[发明专利]一种面向切片数据的三维体积重构方法

说明书

本发明公开一种面向切片数据的三维体积重构方法，使用相场模型对模型切片数据进行表示，生成具有空间网格信息的数据结构；通过包括约束项的控制方程，根据具有空间网格信息的数据结构，模拟任意两个相邻切片在体积重构过程中的演变过程，计算t时刻切片与目标切片相差的面积以及t时刻切片的面积，进而得到第一时刻序列和第二时刻序列，对第一时刻序列和第二时刻序列进行加权，获得新的时刻序列，根据新的时刻序列选取切片数据，重构三维体积，根据三维体积重构结果，进行铺丝路径规划。该方法进行三维重构的体积表面光滑，形状准确，且可以保留更多细节。本发明可以以更低的计算成本、更快的速度重构三维体积。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，涉及一种面向切片数据的三维体积重构方法。

背景技术

物体三维重构是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助几何设计(CAGD)、计算机图形学(CG)、计算机动画、计算机视觉、和虚拟现实等领域的重要方法和核心技术。通过计算机生成物体三维表示主要有两类方法。一类是使用几何建模软件通过人机交互生成人为控制下的物体三维几何模型，另一类是通过一定的手段获取真实物体的几何形状。前者实现技术已经十分成熟，现有若干软件支持，比如：3DMAX、Maya、AutoCAD、UG等等，它们一般使用具有数学表达式的曲线曲面表示几何形状。后者一般称为三维重构过程，三维重构是指利用二维投影恢复物体三维信息(形状等)的数学过程和计算机技术，包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。从二维序列切片数据重构三维体积在当下已受到极大关注，应用于放射治疗计划、医学图像处理、手术计划和医学图像着色等，十分广泛。

除此之外，在基于自动铺丝的复合材料制造工艺中，需要在给定的芯模表面进行铺丝路径规划，因此也需要将物理空间中的芯模在数字空间中进行重构。为了实现这一目标，一方面在于如何根据任意两个相邻切片的数据，对其中间的过度数据内容进行填补，由于相邻切片间的点并没有对应和链接关系，所以三维物体的重构无法简单地使用线性插值算法，所以如何基于一定的约束或演变规则，对空缺数据进行填补成为一个关键问题。另一方面是，把重构看做是相邻两切片间的形变无法完全解决切片方向信息缺失的问题，即从连续形变过程中不同的取样规则将会造成不同的重构结果，且不同切片间的形变过程也并不相同，所以如何根据形变的过程确定取样规则，进而实现一个高效准确的重构，成为另一个关键性问题。

由于铺丝过程是自动铺丝设备在模具表面按照规划的铺丝路径进行丝束的输送和剪切。因此，硬件设备的效率、可靠性、张力控制精度与定位精度对丝束的铺放质量有着十分重要的影响。而铺丝路径的质量也决定着构件最终力学性能和制造质量，特别是对于大尺寸复杂构件而言，铺丝路径的优劣往往能对铺丝成型的效率、质量以及成型结构性能起到决定性作用。因此对模具表面铺丝路径规划的研究具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种面向切片数据的三维体积重构方法，该方法能够快速而准确地从一系列切片数据中使用包括约束项的控制方程进行加权的三维(3D)体积重构，在给定的芯模表面进行更好更优的铺丝路径规划。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种面向切片数据的三维体积重构方法，包括以下步骤：

1)使用相场模型对模型切片数据进行表示，生成具有空间网格信息的数据结构；

2)通过包括约束项的控制方程，根据具有空间网格信息的数据结构，模拟任意两个相邻切片在体积重构过程中的演变过程，并在t时刻进行抽样，利用源切片形状的相场函数和形状的相场函数，计算t时刻切片与目标切片相差的面积以及t时刻切片的面积；

3)根据t时刻切片与目标切片相差的面积得到第一序列；根据t时刻切片的面积得到第二序列；