[发明专利]基于CPU和GPU协同的增材制造模型并行化切片的方法

说明书

本发明公开了一种基于CPU和GPU协同的增材制造模型并行化切片的方法，该方法首先对待切片处理模型根据拓扑重建和并行求交的多元回归方程对这两步骤的耗时进行预估，依据两者耗时的比值N，对应创建N+2个CPU线程，然后在基于共享内存的OpenMP多线程并行的框架下，调度创建的N+2个CPU线程，不仅可以实现对模型的分块并行拓扑重建，还可以实现对GPU并行求交和模型拓扑重建两步骤的整体并行。通过对比传统的串行切片算法和本发明的并行切片算法在处理同一个模型的时间损耗，可以发现随着模型体量的不断增加，并行切片算法所获得的加速比逐渐增高。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于CPU和GPU协同的增材制造模型并行化切片的方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing,AM)是一种新兴的，逐层堆积的制造技术，其核心是对三维模型的数据处理过程。模型的数据处理过程可概述为数据预处理、模型切片、轮廓填充、生成Gcode代码四个步骤，经过模型数据处理的过程后，便可以将零件的计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)模型转化为机器可以识别的Gcode代码，进而控制机器完成逐层打印模型的过程。随着科技的进步发展，现如今在增材制造领域中，所需制造的零件模型变的越来越精细，与之相对应的数据的体量也越来越庞大，若仍采用传统串行的算法处理模型，则对于GB级的光固化立体(STereoLithography,STL)文件所表示的CAD模型，至少需要数个小时以上才能将模型处理为打印机可以理解的Gcode代码，如此高额的时间损耗显然已经无法满足现代工业生产的需求。

增材制造对模型进行数据处理的四个步骤中，模型切片和轮廓填充两个过程是核心步骤，并且两者的耗时占整个模型处理耗时的主要部分。模型切片的过程是将模型沿着成形方向切分为多个二维平面轮廓的过程，此过程的时间损耗主要源自于两个步骤，即切平面和三角面片求交获得交点、交点连接成二维闭合轮廓，为了降低模型切片过程的时间损耗，现在被广泛应用的技术方案是在切片前对模型进行拓扑重建，以获得模型内各个三角面片之间的邻接关系，进而实现在求交获得交点后根据每个三角面片的邻接关系，可以直接连接成闭合的二维轮廓。文献“基于半边结构的STL文件快速拓扑算法[J].电子技术应用,2020,46(01):92-95”公开了一种基于半边数据结构和哈希表的快速拓扑重建算法，该算法在遍历模型内所有三角面片顶点数据的过程中，通过哈希表建立无冗余信息的点表，并在点表中动态维护一个以该点为起始点的半边集合，通过该集合与拓扑算法来逐步完善STL文件内部各三角面片间的邻接关系，进而减少交线段连接成闭合轮廓步骤的耗时。虽然上述的算法可以一定程度的优化传统切片算法的性能，但是对模型的逐层求交步骤的耗时没有缩减，而且对模型切片过程的算法仍旧是传统的基于CPU的串行逻辑。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于CPU和GPU的增材制造模型并行化切片的方法，以解决现有技术中以解决现有技术中基于CPU的串行算法，在对GB级大尺寸模型进行切片处理过程中存在效率过低、时间损耗过长的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于CPU和GPU的增材制造模型并行化切片的方法，包括以下步骤：

步骤1，创建点表、面表和层表，分别用于存储实体模型的顶点信息、三角面片信息和层信息；

步骤2，去除点表中的冗余顶点；

步骤3，确定三角片面和切平面的求交次数，根据求交次数确定GPU中存储空间；

步骤4，基于顶点信息、三角面片信息和层信息建立拓扑重建的多元回归方程以及并行求交耗时的多元回归方程，通过取拓扑重建的多元回归方程预估待切片处理模型的拓扑重建耗时一，通过并行求交耗时的多元回归方程预估待切片处理模型的并行求交耗时二；

步骤5，确定耗时一和耗时二的倍数N，建立N+2个CPU线程；