基于圖像技術(shù)的3D打印支撐區(qū)域算法開(kāi)發(fā)

邢銀龍

摘? ?要：針對(duì)3D打印過(guò)程中對(duì)于懸臂結(jié)構(gòu)需要手動(dòng)設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)問(wèn)題，提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)自動(dòng)識(shí)別需要支撐的區(qū)域并生成支撐的方法。首先給出了支撐區(qū)域識(shí)別算法，介紹了算法流程及算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程;其次在獲得支撐區(qū)域的基礎(chǔ)上，給出了支撐自動(dòng)生成算法，介紹了算法的流程及算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程;最后給出了算法的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像? 圖像形態(tài)學(xué)? 支撐區(qū)域? 3D打印

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）10（c）-0064-02

3D打印是20世紀(jì)80年代開(kāi)始興起的技術(shù)，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，尤其是最近10年，隨著材料技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展取得了飛躍式的發(fā)展，3D打印已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)是采用分層制造技術(shù)[1-3]，從底部向上生長(zhǎng)，每當(dāng)遇到懸臂結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在懸臂下方設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，以保證在打印懸臂時(shí)不會(huì)出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，當(dāng)遇到腔體內(nèi)部需要支撐時(shí)，人為手動(dòng)設(shè)計(jì)支撐就變得十分復(fù)雜，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)支撐。因此根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自動(dòng)生成支撐就變得十分有意義。生成支撐的首要任務(wù)是識(shí)別支撐區(qū)域，是支撐設(shè)計(jì)的核心。本文采用數(shù)字圖像處理技術(shù)[4]中的圖像形態(tài)學(xué)處理以及圖像布爾運(yùn)算等技術(shù)自動(dòng)識(shí)別需要支撐的區(qū)域，并對(duì)需要生成支撐的區(qū)域進(jìn)行支撐路徑規(guī)劃[5]，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成支撐。

1? 支撐區(qū)域識(shí)別

支撐區(qū)是模型處于懸空部分在其正下方的投影區(qū)，當(dāng)上層結(jié)構(gòu)在下層結(jié)構(gòu)投影時(shí)，若兩層的投影差集不為空集時(shí)，說(shuō)明至少存在一個(gè)支撐區(qū)。若為空集，說(shuō)明此層沒(méi)有支撐區(qū)。

1.1 支撐區(qū)識(shí)別算法流程

假設(shè)模型共有N+1層，第一層有N1個(gè)支撐區(qū)，A11，A12，…A1n第N層有Nn個(gè)支撐區(qū)An1，An2，…Ann。其中N1…Nn可能為零，由于支撐區(qū)域識(shí)別算法在不同層之間的計(jì)算方式相同，因此本文以第N層計(jì)算為例，說(shuō)明計(jì)算過(guò)程。假設(shè)第N層有m個(gè)支撐區(qū)，m>0。算法具體流程如下：

步驟1：讀取第N層與第N+1層的模型輪廓數(shù)據(jù)分別存入ListNCount與ListN1Count表。

步驟2：將ListNCount與ListN1Count二值化成二值圖像ImageListN與ImageListN1。

步驟3：對(duì)圖像ImageListN與ImageListN1進(jìn)行圖像布爾運(yùn)算得到m個(gè)二值圖像ImageList1、ImageList2、ImageList3……ImageListm。

步驟4：對(duì)m個(gè)二值圖像分別進(jìn)行膨脹運(yùn)算得到m個(gè)膨脹后的圖像（ImageIn1為其中一個(gè)，后面說(shuō)明以此圖像為例，其余圖像操作相同）。

步驟5：對(duì)m個(gè)膨脹后的二值圖像分別進(jìn)行腐蝕運(yùn)算得到m個(gè)腐蝕后的圖像（ImageCo1為其中一個(gè)，后面說(shuō)明以此圖像為例，其余圖像操作相同）。

步驟6：用圖像ImageIn1與圖像ImageCo1進(jìn)行邊緣提取算法得到邊緣圖像ImageEdge1。對(duì)m組膨脹和腐蝕后的圖像進(jìn)行運(yùn)算得到m個(gè)邊緣圖像ImageEdge1、ImageEdge2、ImageEdge3…… ImageEdgem。

