表面彩色模型快速成形中着色数据的生成

论文题目: 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 王东兴

导师: 郭东明,贾振元

关键词: 快速成形,彩色,建模,切片,裁剪,数学形态学,数字半色调,数据压缩

文献来源: 大连理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 快速成形技术自20世纪80年代问世以来发展非常迅速,已经在很多行业获得了广泛的应用。由于彩色模型模型能提供更多的信息,利用彩色模型进行信息交流更加便捷和高效,利用快速成形技术直接成形出彩色模型一直是业界的愿望。近年来,彩色快速成形技术吸引了越来越多研究者的注意,一些有关成形工艺和设备的研究已经展开,有的厂家甚至已经开发出了商业化的彩色快速成形设备。 大部分彩色模型通常只用于可视化目的,因此,只需在表面或剖面区域着色,称这类模型为表面彩色模型。 要成形表面彩色模型必须首先对其进行数字建模并以适当的文件格式输出。本文介绍了表面彩色模型的建模方法和目前所用的文件格式,并提出了一种新的文件格式-ESTL格式。该格式采用了与STL格式类似的方法描述模型的几何外形,因此,保持了STL格式的简单和易于后续处理的优点,采用新的几何外形描述格式方案还减少了数据冗余;该格式的特点还在于它对模型表面上的复杂纹理的表达能力,对于表面上的简单纹理映射,用从矩形纹理图案到三角片的仿射映射方法进行描述,而对于复杂的纹理映射,则采用了直接保存每个三角片上的复杂纹理映射结果图案的简单方法。该格式既简单又能描述模型表面的复杂细节,适于作为一种描述表面彩色模型的中间格式。 要得到彩色快速成形所需要的数据,首先要对模型进行分层切片。本文提出了一种适用于对用Color STL或ESTL格式描述的表面彩色模型进行分层切片处理的方法。与单色模型的切片处理方法不同,这种方法实质上是一种体素化方法。其原理是:在计算每一层的切片处理结果时,先计算每一三角片与一层的交集多边形,对该多边形在XY平面上的投影进行扫描以快速确定边界体素;对与某个边界体素相交的所有三角片,求出每个三角片与该体素的交集多边形的面积,找出其中的最大者,若相应的三角片上只有简单的颜色定义,则取其颜色为该边界体素的颜色,而若该三角片上有纹理映射定义,则取其与该体素的交集多边形在纹理空间中的象区域上的平均颜色为该边界体素的颜色;最后还要进行内部填充。这种方法解决了对用CSTL或ESTL格式表示的表面彩色模型的分层切片处理问题,对开发用于对用PLY或VRML格式表示的表面彩色模型进行切片处理的方法也具有指导意义。 为了使成形出的表面彩色模型能够进行去除材料的后处理加工而不至于露出其内部未着色部分,表面彩色模型的着色层应该有一定的厚度,这就要求对描述表面彩色模型切片结果的彩色体数据进行着色层加厚处理。本文提出了一种加厚彩色体数据中的着色层的处理方法。该方法采用了数学形态学算法的原理,用一个球形结构元素对体数据进行探测,以快速找出处于加厚的着色层中的内部体素;对于每一个处于加厚的着色层中的内部体素,找出离其最近的边界体素,并取该内部体素的颜色等于该边界体素的颜色。

