CN108491596A - 一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印及增材制造技术领域，特别涉及一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法。首先搜索每一分层平面两侧附近的数据点，并将其投影到分层平面上形成投影点带；进而利用局部坐标系中的转角最小准则，提取投影点带的边界数据点；然后建立边界数据点的平面最小二乘投影模型，给出平面最小二乘投影模型中工作点的权值构造方法；以此为基础，实现边界点到点云模型上投影点的迭代计算，将所提取的边界数据点投影到点云模型上，从而形成分层切片轮廓。本发明方法越过了点云数据到STL三角网格模型和CAD参数模型的构造过程，直接基于测量点云数据构造分层切片轮廓，能够有效缩短从零件原型测量到零件增材制造的生产制造周期，降低设计制造成本。

Description

一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法

技术领域

本发明涉及3D打印及增材制造技术领域，特别涉及一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法。

技术背景

随着“工业4.0”、“智能制造”等新型工业概念的提出，作为其核心制造技术之一的增材制造技术，也称为3D打印技术，已引起各领域研究人员和媒体的广泛关注。与传统的去除材料加工不同，增材制造是一个材料逐层累加的制造过程。由于这一特殊的制造工艺，使得增材制造更适合航空航天、汽车等制造领域中具有复杂形状，特别是具有复杂内部结构且制造材料昂贵的关键零部件的快速加工。目前，许多增材制造工艺如熔融沉积成型、选择性激光烧结/熔化、电子束熔覆成型等已被提出并得到广泛应用。尽管这些增材制造技术的成型工艺各不相同，但对制造模型进行分层切片却是必须的关键环节。李芷萱等人发明的专利“一种基于选择性激光烧结的分层切片方法”(专利号：CN201410175610.5)针对STL网格模型进行分层切片，并不能用于离散的点云数据。文献“Sun YW,et a.B-spline surfacerecons-truction and direct slicing from point clouds.Int J Adv Manuf Technol2006；27(9-10):918-924.”针对点云数据切片，提出利用分层平面两侧的最近点对构造“虚拟边”，将“虚拟边”与分层平面的交点定义为分层轮廓点，然后经过数据点的序化，构造分层轮廓。文献“Yang P,Qian X.Adaptive slicing of moving least squares surfaces:toward direct manufacturing of point set surfaces.J Comput Inf Sci Eng 2008；8(3):031003.”针对点云切片问题，首先利用点云数据的局部最小二乘拟合，构造局部最小二乘曲面，然后利用点到最小二乘曲面的投影，构造分层轮廓。尽管该方法可用于点云切片，但其涉及相对复杂的最小二乘曲面的拟合以及点到曲面投影的计算。目前，国内外对于分层切片轮廓构造的研究主要围绕STL网格模型和CAD参数模型展开，直接基于点云模型的分层切片轮廓构造方法非常少，已经提出的“虚拟边方法”和基于最小二乘曲面拟合投影的方法与本发明的方法也有着明显的区别，本发明方法不涉及任何曲面拟合操作，越过了点云数据到STL三角网格模型和CAD参数模型的构造过程，能够有效缩短从原型测量到零件增材制造的生产制造周期，降低设计制造成本。

发明内容

为克服现有分层切片轮廓构造方法的不足，本发明提供了一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法，实现直接基于点云数据的增材制造。

本发明采用的技术方案是：一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法包括下列步骤：

(a)搜索分层平面两侧附近的数据点，并将其投影到分层平面上形成投影点带；

(b)利用局部坐标系中的转角最小准则，提取投影点带的边界数据点；边界数据点提取方法步骤包含：

b1.搜索投影点带中最左侧数据点p_lf，以其为原点建立局部坐标系，局部坐标系的X^(L)轴、Y^(L)轴分别于点云坐标系的X轴、Y轴平行；

b2.在最左侧数据点p_lf的k个最近点中选取一点并连接p_lf点，计算该连线与X^(L)负轴之间的夹角，选择使夹角最小的点为边界点p_b；

b3.将边界点p_b作为新的局部坐标系的原点，局部坐标系的X^(L)更新为p_b点与上一个边界点的连线方向，Y^(L)轴按右手规则确定，然后在原点的k个最近点中利用夹角最小准则确定下一个边界点p_b；

