CN105121134B - 用在三维列印的形成切片及/或纹理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种对一个三维模型形成切片以便通过一个三维列印机列印一对应物体的方法，包含：获得所述物体的外壳来当作多个多边形，之后对于在切片平面内的一预定工作区域的每一区域：辨认位在各自像素上的所述外壳的最接近多边形；其中没有多边形被辨认时，则标记一对应区域作为一未列印区域；如果所述最接近的上方的多边形的方向向量具有在Z方向上的一正向分量，则标记所述对应区域作为一模型区域；及如果所述最接近的上方的多边形的方向向量具有在所述Z方向上的一负向分量，则标记所述区域作为一支撑区域，且从而进行列印。上述过程的一优点是所述形成切片，以及纹理绘制，可以有效率的在一图形卡或图形处理单元上实行。

Description

用在三维列印的形成切片及/或纹理的方法
相关申请案
本申请依35USC美国专利法第119(e)条要求于2013年3月14日申请的美国临时申请案第61/782,142号的优先权，并且在此引入全文作为参考。
技术领域
在本发明一些实施例中，是有关于一种实现对三维(three dimensional)列印的切片方式，更具体但不排除的，是特别的适合实施在一图形卡或图形处理单元(graphicalprocessing unit；GPU)的一种方式。
背景技术
三维喷墨列印，在它最广泛的意义中是添加剂制造(additive manufacture)的一种形式，其中根据一计画或模型，能通过一喷嘴挤出的任何材料被应用以多层方式来形成一个三维物体。
所述模型能以多种方式中的任一种来获得，例如通过实现一个欲复制的原始产品的三维测量。另外，来自一计算机辅助设计(computer aided design；CAD)程序包的一个三维设计也可以被使用。作为另一种选择，可以通过一用户使用一适合的图形程序包来快速产生一个三维设计。
一个三维模型通常不能以它最终型式来制造，因为当注射时每一层是熔融的，且在制造它的期间通常需要有至少部分的被支撑。因此通常会提供随后可被去除的多个支撑结构，对于所述物体的任何列印计画应该包含此些支撑结构的列印，且可以结合在跟随列印后制造可容易移除的所述多个支撑结构的一种方式。
再者，所述三维模型可能需要多个颜色及多个纹理，多个纹理具有不同种类的多个表面特征，其可能简单的是多个平面图案，或可在一定程度上延伸到所述模型的所述深处。同样的，所述支撑结构可具有应用在它上面的纹理，特别是在所述表面处，例如为了使它可容易被移除的。
所述三维模型对于不同位置还可包含不同的材料。因此，在环绕一外部表面处可能需要防水或一软质内部可能需要一硬壳等。
为了操作所述列印头，所述三维模型必需转换成多个指示。典型的，所述模型被切成多个切片且每一切片的每一像素随后通过一纹理档案进行修正。同样的，每一单独的像素是相对所述模型的一外壳进行测试来判断是否所述像素是在所述外壳的里面及是所述模型的一部分、是在所述外壳之下，及因此所述支撑的部分或所述外壳之外从而不会被列印。之后，为了从一分开的纹理档案的纹理来修正所述像素。多个指令之后可能会被产生来操作所述列印头以列印所述切片。
因此，既然每一像素被单独的记忆，所述多个切片生成逐个像素需要大量的记忆体。所述计算值典型的实行在所述计算机的中央处理单元(Central Processing Unit；CPU)部分上，或可以使用在所述图形处理单元上的定制计算(customized calculations)，或其他图形硬件，所述定制的计算是复杂且漫长的。
图形处理通常在以一图形处理单元型式且在多数计算机上是可获得的，通常以一分开的图形卡方式来提供。多个图形卡都设计有对于图形处理绕过各个像素的计算方法进行了优化的多个管道。然而，所述图形卡不是直接用来产生来自所述三维模型的所述多个三维列印指令，因为所述图形卡是设计来提供一个三维影像的一个二维投影。在一图形卡上的三维处理是通常内建于多个视频游戏里面，以迅速的产生所述二维投影。在三维中，需要成像所述真实三维形状，而不是一个投影。因此，如果所述图形卡是用在三维列印中，它只能是通过定制化的解决方案。