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 传统快速成形技术概述

1.1.1 快速成形技术的原理

1.1.2 快速成型技术的特点

1.1.3 快速成型技术的主要用途

1.1.4 国外RPM技术的研究与应用情况

1.1.5 国内RPM技术的研究与应用情况

1.1.6 RPM技术的发展趋势

1.2 彩色模型与表面彩色模型

1.3 彩色快速成形技术

1.3.1 彩色叠层实体制造技术

1.3.2 彩色立体光刻技术

1.3.3 彩色熔融沉积成形技术

1.3.4 彩色选择性烧结技术

1.3.5 彩色三维喷墨打印快速成形技术

1.3.6 彩色三维打印成形技术

1.4 表面彩色模型快速成形中着色数据的生成

1.5 课题的研究目的与意义

1.6 本文的主要工作

2 表面彩色模型的建模

2.1 描述表面彩色模型的几何外形的方法

2.2 彩色模型的表面颜色和纹理

2.3 描述表面彩色模型的表面细节的方法

2.4 可用于描述表面彩色模型的常用的文件格式

2.4.1 PLY格式

2.4.2 VRML格式

2.4.3 CSTL格式

2.5 进一步扩展STL格式，使其能描述表面上有纹理特征的表面彩色模型

2.5.1 ESTL格式中纹理图案的描述

2.5.1.1 矩形纹理图案的描述

2.5.1.2 光栅化三角片上的复杂纹理映射结果，获得三角形纹理图案

2.5.1.3 三角形纹理映射结果图案的描述

2.5.2 ESTL格式中对实体表面纹理特征的描述

2.5.2.1 从矩形纹理图案到三角片的简单纹理映射的描述

2.5.2.2 用三角形纹理图象描述三角片上的复杂纹理映射

2.5.2.3 多重纹理映射的描述

2.5.3 ESTL总体格式

2.5.4 纹理映射的交互指定方法

2.5.4.1 简单纹理映射的交互指定方法

2.5.4.2 复杂纹理映射的交互指定方法

2.5.5 用ESTL格式描述表面彩色模型的例子

2.6 表面彩色模型的建模方法

2.7 本章小结

3 表面彩色模型的切片

3.1 模型成形方向的选择

3.2 STL格式表示的单色模型的切片处理

3.3 表面彩色模型分层切片技术现状

3.4 表面彩色模型分层切片结果的编码表示

3.5 CSTL格式表示的表面彩色模型的切片处理

3.5.1 查找表面体素并确定其属性

3.5.1.1 三角片数据的预处理

3.5.1.2 建立层缓冲区并初始化

3.5.1.3 求三角片T与第i层的交集的轮廓多边形

3.5.1.4 搜索第i层内的边界体素

3.5.1.5 求三角片T与体素M的交集多边形P_(TIM)

3.5.1.6 求P_(TIM)的面积

3.5.2 内部填充

3.5.3 切片结果的压缩存储

3.5.4 切片实例

3.6 ESTL格式表示的表面彩色模型的切片处理

3.6.1 对于有纹理映射定义的三角片的切片处理方法

3.6.2 ESTL格式表示的表面彩色模型的切片处理实例

3.7 本章小结

4 加厚彩色体数据中的着色层

4.1 引言

4.2 加厚处理的基本原理

4.3 加厚处理方法的改进

4.4 进一步改进

4.5 处理尺寸较大的体数据

4.5.1 实际体数据的压缩存储

4.5.2 构造局部体数据

4.5.3 逐层进行加厚处理

4.5.4 处理层尺寸更大的彩色体数据或处理B_Z更大的情况

4.6 加厚处理实例

4.7 本章小结

5 彩色体数据的半色调(halftone)处理

5.1 二维半色调技术简介

5.1.1 常用的数字半色调算法简介

5.1.1.1 弥散点有序抖动(dispersed-dot ordergd dither)

5.1.1.2 误差扩散(error diffusion)

5.1.2 基于细分(subdivision)的半色调算法简介

5.1.2.1 算法基础

5.1.2.2 对算法和处理结果的分析

5.1.3 对基于细分的半色调算法的改进

5.1.3.1 检测出现较大误差的情况并修改计算结果

5.1.3.2 随机化误差传播方向

5.1.3.3 处理尺寸较大的图象

5.1.4 对算法和半色调处理结果的进一步分析

5.1.4.1 对随机数发生器的概率分布的测试

5.1.4.2 对采用不同半色调算法得到的半色调结果的统计分析

5.1.4.3 对带有内部边界的图象的处理情况

5.1.5 本节小结

5.2 彩色体数据的半色调处理

5.2.1 引言

5.2.2 用于处理灰度体数据的基于细分的半色调基本算法

5.2.2.1 灰度体数据的编码

5.2.2.2 用于处理灰度体数据的基于细分的半色调基本算法

5.2.2.3 对算法和处理结果的分析

5.2.3 对上述基于细分的半色调基本算法的改进

5.2.3.1 处理较大误差的情况

5.2.3.2 随机化误差传播方向

5.2.3.3 对尺寸较大的灰度体数据进行半色调处理

5.2.4 对彩色体数据进行半色调处理

5.2.5 半色调结果的压缩存储

5.2.6 计算实例

5.2.7 本节小结

5.3 本章小结

6 实例

6.1 表面彩色模型的数字建模

6.2 表面彩色模型的分层切片

6.3 切片结果体数据的压缩存储

6.4 体数据中着色层的加厚

6.5 彩色体数据的半色调处理

6.6 半色调后的体数据的压缩存储

6.7 成形验证

6.8 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文工作总结

7.2 进一步工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书

发布时间: 2005-09-07

参考文献

• [1].新型SLS快速成形控制系统及关键工艺研究[D]. 李建国.西南交通大学2004
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