基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法及系统与流程

1.本发明属于3d打印模型处理技术领域，具体涉及一种基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法及系统。


背景技术：

2.人体骨骼结构复杂且不规则，特别是疏质骨，其内部充满形状复杂的连通孔隙。为保证骨支架内部的拓扑结构，通常采用空间点阵作为造孔单元来建立微观结构，这种多孔点阵结构和骨骼模型经过布尔操作之后即可获得用于增材制造的stl(stereolithography)模型。通过大量实验研究发现tpms(triply periodic minimal surface)结构内部均为连通的曲面，而且孔隙率和比表面积可以被精确设计，非常有利用细胞的增值扩散和营养物质的传输，因此经常采用tpms结构作为组织工程支架或骨修复结构的填充材料。由于tpms结构复杂且单胞尺寸较小，因此采用增材制造技术进行打印成型。而增材制造中多以stl三角网格数据记录三维模型，要准确的表述tpms组成的骨骼模型，往往需要10
6-108个网格，这极大的增加了切片时间，使得实际成型过程变得难以实现。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法及系统，基于目标骨骼三维扫描数据得到蒙皮结构，从蒙皮结构的特征出发，建立tpms梯度填充的通用方法，同时根据增材制造的切片工艺，提高此类模型的切片处理效率。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法，包括以下步骤：
5.基于目标骨骼三维扫描数据得到蒙皮结构；
6.基于蒙皮结构的三维离散特征，根据间距计算不同高度处的截面轮廓在x轴和y轴的投影点数量占比，以采样间距中投影点数量占比作为当前高度处的内部填充结构梯度；基于梯度变化的插值函数，采用三维周期性极小化曲面构建目标骨骼的填充模型，将每一层中规则的tmps坐标沿着蒙皮表面的梯度进行变换，得到带梯度的填充模型；
7.对所述带梯度的填充模型进行重构和动态删减，将宏观点阵模型切分为n层，得到每一层关于t层厚和步长s的三角面片位置；当层厚t大于采样间距时，根据上式获得与切平面完全相交的三角面片集合；当层厚t小于采样间距时，从隐式函数中计算一次位置关系，获得与切平面完全相交的三角面片集合；
8.按照切片位置提取指定高度处的模型截面二值图，沿着内外轮廓的边缘逐步搜索，提取轮廓曲线，进而得到打印的切片结果。
9.基于蒙皮结构的三维离散特征，根据间距计算不同高度处的截面轮廓在x轴和y轴的投影点数量占比包括以下步骤：
10.1)，以切片方向为z轴，模型底面形心为原点建立笛卡尔坐标系。
11.2)，根据模型高度h和切片厚度h计算切片数量n＝h/h，和采样间距d。
12.3)，按照每个三角面片中z坐标最大值的大小顺序对stl文件中的三角面片进行排序并编号，同时删除与切平面不相交的面片。
13.4)，从第n层开始，删除当前层中和前一层三角面片编号相同的面片，直到第1层截止。
14.5)，根据(1)式计算第1层三角面片与切平面的交点，得出一系列无序排列的小线段集合。
15.6)，将交点沿x或y方向投影，以采样间距中坐标点数量占比作为当前高度处的内部填充结构梯度。
16.获取带梯度的填充模型时，以梯度值作为分形函数的x值或y值对tmps结构进行坐标变换
[0017][0018]
采用分形函数每一层中规则的tmps坐标沿着蒙皮表面的梯度进行变换，具体为：
[0019][0020]
xi，yi，zi为第i层的原始坐标，x，y，z为变换后的坐标，n为总层数。
[0021]
每一层nj相交的三角面片位置：
[0022][0023][0024]
t为层厚，s为步长，j＝1,2，
…
n。
[0025]
所述隐式函数为：
[0026][0027]
v为第i层切片的坐标点，v1和v2分别为位于轮廓内外两侧的点。
[0028]
三维周期性极小化曲面的近似表达为：
[0029]
φ
p
＝cos(λ1πx) cos(λ2πy) cos(λ3πz)-c＝0
[0030]
φd＝cos(λ1πx)cos(λ2πy)cos(λ3πz)-sin(λ1πx)sin(λ2πy)sin(λ3πz)-c＝0