发明内容
本实施例是有关于实现把所述三维模型转换成基于辨认及操纵量而不是计算及定义每个像素的多个列印指令的过程。这样的过程是特别适合实现在一图形卡中，其中所述投影功能能被用来产生所述多个切片且修剪(clipping)可以用来判断是否所述量的一特定部分是所述支撑、所述模型自身的一部分或不欲被列印。
根据本发明的一些实施例的一态样，提供一种对一个三维模型形成切片以便通过一个三维列印机列印一对应物体的方法，所述形成切片是在具有一Z轴的一空间内进行，所述Z轴垂直于一列印平面，其特征在于：所述方法包含步骤：
获得一物体的一外壳的一代表值当作多个平面多边形的一集合，每一多边形通过形状、多个位置座标及垂直所述各自的多边形的一方向向量来定义，所述方向向量指向所述物体之外侧，从而区分所述多边形的一朝内表面及所述多边形的一朝外表面；
定义以沿着所述Z轴的一Z0座标为特征的一切片平面；及
把所述切片平面区分为：在所述物体内的多个区域、属于一支撑结构的多个区域，及在所述物件之外且不被列印的多个区域。
在一实施例中，所述辨认在所述切片内的多个区域的步骤包含：
找出位在欲辨认的一各自区域之上的所述外壳的一最接近多边形；
其中没有多边形被辨认时，则标记一对应区域作为一未列印区域；
如果一最接近的上方的多边形的一方向向量具有在所述Z方向上的一正向分量，则标记所述对应区域作为一模型区域；及
如果所述最接近上方的多边形的一方向向量具有在所述Z方向上的一负向分量，则标记所述区域作为一支撑区域。
在一实施例中，所述获得一代表值的步骤更包含：进行定向。
一实施例还包含获得多个纹理地图及绘制多个纹理区域到所述多个切片上。
在一实施例中，所述多个纹理地图包含：定义颜色分布的多个地图、定义不同材料的分布的多个地图，及定义三维表面纹理的多个地图。
在一实施例中，每一区域是一多重体像素区域，所述方法更包含：在列印之前，定义在所述多个被定义的切割区域的每一区域中的多个体像素。
一实施例可包含以积层方式列印所述物体，每一层对应所述多个平面切片的一各自切片，所述每一层是通过：
沉积支撑材料到被标记作为在所述各自切片内的一支撑区域的每一区域的多个体像素中；及
沉积模型材料到被标记作为在所述各自切片内的一模型像素的每一区域的多个体像素中；
来进行列印的。
在一实施例中，跟随在所述对应的虚拟切割后立即再列印一层。
所述方法可以在一图形卡或一图形处理单元上实行。
在又一态样中，本发明可以延展到欲列印的一物体的切片式三维模型，如在此说明来形成切片。
根据本发明的再一态样，提供一种将纹理添加到一切片式三维模型以通过一个三维列印机来列印一对应物体的方法，所述方法包含：
获得一物体的一外壳的一代表值当作多个平面多边形的一集合；
横越所述外壳形成所述模型的切片；
获得所述模型的一纹理地图；及
绘制所述纹理地图到所述多个切片上，以产生所定义的纹理的多个区域。
本发明的另一态样是有关于一种欲列印的一物体的切片及纹理绘制式三维模型，利用如此处描述的方法进行形成切片及纹理绘制。
本发明的再一态样是有关于一种列印而成的三维物体，由此处描述的方法产生的一切片式三维模型进行列印而成。
本发明的再一态样是有关于一种将一图形列印单元应用于一如此处描述的任一方法对欲列印的一物体的一个三维模型进行形成切片的用途
除非另外定义，在此处使用的所有技术的及/或科学的用语具有如同在所属发明领域中的普通技术人员通常了解的相同意义。尽管类似或等同于本文描述的方法与材料可以在本发明的实施例的实践或测试中使用，示例性方法和/或材料描述如下。如果遇到冲突，以包含定义的所述专利说明书为主。另外，所述材料、方法及例子都仅是示例性的且不欲作为必要性的限制。
本发明的多个实施例的所述方法及/或***可以包含实现或完成手动的、自动的或其组合的所选任务。再者，根据本发明的所述方法及/或***的多个实施例的实际仪器及设备，好几个所选任务可以通过硬件、通过软件或通过轫体或通过其组合使用一操作***来实现。
