面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法及系統(tǒng)，該方法通過對(duì)輸入的自定義三維模型進(jìn)行幾何與結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算得到適合打印立體二維碼的目標(biāo)區(qū)域，并通過透視投影變換將普通二維碼映射到目標(biāo)區(qū)域，隨后根據(jù)透視投影變換結(jié)果進(jìn)行凹陷操作在自定義模型表面生成立體的二維碼，最終，用戶使用單一屬性成型材料的3D打印機(jī)即可打印出包含立體二維碼的三維模型。

Method and system for generating custom model three-dimensional two-dimensional code for 3D printing

The invention discloses a system and a custom three-dimensional model of two-dimensional code generation method for 3D printing, the method of analysis of geometry and structure through a custom 3D model of the input, suitable for target area stereoscopic printing two-dimensional code is calculated, and the perspective projection transform ordinary two-dimensional code mapping to the target area, then according to the results of perspective projection transformation to sag operation to generate two-dimensional code, a three-dimensional model of surface in the custom 3D printer can print out the final, three-dimensional model contains three-dimensional two-dimensional code users using a single attribute of molding materials.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法及系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及一種面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
二維碼，又稱快速響應(yīng)碼，有比條形碼更強(qiáng)大的存儲(chǔ)信息的能力且可被快速解碼。目前移動(dòng)設(shè)備尤其是智能手機(jī)廣泛普及，其包含的掃碼軟件通過內(nèi)置攝像頭即可容易地解碼二維碼中包含的信息。因此，二維碼已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如信息獲取、廣告推送、手機(jī)電商、防偽溯源等。近年來，出于對(duì)二維碼美觀的考慮，Lin等人在2013年提出了美化二維碼的方法(Yi-ShanLin,Sheng-JieLuo,Bing-YuChen.2013.ArtisticQRCodeEmbellishment.ComputerGraphicsForum32,7,137–146)，該方法基于二維碼的容錯(cuò)特性，在保證其包含信息無誤的情況下，增加了顏色、標(biāo)簽、數(shù)字、圓角等美化效果。盡管目前二維碼有較多的效果，但其主要還是以二維形式存在于屏幕或印刷品上。隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)使用兩種顏色的材料打印在平面上的立體二維碼，但在任意曲面上表達(dá)的立體二維碼還未出現(xiàn)。傳統(tǒng)的二維碼識(shí)別只適用于平面二維碼，而由于空間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生畸變導(dǎo)致曲面上二維碼識(shí)別率較低，例如將二維碼直接粘貼或打印在曲面上，往往無法被掃碼軟件成功解碼。針對(duì)這一問題，Li等人在2013年提出了一種利用圖像邊緣檢測(cè)以及三維透視變換的解碼方案(LiXiaochao,ShiZhifeng,GuoDonghui.ReconstructAlgorithmof2DbarcodeforreadingtheQRcodeonCylindricalSurface[C]InternationalConferenceonAnti-Counterfeiting,SecurityandIdentification(ASID2013).2013:178-182)，先構(gòu)建曲面二維碼像素從二維圖像平面映射到三維圖像空間的變換矩陣，然后通過區(qū)域還原對(duì)曲面二維碼進(jìn)行校正從而重新構(gòu)建曲面上的二維碼，該方法適用于處理簡(jiǎn)單的柱面、球面等曲面，但無法適配到任意的三維模型，且依賴于具有校正功能的解碼器，因此，這種方法尚未應(yīng)用于目前的主流解碼器。另外，二維碼的解碼基于至少具有兩種顏色的高對(duì)比度圖像，目前主流的消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)只能打印單一屬性的材料，即只能提供單一顏色，并不能滿足解碼要求。綜上，如何在給定三維模型上生成二維碼，通過3D打印生成物理模型，并使現(xiàn)有的解碼器能對(duì)其直接解碼這一問題仍亟待解決。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)為了解決上述問題，提出了一種面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法及系統(tǒng)，該方法通過對(duì)輸入的自定義三維模型進(jìn)行幾何與結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算得到適合打印立體二維碼的目標(biāo)區(qū)域，并通過透視投影變換將普通二維碼映射到目標(biāo)區(qū)域，隨后根據(jù)透視投影變換結(jié)果進(jìn)行凹陷操作在自定義模型表面生成立體的二維碼，最終，用戶使用單一屬性成型材料的3D打印機(jī)即可打印出包含立體二維碼的三維模型。