[0031]
φg＝sin(λ1πx)cos(λ1πx) sin(λ2πy)cos(λ2πy) sin(λ3πz)cos(λ3πz)-c＝0
[0032]
其中，和代表三种不同类型的tpms，c决定晶格结构的相对密度，当c为
正值时，tpms向内偏置，当c为负值时，tpms向外偏置。
[0033]
采用mc算法或mt算法生成三维周期性极小化曲面。
[0034]
本发明还提供一种基于三维模型截面特征变化的梯度空隙结构建模切片系统，包括蒙皮结构构建模块、带梯度的填充模型构建模块、模型面片重构和删减模块以及切片模块
[0035]
蒙皮结构构建模块，基于目标骨骼三维扫描数据构建蒙皮结构；
[0036]
内部填充结构梯度计算模块，基于蒙皮结构的三维离散特征，根据间距计算不同高度处的截面轮廓在x轴和y轴的投影点数量占比，以采样间距中投影点数量占比作为当前高度处的内部填充结构梯度；基于梯度变化的插值函数，采用三维周期性极小化曲面构建目标骨骼的填充模型，将每一层中规则的tmps坐标沿着蒙皮表面的梯度进行变换，得到带梯度的填充模型；
[0037]
模型面片重构和删减模块，对所述带梯度的填充模型进行重构和动态删减，将宏观点阵模型切分为n层，得到每一层关于t层厚和步长s的三角面片位置；当层厚t大于采样间距时，根据上式获得与切平面完全相交的三角面片集合；当层厚t小于采样间距时，从隐式函数中计算一次位置关系，获得与切平面完全相交的三角面片集合；
[0038]
切片模块，按照切片位置提取指定高度处的模型截面二值图，沿着内外轮廓的边缘逐步搜索，提取轮廓曲线，进而得到打印的切片结果。
[0039]
另外，可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法。
[0040]
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法。
[0041]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：基于三维周期性极小化曲面构建目标骨骼的填充模型，同时构建出梯度填充模型，对所述带梯度的填充模型进行重构和动态删减，对根据骨骼模型轮廓的曲率或强度变化建立梯度tpms填充模型，减轻重量的同时根据孔隙；大大提高了计算效率，是一种适用于tpms结构的高效数据处理方法。
附图说明
[0042]
图1为均一厚度的最小周期面单胞模型。
[0043]
图2为三角面片数量与mc算法采样间距之间的对应曲线。
[0044]
图3为有效三角面片的筛选结构。
[0045]
图4为梯度点阵结构填充模型。
[0046]
图5为本发明方法提取的一种轮廓曲线。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
[0048]
采用三角面片分布的疏密程度代替蒙皮曲率的相对变化，以此调整内部填充结构的梯度：
[0049]
1)以切片方向为z轴，模型底面形心为原点建立笛卡尔坐标系；
[0050]
2)根据模型高度h和切片厚度h计算切片数量n＝h/h，和采样间距d；
[0051]
3)按照每个三角面片中z坐标最大值的大小顺序对stl文件中的三角面片进行排序并编号，同时删除与切平面不相交的面片；
[0052]
4)从第n层开始，删除当前层中和前一层三角面片编号相同的面片，直到第1层截止；
[0053]
5)根据(1)式计算第1层三角面片与切平面的交点，得出一系列无序排列的小线段集合；
[0054]
6)将交点沿x或y方向投影，以采样间距中投影点数量占比作为当前高度处的内部填充结构梯度。；
[0055]
7)以梯度值作为分形函数的x值或y值对tmps结构进行坐标变换；
[0056][0057]
周期表面的一般表达式可以表示为：
[0058][0059]
其中，r＝[x,y,z]是位置矢量，ai是振幅，hi＝[am,bm,cm]是倒数空间的基本矢量，是相位，f(r)为晶格结构的空间形状，由于采用enneper-weierstrass方法描述的tpms的精确值很难估计，因此在工程实践中经常使用周期曲面来近似：
[0060][0061]
其中，和代表三种不同类型的tpms，c决定晶格结构的相对密度，当c为正值时，tpms向内偏置，当c为负值时，tpms向外偏置。如图1所示，轮廓为红色的surface是向内偏置的结果。