例如，用来根据本发明的多个实施例实现所述多个所选任务的硬件能以一芯片或一电路来实现。至于软件，根据本发明的多个实施例的多个所选任务能通过使用任何适当的操作***的一计算机执行多个软件指令来实现。在本发明的一示范实施例中，根据此处所描述的方法及/或***的多个示范实施例，一或多个任务通过一资料处理器来实行，例如用来执行多个指令的一计算平台。可选的，所述资料处理器包含一挥发性记忆体用来储存多个指令/及/或资料，及/或一非挥发性储存器，例如，用来储存多个指令及/或资料的一磁性硬盘及/或可移动媒介。可选的，也提供一网路连接。一萤幕及/或一用户输入装置，例如也可选的提供一键盘或滑鼠。
附图说明
通过仅是示例的方式参照伴随的附图，本发明的一些实施例在此处描述。现具体参照详细的所述附图，要强调的是，显示的所述细节是通过举例方式及本发明多个实施例的说明性的讨论的目的。在这点上，结合所述附图的所述描述使本领域技术人员如何能实施本发明的多个实施例成为明显。
在所述附图中：
图1是根据本发明的一第一实施例说明用在欲列印的一物体的一个三维模型的切片的一过程的一简化流程图；
图2是应用图1的所述过程的一个三维模型的一示意图；及
图3绘示为了进行地图纹理到三维模型上的图1的所述过程的一修正的一简化流程图。
具体实施方式
在本发明一些实施例中，是有关于一种实现对三维列印的切片方式，更具体但不排除的，是特别的适合用在一图形卡上实现的一种方式。
如将在下面更详细的解释，一种对一个三维模型形成切片以便通过一个三维列印机列印一对应物体的方法，包含：获得所述物体的所述外壳当作多个多边形，之后对在所述切片平面内一预定义工作区域的每一区域：辨认位在所述各自区域之上的所述外壳的所述最接近多边形；其中没有多边形被辨认时，则标记一对应区域作为一未列印区域；如果所述最接近的上方的多边形的所述方向向量具有在所述Z方向上的一正向分量，则标记所述对应区域作为一模型区域；及如果所述多边形的所述方向向量具有在所述Z方向上的一负向分量，则标记所述区域作为一支撑区域，且从而进行列印。上述过程的一优点是可以有效率的在一图形卡或图形处理单元上实现形成所述切片。
在详细说明本发明的至少一实施例之前，应当了解的是本发明不必限制在其应用到构造的细节和多个部件的布置、及/或阐述在以下说明的多个方法、及/或在附图中的说明、及/或所述多个例子。本发明能够有其他实施例或在各种方式中被实行或实现。
现参照所述附图，图1是根据本发明的一实施例说明用于在物体列印之前实现模型切片的一过程的一简化流程图。
本发明的一实施例能使用所述图形卡视锥(Graphics card viewing frustum)，其是一种视野功能的虚拟场，用来产生欲列印的所述物体的所述三维主体及用来把所述物体分成多个正交部分(多个切片)。所述主体是通过在定义所述主体表面的三维空间中的一组多边形来描述。
本实施例可以利用具有正向垂直Z分量的多个表面的事实(fact)-即多个面朝上的主体-在从所述底部的正交投影不被看到，且可以只从所述主体的所述内部被看到。同样的面朝下表面是从所述底部看到，且具有负向垂直Z分量。这些面可以通过一开始提供具有指向所述模型的所述内部主体处的一方位向量的所述表面来辨认。所述方位向量可以是对于所述多边形的一垂直，且可以是在Z方向上的一分量。
为了辨认这些表面，具有所述垂直的正向Z分量的所有多边形面是通过指向所述模型材料的一颜色来辨认，且具有对于所述垂直的负向Z分量的所有多边形面是以指向一支撑区域的一颜色来进行标记。
然后切片可以是正交投影从底部看的所述结果，且现在可以包含通过所述各自指定颜色标记的所述模型及多个支撑区域。
如下面更详细解释的，三维纹理现在可以被指派到或环绕在所述模型中的所述多个切片内的所述多个表面，且所述多个纹理提供多个所需要的表面三维纹理、所述多个物体表面颜色、如果有的话，还有所述不同物体材料、及用在所述多个支撑区域的多个结构。
指派到所述切片及各个像素的多个区域处的所述多个特征在此处不进行计算。
结果是，需要计算好几千个切片及常规需要花好几个小时的一个典型形成切片过程，可以使用所述图形加速器硬件(graphics accelerator HW)来运行的更快，以计算使用正交投影及裁剪的多个切片。
