基于圖像技術(shù)的3D打印支撐區(qū)域算法開發(fā)

邢銀龍

摘? ?要：針對3D打印過程中對于懸臂結(jié)構(gòu)需要手動設計支撐結(jié)構(gòu)問題，提出了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)自動識別需要支撐的區(qū)域并生成支撐的方法。首先給出了支撐區(qū)域識別算法，介紹了算法流程及算法的實現(xiàn)過程;其次在獲得支撐區(qū)域的基礎上，給出了支撐自動生成算法，介紹了算法的流程及算法實現(xiàn)過程;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? 支撐區(qū)域? 3D打印

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0064-02

3D打印是20世紀80年代開始興起的技術(shù)，歷經(jīng)幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進展，尤其是最近10年，隨著材料技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展取得了飛躍式的發(fā)展，3D打印已經(jīng)在眾多領域得到了廣泛應用。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，每當遇到懸臂結(jié)構(gòu)時，需要在懸臂下方設計支撐結(jié)構(gòu)，以保證在打印懸臂時不會出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，當遇到腔體內(nèi)部需要支撐時，人為手動設計支撐就變得十分復雜，甚至無法實現(xiàn)支撐。因此根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點自動生成支撐就變得十分有意義。生成支撐的首要任務是識別支撐區(qū)域，是支撐設計的核心。本文采用數(shù)字圖像處理技術(shù)[4]中的圖像形態(tài)學處理以及圖像布爾運算等技術(shù)自動識別需要支撐的區(qū)域，并對需要生成支撐的區(qū)域進行支撐路徑規(guī)劃[5]，實現(xiàn)自動生成支撐。

1? 支撐區(qū)域識別

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

1.1 支撐區(qū)識別算法流程

假設模型共有N+1層，第一層有N1個支撐區(qū)，A11，A12，…A1n第N層有Nn個支撐區(qū)An1，An2，…Ann。其中N1…Nn可能為零，由于支撐區(qū)域識別算法在不同層之間的計算方式相同，因此本文以第N層計算為例，說明計算過程。假設第N層有m個支撐區(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：對圖像ImageListN與ImageListN1進行圖像布爾運算得到m個二值圖像ImageList1、ImageList2、ImageList3……ImageListm。

步驟4：對m個二值圖像分別進行膨脹運算得到m個膨脹后的圖像（ImageIn1為其中一個，后面說明以此圖像為例，其余圖像操作相同）。

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

步驟6：用圖像ImageIn1與圖像ImageCo1進行邊緣提取算法得到邊緣圖像ImageEdge1。對m組膨脹和腐蝕后的圖像進行運算得到m個邊緣圖像ImageEdge1、ImageEdge2、ImageEdge3…… ImageEdgem。

步驟7：對邊緣圖像進行鏈碼與譯碼操作得到m組輪廓坐標Coordinate1、Coordinate2、Coordinate3……Coordinatem。

以上m組輪廓坐標就是所計算的m個支撐區(qū)域，每個區(qū)域都是一個閉合的輪廓。

1.2 支撐區(qū)識別算法實現(xiàn)

針對上節(jié)所述的支撐區(qū)域識別算法流程，本節(jié)詳細介紹支撐區(qū)域識別算法的實現(xiàn)過程。

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

（2） 計算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以一個像素遞增的方式從開始到Y(jié)Max_N進行線束掃描，計算掃描線與輪廓的交點坐標，每條掃描線存在偶數(shù)個交點坐標，將第2n個坐標與第2n+1個坐標之間的線段以一個像素單位分割，于是得到以像素為單位的坐標，將掃描線上的坐標值賦值為1，掃描線外的坐標值賦值為0，因此得到一幅二值圖像。同理可得到另一幅二值圖像。

（4）計算圖像ImageListN與圖像ImageListN1的并集。

（5）計算差集。

（6）對圖像進行膨脹運算。B為結(jié)構(gòu)元素。

（7）對圖像進行腐蝕運算。C為結(jié)構(gòu)元素。

（8）提取單像素邊緣。

（9）對單邊像素圖像進行鏈碼運算，將單邊像素圖像轉(zhuǎn)換成輪廓坐標。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針方向：0-1-2-3-4-5-6-7-0。遍歷單邊像素圖像，得到第一個值為1的像素坐標點，以此點為邊界的起點，標記此點已被搜尋完畢。根據(jù)鏈碼方向遍歷下一點，直到找到下一個值為1的像素點，記為第二個邊界點，標記此點已被搜尋完畢。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，直到此圖像中所有為1的點全部被標記過，此圖像搜尋完畢，所得幾組邊界，此圖像就有幾個需要支撐的區(qū)域。

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

2? 支撐自動生成算法

自動生成支撐結(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，以達到支撐懸臂結(jié)構(gòu)的效果，保證懸臂結(jié)構(gòu)不會因為懸空而出現(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關(guān)。

步驟1：獲取一層的支撐區(qū)的輪廓坐標。

步驟2：計算相鄰路徑的填充間距，保證不塌陷的同時減少路徑長度，以便后期容易去除支撐。

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

步驟4：分別計算掃描線束與輪廓交點，得到掃描線與所有輪廓的交點信息。

步驟5：對交點信息進行分類重組，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：重復步驟1到步驟6計算過程，計算所有層的路徑信息，直到最后一層計算完畢。

2.2 支撐生成算法實現(xiàn)

（1）計算一層的輪廓坐標值Coordinate1、Coordinate2、Coordinate3……Coordinatem。

（2）設兩條掃描線的填充間距為。

（3）計算本層所有輪廓的Y向最大值與最小值FY_Max＼FY_Min。

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

（5）計算交點坐標：設掃描線方程：y=yScan。C1（x1，y1），C2（x2，y2）是輪廓上相鄰兩點的坐標。過此兩點的直線直線方程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)立方程組可計算出交點坐標（x1'，y1'）。當滿足（x1'-x1）*（x1'-x2）≤0且（y1'-y1）*（y1'-y2）≤0時，此點滿足條件，是所求的一個交點坐標。

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

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

（8）從第一條掃描線列表開始成對提取相鄰兩個坐標值，提取過的坐標值被標記已處理，從第二條掃描線提取坐標對時，判斷是否與第一對坐標有垂直方向的投影，若有投影，將此對坐標與第一對坐標存儲到同一個區(qū)域數(shù)組中，若沒有投影，依次比較此條掃描線后面的坐標對，直到找到有投影的坐標對或者全部遍歷完成，若沒有合適的投影坐標，則此區(qū)域結(jié)束。按此規(guī)律遍歷所有掃描線列表，直到所有坐標都被標記過。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)組的坐標值即為此支撐區(qū)域的填充路徑。

（9）重復（1）到（8）過程，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，將全部支撐路徑點轉(zhuǎn)換成控制變量，發(fā)送給控制器。

3? 結(jié)語

支撐自動生成算法省去了人為設計支撐的過程。只需給定一個預進行3D打印的模型，就可以自動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)域識別算法，能夠有效的識別出需要支撐的區(qū)域，同時給出了一種支撐路徑規(guī)劃方式，滿足支撐設計工藝。針對支撐區(qū)域識別與支撐路徑自動生成給出了詳細的求解過程。

參考文獻

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[5] 王欽釗，程金勇，李小龍.復雜環(huán)境下機器人路徑規(guī)劃方法研究[J].計算機仿真，2017，34（10）：296-300.