[發(fā)明專利]一種面向切片數(shù)據(jù)的三維體積重構(gòu)方法

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• 申請日: 2022-06-16
• 公開（公告）號: CN114972674A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李義寶;高宇珂;宋昕
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10;G06T17/20
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發(fā)明公開一種面向切片數(shù)據(jù)的三維體積重構(gòu)方法，使用相場模型對模型切片數(shù)據(jù)進(jìn)行表示，生成具有空間網(wǎng)格信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；通過包括約束項(xiàng)的控制方程，根據(jù)具有空間網(wǎng)格信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，模擬任意兩個(gè)相鄰切片在體積重構(gòu)過程中的演變過程，計(jì)算t時(shí)刻切片與目標(biāo)切片相差的面積以及t時(shí)刻切片的面積，進(jìn)而得到第一時(shí)刻序列和第二時(shí)刻序列，對第一時(shí)刻序列和第二時(shí)刻序列進(jìn)行加權(quán)，獲得新的時(shí)刻序列，根據(jù)新的時(shí)刻序列選取切片數(shù)據(jù)，重構(gòu)三維體積，根據(jù)三維體積重構(gòu)結(jié)果，進(jìn)行鋪絲路徑規(guī)劃。該方法進(jìn)行三維重構(gòu)的體積表面光滑，形狀準(zhǔn)確，且可以保留更多細(xì)節(jié)。本發(fā)明可以以更低的計(jì)算成本、更快的速度重構(gòu)三維體積。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向切片數(shù)據(jù)的三維體積重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

物體三維重構(gòu)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(CAGD)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(CG)、計(jì)算機(jī)動畫、計(jì)算機(jī)視覺、和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的重要方法和核心技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)生成物體三維表示主要有兩類方法。一類是使用幾何建模軟件通過人機(jī)交互生成人為控制下的物體三維幾何模型，另一類是通過一定的手段獲取真實(shí)物體的幾何形狀。前者實(shí)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，現(xiàn)有若干軟件支持，比如：3DMAX、Maya、AutoCAD、UG等等，它們一般使用具有數(shù)學(xué)表達(dá)式的曲線曲面表示幾何形狀。后者一般稱為三維重構(gòu)過程，三維重構(gòu)是指利用二維投影恢復(fù)物體三維信息(形狀等)的數(shù)學(xué)過程和計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、點(diǎn)云拼接和特征分析等步驟。從二維序列切片數(shù)據(jù)重構(gòu)三維體積在當(dāng)下已受到極大關(guān)注，應(yīng)用于放射治療計(jì)劃、醫(yī)學(xué)圖像處理、手術(shù)計(jì)劃和醫(yī)學(xué)圖像著色等，十分廣泛。

除此之外，在基于自動鋪絲的復(fù)合材料制造工藝中，需要在給定的芯模表面進(jìn)行鋪絲路徑規(guī)劃，因此也需要將物理空間中的芯模在數(shù)字空間中進(jìn)行重構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一方面在于如何根據(jù)任意兩個(gè)相鄰切片的數(shù)據(jù)，對其中間的過度數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行填補(bǔ)，由于相鄰切片間的點(diǎn)并沒有對應(yīng)和鏈接關(guān)系，所以三維物體的重構(gòu)無法簡單地使用線性插值算法，所以如何基于一定的約束或演變規(guī)則，對空缺數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)成為一個(gè)關(guān)鍵問題。另一方面是，把重構(gòu)看做是相鄰兩切片間的形變無法完全解決切片方向信息缺失的問題，即從連續(xù)形變過程中不同的取樣規(guī)則將會造成不同的重構(gòu)結(jié)果，且不同切片間的形變過程也并不相同，所以如何根據(jù)形變的過程確定取樣規(guī)則，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效準(zhǔn)確的重構(gòu)，成為另一個(gè)關(guān)鍵性問題。

由于鋪絲過程是自動鋪絲設(shè)備在模具表面按照規(guī)劃的鋪絲路徑進(jìn)行絲束的輸送和剪切。因此，硬件設(shè)備的效率、可靠性、張力控制精度與定位精度對絲束的鋪放質(zhì)量有著十分重要的影響。而鋪絲路徑的質(zhì)量也決定著構(gòu)件最終力學(xué)性能和制造質(zhì)量，特別是對于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件而言，鋪絲路徑的優(yōu)劣往往能對鋪絲成型的效率、質(zhì)量以及成型結(jié)構(gòu)性能起到?jīng)Q定性作用。因此對模具表面鋪絲路徑規(guī)劃的研究具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種面向切片數(shù)據(jù)的三維體積重構(gòu)方法，該方法能夠快速而準(zhǔn)確地從一系列切片數(shù)據(jù)中使用包括約束項(xiàng)的控制方程進(jìn)行加權(quán)的三維(3D)體積重構(gòu)，在給定的芯模表面進(jìn)行更好更優(yōu)的鋪絲路徑規(guī)劃。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種面向切片數(shù)據(jù)的三維體積重構(gòu)方法，包括以下步驟：

1)使用相場模型對模型切片數(shù)據(jù)進(jìn)行表示，生成具有空間網(wǎng)格信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

2)通過包括約束項(xiàng)的控制方程，根據(jù)具有空間網(wǎng)格信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，模擬任意兩個(gè)相鄰切片在體積重構(gòu)過程中的演變過程，并在t時(shí)刻進(jìn)行抽樣，利用源切片形狀的相場函數(shù)和形狀的相場函數(shù)，計(jì)算t時(shí)刻切片與目標(biāo)切片相差的面積以及t時(shí)刻切片的面積；

3)根據(jù)t時(shí)刻切片與目標(biāo)切片相差的面積得到第一序列；根據(jù)t時(shí)刻切片的面積得到第二序列；