更详细的，所述形成切片的方法包含利用所述图形卡视锥来产生所述三维主体的多个正交部分、切片。由于产生连续切片，根据所需要的切片分辨率，所述切片器眼点(slicer eye point)逐渐在正向z方向上移动。所述视锥从而进行修正。
每个切片可因此包含模型及多个支撑区域的其中之一或二者，所述多个区域通过指派到所述模型表面或靠近表面的所述不同颜色或图案来标记。所述多个颜色或图案包含所述多个纹理，用在所述材料、例如多个数位材料(digital materials；DM)或多个支撑结构的异质结合的材料。
请再参照图1，如在框100中显示，所述第一阶段是进行读入，或更正确的，多重读入(MLoad)，对于所述图形卡的所述一或多个三维模型关闭萤幕绘制。所述模型描述使用描述欲列印的所述物体的所述多个表面的一组多边形的所述物体。所述模型根据需要的多个位置及多个方位来定位。
所有多边形是一个三维表面的一部分，且一个三维表面具有一内部及一外部。在框102中，计算每个多边形的所述垂直。在框104中，为了标记所述物体的所述多个内部及多个外部，所述多个垂直的所述多个z分量被找出。从所述底部开始，具有所述垂直的负向符号的z分量的所有多边形面通过指向多个支撑区域的一特定颜色来标记，且所述多个正向多边形面通过所述模型颜色来标记。
随后，如框106所显示，所述虚拟相机的所述位置(眼点)被设定为z＝0来开始定义所述第一切片。然后所述相机位置对随后的每一切片进行增量，直到达到所述模型的所述最大高度，
如在框108中，之后对每一个所述切片，所述多个切片的每一部分朝上的投影到所述下一个多边形表面，因为朝上看的一虚拟相机沿着所述切片的所述长度下跌。如果在视野中的所述第一多边形表面是一个朝下且面向外部的表面，则所述切片的所述区域被标记为一支撑区域。如果所述表面是一个朝下且面朝内的表面，则所述区域被标记为所述物体自身的一部分。应当理解的是，所述切片事实上是一个二维区域，以横越所述整个区域实行所述过程。
当完成每个切片，所述相机或眼点在所述z方向上的所述切片宽度向上移动-框110。
所述图形卡的快速及平行计算的可能性可以允许所述多个切片如上被迅速的计算，且如所述的，所述多个计算是有关于所述切片的多个区域且与各自的像素无关。在列印之前，各别的三维像素、或多个体素(voxels)，随后简单的从他们属于的所述区域的所述多个性质被计算，
现请参照图2，其是说明上述过程如何能在一L形模型件200上运行的一简化图。应当了解的是，所述模型件是一个三维模型件，但是为了简单的目的以二维绘示。所述件具有一垂直区域202及一平行区域204，且所述多个表面通过多个多边形定义且具有对于每一表面的一内部及一外部面。
现在我们考虑切片206的所述计算。朝上看的一虚拟相机是沿着所述切片的所述长度下跌。只要所述虚拟相机是在所述直立模型部分202之内，则所述虚拟相机看见的所述第一面是面向所述上方墙208的边的所述内侧。因此，在所述垂直202之内的所述切片的所述区域被标计为在所述模型之内。
当所述虚拟相机离开所述正向且在所述L型的所述延伸之下方移动时，所述虚拟相机遇到的所述第一表面是较低的墙210的面向外部表面的所述下侧。因此，在所述上侧之外以及在所述L的所述延伸之下的所述区域被标记为一支撑区域。
不是在所述模型之内或是204的所述延伸之下的所述切片的那些部分之中，但是在所述L型集合体(altogether)之外的，所述朝上看的相机遇不到多边形表面，且因此所述多个区域被标记为不列印的多个区域。
根据本发明的一实施例，所述图形卡可以因此通过在来自朝上的所述切片的Z轴方向上查看来呈现三维场景，以形成一平行投影视野。对于每一切片，所述相机被设定在所述切片的所述z平面上(相机的z位置)且沿着在从底部朝上方且垂直于所述z平面(视野方向)的所述切片中的一向量滑动，其从底部朝上方且垂直于所述z平面(视野方向)
所述图形卡可以因此使用多个多边形、多个投影及多边形消隐(polygonculling)自动的计算所述模型及多个支撑区域，以准备较之后的所述区域之内的所述各个像素的定义。具有指向内部的所述垂直向量的所有可视多边形面可以被呈现且被标记作为属于所述模型，且具有指向外部的所述垂直向量的所有可视多边形可以被呈现且被标记作为属于所述支撑结构。