b4.将新的边界点p_b作为新的局部坐标系的原点，重复步骤b3，直到最左侧数据点p_lf被再次找到，则边界数据点搜索完毕；

(c)建立边界数据点的平面最小二乘投影模型，并给出平面最小二乘投影模型中工作点的权值构造方法；平面最小二乘投影模型中工作点的权值构造方法步骤包含：

c1.分层平面上所提取的边界点到点云模型的平面最小二乘投影模型为：

式中，q为待求的投影点，z_plane为分层平面的z向坐标，p_j,j＝0,Λ,n为点云数据，w_j为与数据点p_j相关的权值因子，由公式(3)确定；

c2.公式(1)中Φ(q)取得最小值的条件为dΦ(q)/q＝0，由此得到投影点q为：

c3.权值因子w_j按下式确定

式中，dist(p,p_j)为待投影点p和p_j之间的距离，dist(p,P_plane)为待投影点p到分层平面P_plane的距离；

(d)利用平面最小二乘投影模型，实现边界点到点云模型上投影点的迭代计算，将所提取的边界数据点投影到点云模型上，形成分层切片轮廓；边界点到点云模型上投影点的迭代方法步骤包含：

d1.选择整个点云数据p_j,j＝0,Λ,n作为初始工作点集，利用公式(2)计算投影点q；

d2.按下式计算第m次迭代中权值因子{w_j}的阈值w_limit；

式中，w_mean和w_max分别为所有权值因子{w_j}的平均值和最大值；

d3.如果工作点集中的点p_j的权值因子w_j小于阈值w_limit，则将p_j从工作点集中删除；否则保留在工作点集中，从而更新工作点集。

d4.根据新的工作点集，计算第m+1次迭代中的投影点q_m+1，并计算如下迭代结束准则：

||q_m+1-q_m||≤ε_error,m>M_max (5)

式中，ε_error为给定的计算精度，M_max为最大迭代次数。如果满足上述迭代终止准则，则q_m+1为边界点在点云模型上的投影点，即q＝q_m+1；否则，将待投影点更新为p＝q_m+1，继续上述迭代过程直至迭代终止准则被满足。

与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：本发明方法越过了点云数据到STL三角网格模型和CAD参数模型的繁琐构造过程，直接基于测量点云数据构造分层切片轮廓，能够有效缩短从零件原型测量到零件增材制造的生产制造周期，降低设计制造成本。

附图说明

图1是一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法的流程图。

图2是分层平面两侧关联点搜索示意图。

图3是所获得的投影点带例子。

图4是投影点带边界点搜索过程示意图。

图5是所得到的投影点带边界数据点例子。

图6是所获得的分层切片轮廓例子。

具体实施方式

图1示出了一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法的流程图。下面，以人体膝盖点云模型为例，结合附图和实施步骤对本发明的具体实施过程进行详细描述：

(a)搜索分层平面附近数据点，构造分层平面上的投影点带。如图2所示，P_plane为高度为h的分层平面，定义h-Δδ和h+Δδ间的数据点为分层平面P_plane关联数据点，将这些据点沿Z向投影到分层平面上得到投影点带，如图3所示；

(b)利用局部坐标系中的转角最小准则，提取投影点带的边界数据点。

b1.如图4中左图所示，首先选择投影点带最左侧数据点，即X坐标最小的数据点p_lf，以其为原点建立局部坐标系，局部坐标系的X^(L)轴、Y^(L)轴分别于点云坐标系的X轴、Y轴平行；

b2.在最左侧数据点p_lf的k个最近点中选取一点p_i并连接p_lf点，按公式(1)计算该连线与X^(L)负轴之间的夹角θ_i，选择使夹角最小的点为边界点p_b；

b3.如图4中右图所示，将边界点p_b作为新的局部坐标系的原点，局部坐标系的X^(L)更新为p_b点与上一个边界点的连线方向，Y^(L)轴按右手规则确定，然后在原点的k个最近点中利用夹角最小准则确定下一个边界点p_b；

b4.将新的边界点p_b作为新的局部坐标系的原点，重复步骤b3，直到最左侧数据点p_lf被再次找到，则边界数据点搜索完毕。图5所示为搜索到的投影点带的边界数据点。