步驟7：對(duì)邊緣圖像進(jìn)行鏈碼與譯碼操作得到m組輪廓坐標(biāo)Coordinate1、Coordinate2、Coordinate3……Coordinatem。

以上m組輪廓坐標(biāo)就是所計(jì)算的m個(gè)支撐區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)閉合的輪廓。

1.2 支撐區(qū)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)

針對(duì)上節(jié)所述的支撐區(qū)域識(shí)別算法流程，本節(jié)詳細(xì)介紹支撐區(qū)域識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

（1）獲取第N層與第N+1層的輪廓坐標(biāo)ListNCount與ListN1Count。

（2） 計(jì)算ListNCount與ListN1Count Y向最大值與最小值YMax_N，YMin_N，YMax_N1，YMin_N1。

（3）用掃描線y以一個(gè)像素遞增的方式從開(kāi)始到Y(jié)Max_N進(jìn)行線束掃描，計(jì)算掃描線與輪廓的交點(diǎn)坐標(biāo)，每條掃描線存在偶數(shù)個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)，將第2n個(gè)坐標(biāo)與第2n+1個(gè)坐標(biāo)之間的線段以一個(gè)像素單位分割，于是得到以像素為單位的坐標(biāo)，將掃描線上的坐標(biāo)值賦值為1，掃描線外的坐標(biāo)值賦值為0，因此得到一幅二值圖像。同理可得到另一幅二值圖像。

（4）計(jì)算圖像ImageListN與圖像ImageListN1的并集。

（5）計(jì)算差集。

（6）對(duì)圖像進(jìn)行膨脹運(yùn)算。B為結(jié)構(gòu)元素。

（7）對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕運(yùn)算。C為結(jié)構(gòu)元素。

（8）提取單像素邊緣。

（9）對(duì)單邊像素圖像進(jìn)行鏈碼運(yùn)算，將單邊像素圖像轉(zhuǎn)換成輪廓坐標(biāo)。鏈碼采用8方向鏈碼，8方向鏈碼可以使邊界更精確。鏈碼方向選取為逆時(shí)針?lè)较颍?-1-2-3-4-5-6-7-0。遍歷單邊像素圖像，得到第一個(gè)值為1的像素坐標(biāo)點(diǎn)，以此點(diǎn)為邊界的起點(diǎn)，標(biāo)記此點(diǎn)已被搜尋完畢。根據(jù)鏈碼方向遍歷下一點(diǎn)，直到找到下一個(gè)值為1的像素點(diǎn)，記為第二個(gè)邊界點(diǎn)，標(biāo)記此點(diǎn)已被搜尋完畢。直到8方向像素值全為0，此條邊界搜尋完畢。同理，尋找下一條邊界的起點(diǎn)，直到此圖像中所有為1的點(diǎn)全部被標(biāo)記過(guò)，此圖像搜尋完畢，所得幾組邊界，此圖像就有幾個(gè)需要支撐的區(qū)域。

（10）針對(duì)每層數(shù)據(jù)均采用（1）到（9）的操作過(guò)程，得到每一層的支撐區(qū)域。存入每層的輪廓坐標(biāo)數(shù)組Coordinate1、Coordinate2、Coordinate3……Coordinatem。

2? 支撐自動(dòng)生成算法

自動(dòng)生成支撐結(jié)構(gòu)是根據(jù)支撐區(qū)域在其內(nèi)部生成一定形式的填充路徑，層層堆疊，直到與懸臂接觸，以達(dá)到支撐懸臂結(jié)構(gòu)的效果，保證懸臂結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)閼铱斩霈F(xiàn)塌陷。