[0062]
tpms可以采用mc算法或mt算法来生成，这类算法经常用来从三维数据场中提取等值面数据。根据tpms在三维空间周期性排列的特点可知，在三角网格离散过程中不存在“二义面”，因此采用mc算法处理这类模型可以获得较高的计算效率。
[0063]
当组织工程支架中微观孔隙在0.7mm左右时较有利于细胞增值扩散和营养物质传输，因此增材打印中多以0.7mm作为点阵胞元的大小。由图2可知，三角网格数量和体素化网格单元大小之间成近似指数变化，以p型surface为例，当网格单元为0.02mm时一个点阵胞元占用7.3mb存储空间，宏观骨骼模型将需要无数的三角面片来描述，这种模型的处理是极
其消耗时间和占用内存的。
[0064]
本发明提出采用点阵结构离散重构和动态删减策略，以提高计算效率。假设采用步长s对点阵模型进行重构，且层厚t可将骨骼模型切分为n层，则与任一层nj相交的三角面片位置为：
[0065][0066]
由于增材制造过程中有层厚的存在，因此每一层的位置不能连续变化。如图3所示，当层厚t大于mc算法的采样间距时，两层之间会存在无效面片，根据(3)式即可获得与切平面完全相交的三角面片集合，以减少无效计算次数；当层厚t小于mc算法的采样间距时，同一个三角面片集合会与多层反复相交，因此只需从隐式函数中计算一次位置关系即可；
[0067]
之后按照切片位置提取指定高度处的模型截面二值图，沿着内外轮廓的边缘逐步搜索，提取轮廓曲线，如图5所示。
[0068]
另外，本发明还提供一种基于三维模型截面特征变化的梯度空隙结构建模切片系统，包括蒙皮结构构建模块、带梯度的填充模型构建模块、模型面片重构和删减模块以及切片模块
[0069]
蒙皮结构构建模块，基于目标骨骼三维扫描数据构建蒙皮结构；
[0070]
内部填充结构梯度计算模块，基于蒙皮结构的三维离散特征，根据间距计算不同高度处的截面轮廓在x轴和y轴的投影点数量占比，以采样间距中投影点数量占比作为当前高度处的内部填充结构梯度；基于梯度变化的插值函数，采用三维周期性极小化曲面构建目标骨骼的填充模型，将每一层中规则的tmps坐标沿着蒙皮表面的梯度进行变换，得到带梯度的填充模型；
[0071]
模型面片重构和删减模块，对所述带梯度的填充模型进行重构和动态删减，将宏观点阵模型切分为n层，得到每一层关于t层厚和步长s的三角面片位置；当层厚t大于采样间距时，根据上式获得与切平面完全相交的三角面片集合；当层厚t小于采样间距时，从隐式函数中计算一次位置关系，获得与切平面完全相交的三角面片集合；
[0072]
切片模块，按照切片位置提取指定高度处的模型截面二值图，沿着内外轮廓的边缘逐步搜索，提取轮廓曲线，进而得到打印的切片结果。
[0073]
另外，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述基于压缩感知和中心频率的基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法。
[0074]
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于压缩感知和中心频率的基于三维截面特征的梯度空隙结构建模切片方法。
[0075]
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。
[0076]
处理器可以是中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)或
现成可编程门阵列(fpga)。
[0077]
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
[0078]
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram，random access memory)、固态硬盘(ssd，solid state drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(reram,resistance random access memory)和动态随机存取存储器(dram，dynamic random access memory)。