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复杂表面3D打印数据获取方法

发布时间:2017-12-07 09:03:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:复杂表面;藏族工艺品;3D打印;数据采集
    DOIDOI:10.11907/rjdk.171640
    中图分类号:TP392
    文献标识码:A 文章编号:1672-7800(2017)006-0155-04
    0 引言
    以数字模型为基础,不用大规模投入生产线就可快速生成3D物品外形的3D打印技术逐渐被人们重视,典型代表是1995年美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权开发的3D打印机。在过去的20多年时间里,3D打印技术出现了质的飞跃,其应用领域已从普通的工业生产领域逐渐推广到医疗、军事、航空、文化遗产、旅游产品开发等应用领域,其特征体现为少量生产、个性定制和样品研发等,特别是对一些特征鲜明、举世稀缺的复杂珍贵物品进行高精度复制有着独特的技术优势。
    目前已有将3D打印技术应用于表面相对光滑、结果简单的工艺品事例[1-4]。三维数字化设备主要以非接触式光学扫描为主,其基本原理是向目标发射特定光线,然后通过其传感器接收反射光进行数字化处理,具体体现为以普通光学为主的结构光学数字化、以激光+照相为主的复合光学数字化技术,前者可自动进行对齐和配准完成数字化过程,后者往往需要人工进行对齐和配准。从数字化效果来看,采用激光进行数字化精度相对较高,但两者在数字化过程中均是通过反射光进行数字化,对那些表面相对复杂、具有明显遮挡的物品难以进行高精度数字化。图1为表面复杂藏族工艺品,利用Artec M型结构光扫描仪扫描后出现图2所示的数据严重缺损现象。在表面相对光滑且发生镜面反射或透射情形时,由于仪器接收传感器均在同侧而无法获取任何反射光,结果出现数字化失败。图3是实验采用的一个镀铜香炉,图4是利用Artec M型结构光扫描仪数据获取失败的案例。目前对表面发生镜面反射或透射现象进行数字化时,往往通过给其表面撒上微小粉末状物质使其发生漫反射,此类方法显然对珍贵物品不适合,而对那些表面结构相对复杂,具有明显遮挡的物品,目前还没有专门设备来实现数字化。
    医用X射线CT设备是利用不同物质对X射线的衰减率不同,通过特定算法实现人体指定器官或部位的断层数据形成图像数据,然后以该图像数据作为输入基础,根据不同应用目标来设计算法进行三维数字建模与可视化的技术,广泛应用于医学辅助诊疗等领域。从理论上来看,X射线CT设备对于一般物品的数字化仅仅与其所构成的材质有关,与物体表面复杂程度无关,因此,可用其解决普通光学仪器数据采集遮挡和透射问题。材质与密度直接相关,本文在考虑材质差异时,主要以密度作为衡量标准。
    医用X射线CT设备空间精度可达到亚毫米级,完全可以满足3D打印技术要求。由于知识版权保护等因素,通过医用X射线CT设备虽然在视角上可以三维重建和可视化,但却无法导出3D三角化后的模型数据;有时虽然实现了视角的三维可视化,但数据本身没有进行三角化处理,无法被3D打印机使用。本文针对表面相对复杂的物品,给出扫描参数设计策略和原则,通过在Visual C++6.0环境下编译好的visualization toolkit (VTK)5.8开源包[7]来编程,解决上述问题。
    1 表面复杂物品扫描参数设计
    扫描参数的设计直接关系着数据空间精度和数据处理难度,需要考虑诸多因素。普通的医学X射线CT检查,需要针对病人患病部位详细设计,考虑扫描类型、曝光条件、视野、图像矩阵大小、准直参数、层厚、层距、重建间隔、螺距以及重建算法等因素[5]。对于表面复杂、具有明显遮挡关系物品的X射线CT扫描设计,基本原则是尽可能实现高精度的空间数字化,同时要考虑CT机球管的瞬时电压、电流等因素。扫描参数可简化为采集层厚、层距和图像矩阵3个。扫描方式一般采用螺旋扫描,扫描视野为使被扫描物体尽可能占满视区;球管电压一般采用120KV;图像矩阵一般为512×512大小,颜色深度有效位为12位。X射线剂量一般与采集对象密度成正比,根据经验设置。为了降低图像分割难度,在采集对象四周不要有其它物品。如果不得不与其它物品接触,也尽量采用密度差异明显的材料。例如,对于图1所示的藏族工艺品,其材质均匀,密度接近于骨质,设计一组扫描参数如表1所示,或者在医用CT机上采用人体头部模版参数,在固定时采用轻质尼龙材质。
    2 数据采集
    数据采集参数设定后即可设定数据采集参数模版。CT机控制移动时需要将物品固定在扫描架上快速进行数据采集处理,利用CT机进行图像数据重建,使其空间精度尽可能高,目前可以达到的空间精度为0.5mm;然后通过医学影像工作站进行dicom 3.0格式图像数据导出,或者烧录光盘以备程序使用。图5是将图1所示的工艺品在表格1参数下,在GE 64排螺旋CT设备上扫描后的部分数据截图。
    3 数据模型文件生成
    使用dicom 3.0数据进行表面重建,通过Marching Cubes(MC)算法实现[6]。MC算法是将CT切片数据堆积成一个三维空间的数据场,逐个处理数据场中的立方体,找出与等值面相交的立方体,采用线性插值计算出等值面与立方体边的交点。根据立方体每一顶点与等值面的相对位置,将等值面与立方体边上的交点按一定方式连接生成等值面,作为等值面在该立方体内的一个逼近表示。从工程设计和数据处理效率来看,VTK集成的Marching Cubes算法效率较高,可以根据重建效果灵活调整相关参数。它是一个开源的免费软件开发包,借助于自身所支持的CMake跨平台编译器,比较容易地生成支持多种编程语言环境的开发包,目前32位稳定版本为VTK5.8。本文就是在Windows 7 32位中文专业版操作系统下,基于VTK5.8开发包在Visual C++ 6.0环境下�译生成3D打印机使用的STL格式文件。