现在，在一般情况下，简单的绘制作为模型或支撑或不列印的多个区域是不足够的。用户需要列印的多个真实世界物体需要多个颜色、在不同位置的不同材料、多个表面图案、三维纹理等。所述图型处理器能再次提供一解决方案。一纹理绘制单元(texturemapping unit；TMU)是在现代化图形处理单元的一个部件。一纹理绘制单元能旋转及调整欲放到作为一纹理的一被给定的三维物体的一任意平面上的一位元地图(bitmap)。在现代化图形卡中，一纹理绘制单元是典型的作为在一图形管路内的一离散阶段(discretestage)实现。
为了呈现一个三维场景，多个纹理被绘制横越多边形网格的所述顶部。这被称为纹理绘制且通过在所述图形卡上的所述多个纹理绘制单元完成。
一纹理地图可以应用或绘制到一外形的所述表面或多边形。所述应用过程类似于应用图案纸到一平面白色盒子。例如，在一多边形中的每一个顶点通过明确指派或通过程序上的定义被指派为一纹理座标。多重纹理是在一个多边形上的一时间使用超过一个纹理。
在本发明的一实施例中，如上所述的纹理绘制可以用来产生所述模型(例如数位材料)及所述支撑(例如定义作为网格的所述支撑)的所述感兴趣的或复杂的及多重材料结构。
所述方法在所述简化流程图的图3中说明。所述方法包含使用一预定义的二维或三维纹理或颜色地图，且在定义模型形状的相同多个多边形上定义它的绘制。对于所述多个切片，获得所述一或多个纹理地图，如框300。可能有用在颜色或表面图案302、用在不同材料304及用在不同三维深度纹理306的多个分开的纹理地图。再者，多个纹理地图可以依需求被指定，且不同的纹理地图可以为了方便而结合在一或更多档案中。所述多个纹理地图区域被绘制所述多个切片区域上，如在框308中。不同的纹理可以分开的应用在所述两个不同的多边形边、所述外部及所述内部、及在呈现之后，如上述所实现，所述输出可以包含所述模型或多支撑结构的颜色及纹理代表。
所述图形处理器没有代表不同材料的一直接方式。然而，它在代表颜色是非常优质的，且因此颜色可以代表在所述产生的切片中欲列印的所述不同体素的所述不同材料。之后多重纹理可以用来合并意谓材料类型的多个颜色及欲出现在所述物体上的所述多个颜色。
三维纹理还能用来产生具有所述深度的多个结构。因为所述深度是从所述表面计算而来，所述图形处理器能简单的在垂直于作为进入所述模型的所述深度的一投影过程的一部分的所述表平面(surface plane)处的所述方向上产生一或多重涂布层结构及多个梯度结构。例如，一特定物体可以需要在所述表面的一硬壳及软质填充材料，或可能在所述表面需要防水。所述纹理地图是允许所述图形处理器应用所述相关资讯到所述切片中的所述多个区域的一种方式。
可以预期的是，在从此应用成熟的一专利寿命期间，许多相关的喷墨和其他印刷技术将被开发并且所述用语的所述范围“列印”是指包括所有这些新的技术先验(apriori)。
所述用语「包括(comprises)」、「包括(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」及他们的结合物的意思是「包含但不限于」。
所述用语「由…组成(consisting of)」的意思是「包含且限于」。
如此处所使用，所述单数形式「一(a)」、「一(an)」及「所述(the)」包含复数形式，除非上下文另有明确规定。
可以理解的是，为了明确起见而描述在分开的实施例的上下文中的本发明的某些特征，也可以组合在单一实施例中，且上述描述应被解释为，如果此组合被明确的写入。相反的，为了简明起见描述在单一实施例的上下文中的本发明的各个特征，也可以分开的提供或作为适用在任何适当的子组合或在本发明的任何其他描述实施例中，且上述描述是被解释为，如果这些单独的实施方案中被明确写入。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被当作那些实施例的必要特征，除非所述实施例缺少那些元件时是不能操作的。