(c)建立边界点的平面最小二乘投影模型，确定工作点的权值因子。

c1.分层平面上所提取的边界点到点云模型的平面最小二乘投影模型为：

式中，q为待求的投影点，z_plane为分层平面的z向坐标，p_j,j＝0,Λ,n为点云数据，w_j为与数据点p_j相关的权值因子，由公式(6)确定；

c2.公式(2)中目标函数Φ(q)取得最小值的条件为：

由此可以得到：

由公式(4)得到投影点q为：

c3.权值因子w_j按下式确定

式中，dist(p,p_j)为待投影点p和p_j之间的距离，dist(p,P_plane)为待投影点p到分层平面P_plane的距离。

(d)迭代计算边界点到点云模型上投影点，顺序连接投影点，形成分层切片轮廓。

d1.选择整个点云数据p_j,j＝0,Λ,n作为初始工作点集，利用公式(5)计算投影点q；

d2.按公示(7)计算第m次迭代中权值因子{w_j}的阈值w_limit；

式中，式中，w_mean和w_max分别为所有权值因子{w_j}的平均值和最大值。

d3.如果工作点集中的点p_j的权值因子w_j小于阈值w_limit，则将p_j从工作点集中删除；否则保留在工作点集中，从而更新工作点集；

d4.根据新的工作点集，计算第m+1次迭代中的投影点q_m+1，并计算如下迭代结束准则：

||q_m+1-q_m||≤ε_error,m>M_max (8)

式中，ε_error为给定的计算精度，M_max为最大迭代次数。如果满足上述迭代终止准则，则q_m+1为边界点在点云模型上的投影点，即q＝q_m+1；否则，将待投影点更新为p＝q_m+1，继续上述迭代过程直至迭代终止准则被满足。图6给了利用上述方法获得的人体膝盖数据分层切片轮廓的例子。

综上所述，本发明直接在点云模型上构造出了适用于3D打印及增材制造的分层切片轮廓，越过了点云数据到STL三角网格模型和CAD参数模型的繁琐构造过程，能够有效缩短从零件原型测量到零件增材制造的生产制造周期，降低设计制造成本。

Claims (1)

1.一种点云模型上的分层切片轮廓构造方法，其特征在于：包括下列步骤：

(a)搜索分层平面两侧附近的数据点，并将其投影到分层平面上形成投影点带；

(b)利用局部坐标系中的转角最小准则，提取投影点带的边界数据点；边界数据点提取方法步骤包含：

b1.搜索投影点带中最左侧数据点p_lf，以其为原点建立局部坐标系，局部坐标系的X^(L)轴、Y^(L)轴分别于点云坐标系的X轴、Y轴平行；

b2.在最左侧数据点p_lf的k个最近点中选取一点并连接p_lf点，计算该连线与X^(L)负轴之间的夹角，选择使夹角最小的点为边界点p_b；

b3.将边界点p_b作为新的局部坐标系的原点，局部坐标系的X^(L)更新为p_b点与上一个边界点的连线方向，Y^(L)轴按右手规则确定，然后在原点的k个最近点中利用夹角最小准则确定下一个边界点p_b；

b4.将新的边界点p_b作为新的局部坐标系的原点，重复步骤b3，直到最左侧数据点p_lf被再次找到，则边界数据点搜索完毕；

(c)建立边界数据点的平面最小二乘投影模型，并给出平面最小二乘投影模型中工作点的权值构造方法；平面最小二乘投影模型中工作点的权值构造方法步骤包含：

c1.分层平面上所提取的边界点到点云模型的平面最小二乘投影模型为：

式中，q为待求的投影点，z_plane为分层平面的z向坐标，p_j,j＝0,Λ,n为点云数据，w_j为与数据点p_j相关的权值因子，由公式(3)确定；

c2.公式(1)中Φ(q)取得最小值的条件为dΦ(q)/q＝0，由此得到投影点q为：

c3.权值因子w_j按下式确定

式中，dist(p,p_j)为待投影点p和p_j之间的距离，dist(p,P_plane)为待投影点p到分层平面P_plane的距离；

(d)利用平面最小二乘投影模型，实现边界点到点云模型上投影点的迭代计算，将所提取的边界数据点投影到点云模型上，形成分层切片轮廓；边界点到点云模型上投影点的迭代方法步骤包含：

d1.选择整个点云数据p_j,j＝0,Λ,n作为初始工作点集，利用公式(2)计算投影点q；

d2.按下式计算第m次迭代中权值因子{w_j}的阈值w_limit；

式中，w_mean和w_max分别为所有权值因子{w_j}的平均值和最大值；

d3.如果工作点集中的点p_j的权值因子w_j小于阈值w_limit，则将p_j从工作点集中删除；否则保留在工作点集中，从而更新工作点集。

d4.根据新的工作点集，计算第m+1次迭代中的投影点q_m+1，并计算如下迭代结束准则：

||q_m+1-q_m||≤ε_error,m>M_max (5)

式中，ε_error为给定的计算精度，M_max为最大迭代次数。如果满足上述迭代终止准则，则q_m+1为边界点在点云模型上的投影点，即q＝q_m+1；否则，将待投影点更新为p＝q_m+1，继续上述迭代过程直至迭代终止准则被满足。