一種面向3d打印的半色調投影與模型生成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種面向3D打印的半色調投影與模型生成方法。
【背景技術】
[0002] 3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀 金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。在該技術出現的早期 時候，常常用來在模具制造，工業設計等領域用于制造模型，現在正逐漸用于產品的直接制 造。
[0003] 連續調圖像通常指在一幅圖像上，其由淺到深或由淡到濃的色調變化是以單位面 積成像物質顆粒密度來構成的，其深淺、濃淡是連續變化的，如相片底片、畫稿；而半色調通 常是指經過特殊加工后的印刷品上的由淺到深或由淡到濃的色調變化是由網點大小來表 現的，由于網點在空間上是有一定距離而呈離散型分布的，并且由于加網的級數總有一定 的限制，在圖像的層次變化上不能像連續調圖像一樣實現無極變化，故稱為半色調圖像。
[0004] 半色調已是現代印刷與數字顯示中的成熟技術，研究者在近幾年主要關注如何 保持圖像的特征，如Kim等人在2008年提出了一種半色調點分布算法（IQM，D.，SON，M.， LEE,Y. ,KANG,H. ,ANDLEE,S. 2008.Feature-guidedimagestippling.InProceedings oftheNineteenthEurographicsConferenceonRendering,EurographicsAssoci ation，Aire-la_Ville，Switzerland,Switzerland，EGSR，08, 1209 - 1216.),在算法中， 點根據圖像的特征線分布，從而使得點的分布與圖像的特征輪廓相吻合。Heng等人也 在2008年提出了 一種同時保持圖像結構和色調的優化算法（PANG，W. -M.，QU，Y.，W0NG， T.-T. ,C0HEN-0R,D. ,ANDHENG,P.-A. 2008.Structure-awarehalftoning.ACMTrans. Graph. 27, 3 (Aug. )，89:1 - 89:8.)。Li和Mould在2011年通過使用非線性的優先級走樣調 整函數（LI，H.，ANDMOULD,D. 2011.Structure-preservingstipplingbypriority-based errordiffusion.InProceedingsofGraphicsInterface2011,Canadian Human-ComputerCommunicationsSociety,SchoolofComputerScience,Universityof Waterloo,Waterloo,Ontario,Canada,GI' 11, 127 - 134.)，由對比明顯的圖像得到了結構 分明的點刻法圖像。
[0005] 然而，目前關于半色調的工作所面向印刷與顯示，使用的介質是印刷墨水，我們提 出一種方法以投射光作為半色調技術的介質，面向3D打印的在三維空間中帶有深度的半 色調曲面。這里只有Zhou和Chen在2009年提出了基于droplets，使用類似3D半色調 技術減少分層打印技術打印時間的方法（Three-dimensionaldigitalhalftoningfor layeredmanufacturingbasedondroplets)〇
[0006] 最近，通過微觀幾何結構的調整控制光線效果的技術十分熱門。MitraandPauly 在 2009 年提出一種模型制作方法（MITRA,N.J.，ANDPAULY,M. 2009.Shadowart.ACM Trans.Graph. 28, 5(Dec. )，156:1 - 156:7.)，使得模型在不同角度能投影出給定的不同的 影子。而諸多工作通過控制例如微觀表面結構（WEYRICH，T.，PEERS,P.，MATUSIK，W.，AND RUSINKIEWICZ,S. 2009.Fabricatingmicrogeometryforcustomsurfacereflectance.ACMTrans.Graph. 28, 3 (July), 32:1 - 32:6.)微觀區塊（PAPAS,M. ,HOUIT,T. ,NOWROUZEZAH RAI,D. ,GROSS,M. ,ANDJAROSZ,ff. 2012.Themagiclens:Refractivesteganography.ACM Trans.Graph. 31, 6(Nov.), 186:1 - 186:10.)和表面法向（SCHWARTZBURG,Y. ,TESTUZ,R.，T AGLIASACCHI,A.,ANDPAULY,M. 2014.High-contrastcomputationalcausticdesign.ACM Trans.Graph..)，利用光線折射得到想要的投影。
[0007] 但是，這些研究工作提出的技術必須依賴于昂貴的設備和特殊的材料，而我們提 出的方法則適用于所有標準3D打印技術。由于3D打印中普遍采用的樹脂打印材料（如 ABS和PLA材料）的透光率低、光傳播介質不均一導致材料的反光性和透光性差，基于表面 反射和折射的方法不能使用。
【發明內容】
[0008] 本發明提出了一種面向3D打印的半色調投影與模型生成方法，本方法通過控制 每個孔洞的位置、大小和長度，得到宏觀完整圖像的投影方法，該方法將圖像分為特征層和 色調層，對每層分別使用基于半色調的方法生成孔洞，最后將兩層融合并打印生成模型，在 整個過程中滿足可打印約束并保證投影圖像的對比度和投影灰度的連續性。
[0009] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0010] -種面向3D打印的半色調投影與模型生成方法，包括以下步驟：
[0011] (1)根據輸入參數，包括模型到光源的距離和模型到投影表面的距離，建立模擬投 影場景；
[0012] (2)對輸入圖像，生成保持原圖特征的特征層和色調層兩層圖像，計算相對應的半 色調分布，即特征層的半色調分布和色調層的半色調分布；
[0013] (3)對于特征層的半色調分布和色調層的半色調分布中的每個點，滿足打印的約 束條件下，根據該點的灰度值調整其半徑；
[0014] (4)融合兩半色調分布，得到整體圖像的半色調分布；
[0015] (5)對于得到的整體圖像半色調分布上的每個點，迭代計算其對應孔洞的長度；
[0016] (6)把計算得到的半色調分布和對應孔洞長度反投影到模型表面，在模型上生成 對應孔洞，并得到模型的三維網格表示。
[0017] 所述步驟（1)中，模擬投影場景的建立方法，具體包括以下步驟：
[0018] (1-1)建立全向發射光線的球形模擬光源；
[0019] (1-2)模型表面有大量朝向光源的孔洞，使用光線投射方法模擬光源發出光線通 過模型孔洞在投影表面形成光斑。
[0020] 所述步驟（2)中，特征層的半色調分布和色調層的半色調分布的計算方法為：
[0021] (2-1)將給定輸入圖像轉化為灰度圖像，使用邊緣檢測算法，計算其橫向縱向灰度 變化的梯度，由此提取特征輪廓，得到特征層；
[0022] (2-2)對特征層使用半色調方法沿特征線采樣，形成一系列排列緊密的半色調采 樣點，并為所有采樣點的半徑設置統一的初始值；
[0023] (2-3)抽取特征后的剩余圖像為色調層，為了提高投影后圖像的清晰度，在色調層 的基礎上增強其對比度；
[0024] (2-4)使用基于加權質心Voronoi圖的半色調算法，生成半色調分布，包括所有采 樣點的位置和半徑初始值。
[0025] 所述步驟（3)的具體方法為：根據計算機仿真的配置，計算所有點的最大半徑和 最小半徑作為打印性約束，并計算該點所在Voronoi多邊形單元平均灰度值，并將其映射 成為半徑。
[0026] 所述步驟（3)中，每一個點的最大半徑和最小半徑