         3.1 定�x数据读取
    3.4 生成模型文件
    利用上述代码,在电脑上配置好VTK5.8所必需的开发环境,将CT机所导出的符合dicom 3.0规范的数据存放在指定磁盘路径上。本文所列的主要代码存放于F盘的SE0目录下,同时设定好输出的stl文件名称,如本文代码设置的文件名为printed3d.stl;然后编译运行上述代码即可完成数据生成。图6是在上述环境下生成的三维数据几个视角截图。在程序设计时,需要多次根据显示效果调整其对应的光滑参数和面显示参数。
    4 3D打印机分层软件转化和打印输出
    考虑到后期制作的经济性,本文使用PLA材料在makerbot Z18型 3D打印机上完成数据最终的打印工作。首先将数据导入到该打印机所带的分层软件MakerBot Desktop 2.1中,如图7所示,设置好尺寸和填充百分比。本文打印与原品大小一致,填充比率为20%,经过分层转化成该打印机可以直接使用的数据后打印输出。图8是去掉支持材料后的3D打印成品。
    5 人工绘制彩色
    为了更好地显示效果,需要给打印的成品参照工艺品原件进行人工涂色。由于采用PLA材质,普通水性颜料很难附着上色和长久保存,因此给彩色颜料适当加入粘性液体,使其能快速附着到打印件上。图9是人工上色后的效果图。
    6 结语
    针对普通光学难以实现表面复杂藏族工艺品数字化模型的问题,从理论上分析了获取数据缺损或失败的原因,提出了以医用CT设备对此类物品进行数字化的策略、方法和原则。以VTK5.8为主要开发包,以Visual C++ 6.0为程序开发语言,实现了利用CT切片进行重构的模型数据,给出主要的程序代码并利用3D打印机进行了验证,最后经过人工着色得到了很好的效果。实验证明本文方法可行。由于从CT数据重建得到的是物品的几何信息,颜色信息完全丢失,因此今后的工作首先应设法获取或生成物品表面彩色纹理信息,然后与CT建模数据进行配准融合,这样可大大减少人工参与量,在全彩色3D打印工程中应用。
    参考文献:
    [1]张盼盼,蒋正清.基于3D 打印云平台的旅游纪念品开发设计[J].设计,2015(4):20-21.
    [2]王忠宏,李扬帆,张曼茵.中国3D 打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横,2013(1):90-93.
    [3]李小丽,马剑雄,李萍,等.3D 打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014(1):1-5.
    [4]卢秉恒.激光快速原型制造技术的发展与应用[J].航空制造工程,1997(7):15-18.
    [5]于兹喜.医学影像检查技术学[M].北京:人民卫生出版社,2010.
    [6]LORENSEN W E,CLINE H E.Marching cubes:a high-resoulution 3D suface construction algorithm[J].Computer Graphics,1987,21(4):163-169.
    [7]张晓东,罗火灵.VTK图形图像开发进阶[M].北京:机械工业出版社,2015.
    (责任编辑:杜能钢)
    英文摘要Abstract:In order to obtain the digitization of the complex surface about the Tibetan handicrafts,computer tomography (CT)as the device to obtain data which can overcome the disadvantages of digital optical equipment for high spatial resolution currently.Strategy and principle of acquisition about parameters are designed while using Visualization Toolkit 5.8 (VTK5.8)as the underlying program development package,main code in Visual C++ 6 being presented to obtain the surface reconstruction of the data file and use the data to achieve a realistic output of the 3D print,then restored its color surface using the method of manual drawing by being refered to the original item photos in the paper.The correctness and effectiveness of the methods is proved by comparing the original and copy respectively.
    英文关键词Key Words:Complex Surface; Tibetan Arts and Crafts; 3D Printing;Data
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