、半径及其对应孔洞长度使用光线投射的方法在壳状输入模型内侧某一平面上投影，形成另一个椭圆；

(6-3)把上述两个椭圆上的对应位置连结，形成三角形面片表示的圆筒状孔洞；

(6-4)遍历壳状输入模型内外表面上的所有面片，将与圆筒孔洞相交的面片删除，然后将由删除面而生成的边缘点与圆筒孔洞两端上的对应位置重新连结，把所有孔洞与壳状输入模型连接为一体，由于所有孔洞所有参数已经计算优化完毕且满足打印约束，所有生成的带孔洞的壳状输入模型是有效的模型。