虽然本发明已经结合其具体实施方案进行了描述，但明显的，许多替换、修改和变化将对那些本领域技术人员是显而易见的。因此，意思是包括落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这些替代，修改和变化
在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请以其整体在此引入作为参考到本说明书中，以相同的程度，就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体和单独的指明引入本文作为参考。此外，在本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这样的参考文献对本发明可作为现有技术。到该部分的标题中使用的范围内，它们不应该被解释为必要的限制。章节标题的使用范围，他们不应该被解释为必要限制。

Claims (9)

1.一种对一个三维模型形成切片以便通过一个三维列印机列印一对应物体的方法，所述形成切片是在具有一Z轴的一空间内进行，所述Z轴垂直于一列印平面，其特征在于：所述方法包含步骤：
获得一物体的一外壳的一代表值当作多个平面多边形的一集合，每一多边形通过形状、多个位置座标及垂直所述各自的多边形的一方向向量来定义，所述方向向量指向所述物体的外侧，从而区分所述多边形的一朝内表面及所述多边形的一朝外表面；
定义以沿着所述Z轴的一Z0座标为特征的一切片平面；及
把所述切片平面分割为：在所述物体内的多个区域、属于一支撑结构的多个区域，及在所述物体之外且不被列印的多个区域，其中把所述切片平面分割为所述多个区域的步骤包含：
找出位在相对于所述Z轴的欲辨认的一各自区域上的所述外壳的一最接近多边形；
其中没有多边形被辨认时，则标记一对应区域作为一未列印区域；
如果一最接近的上方的多边形的一方向向量具有在所述Z轴的方向上的一正向分量，则标记所述对应区域作为一模型区域；及
如果所述最接近上方的多边形的一方向向量具有在所述Z轴的方向上的一负向分量，则标记所述区域作为一支撑区域。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述获得一代表值的步骤更包含：进行定向。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：更包含：获得所述三维模型的多个纹理地图及绘制多个纹理区域到所述多个切片上，以产生所定义的纹理的多个区域。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述多个纹理地图包含：定义颜色分布的多个地图、定义不同材料的分布的多个地图，及定义三维表面纹理的多个地图。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：每一区域是一多重体像素区域，所述方法更包含：在列印之前，定义在所述切片平面的每一区域中的多个体像素。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：更包含：
以积层方式列印所述物体，每一层对应所述多个平面切片的一各自切片，所述每一层是通过：
沉积支撑材料到被标记作为在所述各自切片内的一支撑区域的每一区域的多个体像素中；及
沉积模型材料到被标记作为在所述各自切片内的一模型像素的每一区域的多个体像素中；
来进行列印的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：跟随在对应的定义所述切片平面及把所述切片平面分割为所述多个区域后立即再列印一层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法在一图形卡或一图形处理单元上实行。
9.一种将一图形处理单元应用于一如权利要求1-8任一项对欲列印的一物体的一个三维模型进行形成切片的用途。
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