3D打印模型切片算法研究

文章目录

• 3D打印模型切片算法研究
• 论文介绍
• 前言
• 一、介绍
• 二、基于反向光线追踪的切片算法
• • 1.反向光线追踪算法
  • 2.快速获取切片轮廓
• 三、轮廓提取和NUBRS拟合优化
• • 1. Marching Square 轮廓提取算法
  • 2.基于NURBS基函数的切片数据拟合
• 结论

论文介绍

Title: Slicing Algorithm and Partition Scanning Strategy for 3D Printing Based on GPU Parallel Computing
Author: Xuhui Lai and Zhengying Wei
State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;

前言

一、介绍

此切片算法用于电子束激光成型（EBAM）。
论述了当前行业对切片算法的研究。

二、基于反向光线追踪的切片算法

1.反向光线追踪算法

反向光线追踪算法的光线是从相机的位置发出的，与物体照明不同。之后，跟踪光线与模型交汇处的光线强度和颜色值，并将其映射到相应的体素上。该算法主要用于模型渲染等方面。在跟踪过程中，需要沿着光线的折射或反射方向进行迭代，直到光线强度小于设定值或投射到环境中。在3D模型切片中，我们只需要考虑对应的体素是否在模型中，与颜色、纹理等信息无关。因此，计算过程中不考虑光的折射和反射。当光线与模型相交时，对应的体素（像素）设置为黑色，否则为白色。为了保证轮廓提取的准确性，在成型过程中根据轮廓精度的要求对视野进行初始化。

2.快速获取切片轮廓

1）导入STL数据，获取bunding box。
2）定义切片高度，并把Stencil buffer值设置为0，就是所有的 格都不显示
3）选择从视点发出的光线与视野中的所有 格相交。 当射线与前向 格相交时，stencil buffer的值增加1，表示需要绘制该像素； 当光线与反向 格相交时，stencil buffer的值减1，表示该像素不需要绘制。
4）遍历完成后，将缓冲区中值为 1 或 2 的分片进行渲染，将值为 0 的分片丢弃。

从而获得图2STL模型的轮廓数据图3.

三、轮廓提取和NUBRS拟合优化

1. Marching Square 轮廓提取算法

以图3右侧所示的切片为例，采用MS（Marching Square）算法计算所有闭合轮廓坐标。根据采样点坐标的RGB值将图像数据转换成二维 格，并用 格点的凹凸状态标记颜色(0,0,0)和(255,255,255) 。实心代表凸 格点，空心代表凹 格点。 从选定的起点开始，取出左边、上、左上的 格点，组成一个小块。 四个 格点的状态该块可分为16种情况，如图4所示。图中蓝色箭头表示下一次搜索的方向。 依次遍历所有像素即可完成轮廓提取。

SINUMERIK 840D SL 的 BSPLINE 插补功能可以通过控制点和权重因子将离散坐标点平滑连接，并使用速度伺服确保成型过程中线速度恒定。 假设切片生成的轮廓坐标点为{Vk}，k = 0, 1, . . . , n, 节点向量为 U = {u0, u1, . . . , um}，任意坐标点 Vk 对应的节点为 uk。因此，可以基于 n 个坐标点构造 n+1 个线性方程组，如式（5）所示。其中控制点 Ci 为待确定的量， 并且节点值uk的取值范围属于[0, 1]。

GPU切片算法在整个测试过程中的效率明显高于Cura。 商业软件Magics的切片效率最高，稳定切片进程的CPU利用率保持在29.45%，但运行过程中会卡顿。 随着三角形块数的增加，Cura和Magics建立拓扑关系的时间会逐渐增加，这也是切片时间近似呈指数变化的原因之一。 GPU切片算法不需要建立拓扑关系，只需要遍历指定高度的体素即可。 随着 格数量的增加，并行计算导致GPU利用率逐渐提高，最高可达93%，最后一个模型切片只需要89.99s。

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