2.1 支撐生成算法流程

支撐區(qū)路徑采用連續(xù)蛇形填充算法，最大限度減小激光器的開(kāi)關(guān)。

步驟1：獲取一層的支撐區(qū)的輪廓坐標(biāo)。

步驟2：計(jì)算相鄰路徑的填充間距，保證不塌陷的同時(shí)減少路徑長(zhǎng)度，以便后期容易去除支撐。

步驟3：根據(jù)支撐區(qū)輪廓坐標(biāo)及工藝參數(shù)信息規(guī)劃掃描線策略。

步驟4：分別計(jì)算掃描線束與輪廓交點(diǎn)，得到掃描線與所有輪廓的交點(diǎn)信息。

步驟5：對(duì)交點(diǎn)信息進(jìn)行分類重組，形成一條或多條分段連續(xù)的蛇形路徑。

步驟6：將路徑信息轉(zhuǎn)換成控制變量以備后續(xù)使用。

步驟7：重復(fù)步驟1到步驟6計(jì)算過(guò)程，計(jì)算所有層的路徑信息，直到最后一層計(jì)算完畢。

2.2 支撐生成算法實(shí)現(xiàn)

（1）計(jì)算一層的輪廓坐標(biāo)值Coordinate1、Coordinate2、Coordinate3……Coordinatem。

（2）設(shè)兩條掃描線的填充間距為。

（3）計(jì)算本層所有輪廓的Y向最大值與最小值FY_Max＼FY_Min。

（4）計(jì)算掃描線：yScan=FY_Min+Fd*i，i=0，1，2…，n滿足。

（5）計(jì)算交點(diǎn)坐標(biāo)：設(shè)掃描線方程：y=yScan。C1（x1，y1），C2（x2，y2）是輪廓上相鄰兩點(diǎn)的坐標(biāo)。過(guò)此兩點(diǎn)的直線直線方程L為：y=kx+b。根據(jù)C1、C2可求出此方程。由掃描線方程與方程L聯(lián)立方程組可計(jì)算出交點(diǎn)坐標(biāo)（x1'，y1'）。當(dāng)滿足（x1'-x1）*（x1'-x2）≤0且（y1'-y1）*（y1'-y2）≤0時(shí)，此點(diǎn)滿足條件，是所求的一個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)。

（6）計(jì)算此掃描線與所有輪廓的交點(diǎn)，將滿足條件的交點(diǎn)按x值從小到大排列，存儲(chǔ)在掃描線列表中。

（7）在（4）中隨著i值的遞增變化，重復(fù)（5）到（6）過(guò)程得到當(dāng)前層的掃描線列表序列。

（8）從第一條掃描線列表開(kāi)始成對(duì)提取相鄰兩個(gè)坐標(biāo)值，提取過(guò)的坐標(biāo)值被標(biāo)記已處理，從第二條掃描線提取坐標(biāo)對(duì)時(shí)，判斷是否與第一對(duì)坐標(biāo)有垂直方向的投影，若有投影，將此對(duì)坐標(biāo)與第一對(duì)坐標(biāo)存儲(chǔ)到同一個(gè)區(qū)域數(shù)組中，若沒(méi)有投影，依次比較此條掃描線后面的坐標(biāo)對(duì)，直到找到有投影的坐標(biāo)對(duì)或者全部遍歷完成，若沒(méi)有合適的投影坐標(biāo)，則此區(qū)域結(jié)束。按此規(guī)律遍歷所有掃描線列表，直到所有坐標(biāo)都被標(biāo)記過(guò)。生成的區(qū)域數(shù)組的數(shù)量就是支撐區(qū)域數(shù)量，區(qū)域數(shù)組的坐標(biāo)值即為此支撐區(qū)域的填充路徑。

（9）重復(fù)（1）到（8）過(guò)程，直到所有層處理完成，即生成全部支撐。

（10）根據(jù)通信協(xié)議，將全部支撐路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換成控制變量，發(fā)送給控制器。

3? 結(jié)語(yǔ)

支撐自動(dòng)生成算法省去了人為設(shè)計(jì)支撐的過(guò)程。只需給定一個(gè)預(yù)進(jìn)行3D打印的模型，就可以自動(dòng)生成所有層所必須的支撐結(jié)構(gòu)。本文給出了一種基于圖像技術(shù)的支撐區(qū)域識(shí)別算法，能夠有效的識(shí)別出需要支撐的區(qū)域，同時(shí)給出了一種支撐路徑規(guī)劃方式，滿足支撐設(shè)計(jì)工藝。針對(duì)支撐區(qū)域識(shí)別與支撐路徑自動(dòng)生成給出了詳細(xì)的求解過(guò)程。

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