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法，包括以下步驟：步驟(1)：包括步驟(1-1)-步驟(1-3)；步驟(1-1)：輸入二維碼和自定義3D模型，對(duì)輸入的自定義3D模型進(jìn)行網(wǎng)格化和抽殼處理；步驟(1-2)：對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行幾何與結(jié)構(gòu)分析；步驟(1-3)：在自定義3D模型表面尋找適合打印立體二維碼的目標(biāo)區(qū)域；步驟(2)：采用透視投影變換方法將二維碼映射到目標(biāo)區(qū)域；步驟(3)：根據(jù)映射結(jié)果進(jìn)行凹陷操作，在自定義3D模型表面生成立體的二維碼；步驟(4)：將生成的含有立體二維碼的三維模型輸入至3D打印機(jī)中，并通過單一材料的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最后輸出帶有立體二維碼的3D實(shí)物。所述步驟(1-1)包括如下步驟：步驟(1-1-a)：使用基于Lloyd松弛的重采樣算法在自定義3D模型表面求得離散采樣點(diǎn)，通過3DDelaunay三角剖分方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的自定義3D模型的網(wǎng)格化；步驟(1-1-b)：使用基于水平集方法的具有特征保持的網(wǎng)格模型偏置算法對(duì)網(wǎng)格化處理后的模型進(jìn)行偏置處理，并對(duì)網(wǎng)格化處理后的模型和偏置后的模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，得到抽殼處理后的殼體。所述步驟(1-2)包括如下步驟：步驟(1-2-a)：設(shè)置3D打印機(jī)的打印精度P的初始值，得到目標(biāo)區(qū)域的最小面積Amin：Amin＝[(V-1)*4+21]*P其中V是輸入的二維碼的版本號(hào)，二維碼共有40個(gè)版本，版本1是由21*21個(gè)黑色或白色的正方形模塊構(gòu)成的矩陣，之后版本號(hào)每增加1，二維碼的每行每列均增加4個(gè)正方形模塊；步驟(1-2-b)：設(shè)定自定義3D模型的打印方向，以網(wǎng)格的每個(gè)三角面片為種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)張，尋找區(qū)域面積中所有三角面片的面積之和大于Amin的候選目標(biāo)區(qū)域，通過計(jì)算區(qū)域面積大于Amin的候選目標(biāo)區(qū)域與打印工作臺(tái)的平行程度，從而構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域與打印工作臺(tái)平行程度的能量函數(shù)Ep：其中M(λ11,λ12,λ13)為候選目標(biāo)區(qū)域中所有三角面片的平均單位法向量，λ11,λ12,λ13分別為候選目標(biāo)區(qū)域中所有三角面片的平均單位法向量在x、y和z三個(gè)方向的分量，N(λ21,λ22,λ23)為打印工作臺(tái)的單位法向量，λ21,λ22,λ23分別為打印工作臺(tái)的單位法向量在x、y和z三個(gè)方向的分量；步驟(1-2-c)：通過計(jì)算網(wǎng)格化處理后自定義3D模型候選目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的所有三角面片上每個(gè)頂點(diǎn)的曲率加權(quán)平均得到候選目標(biāo)區(qū)域的平均曲率，從而構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域平滑程度的能量函數(shù)Es：Es＝∫∫D(||I(u,v)||F2+||II(u,v)||F2)dudv其中D為候選目標(biāo)區(qū)域，I(u,v)為曲面的第一基本形式，II(u,v)為曲面的第二基本形式，||·||為范數(shù)；u、v為候選目標(biāo)區(qū)域參數(shù)化后的曲面坐標(biāo)分量；步驟(1-2-d)：構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域可見性的能量函數(shù)Ev：其中T為候選目標(biāo)區(qū)域三角面片的集合，ti為T中任意一個(gè)三角面片，V(ti)為用戶根據(jù)ti滿足二維碼可見性要求的程度自定義的數(shù)字標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，ti越滿足可見性要求，V(ti)的值越小。可見性由用戶自定義，用以衡量自定義模型上立體二維碼是放置在最不顯著的位置、比較不顯著的位置還是最顯著的位置。三維模型上各個(gè)位置的顯著性可以通過基于環(huán)境遮擋(AmbientOcclusion)的可見性計(jì)算方法得到，生成每個(gè)三角面片基于顯著性的在[0,1]范圍內(nèi)的數(shù)字標(biāo)簽，最不顯著的位置為0，最顯著的位置為1。步驟(1-2-e)：構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域是否位于輸入的自定義3D模型功能區(qū)的能量函數(shù)Ef：其中T為候選目標(biāo)區(qū)域三角面片的集合，ti為T中任意一個(gè)三角面片，若ti位于用戶在3D模型表面自定義的功能區(qū)內(nèi)，則F(ti)＝1；否則F(ti)＝0；功能區(qū)由用戶自定義的區(qū)域，例如：門的把手區(qū)域?yàn)楣δ軈^(qū)，默認(rèn)功能區(qū)不適合作為候選目標(biāo)區(qū)域；所述步驟(1-3)包括如下步驟：選擇使得能量函數(shù)E最小的候選區(qū)域作為最終的目標(biāo)區(qū)域D：E＝λpEp+λsEs+λvEv+λfEfλp是分別為衡量目標(biāo)區(qū)域與打印工作臺(tái)平行程度的能量函數(shù)Ep的權(quán)重值；λs是分別為衡量目標(biāo)區(qū)域平滑程度的能量函數(shù)Es的權(quán)重值。λv是分別為衡量目標(biāo)區(qū)域可見性的能量函數(shù)Ev的權(quán)重值。λf本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法，其特征是，包括以下步驟：步驟(1)：包括步驟(1?1)?步驟(1?3)；步驟(1?1)：輸入二維碼和自定義3D模型，對(duì)輸入的自定義3D模型進(jìn)行網(wǎng)格化和抽殼處理；步驟(1?2)：對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行幾何與結(jié)構(gòu)分析；步驟(1?3)：在自定義3D模型表面尋找適合打印立體二維碼的目標(biāo)區(qū)域；步驟(2)：采用透視投影變換方法將二維碼映射到目標(biāo)區(qū)域；步驟(3)：根據(jù)映射結(jié)果進(jìn)行凹陷操作，在自定義3D模型表面生成立體的二維碼；步驟(4)：將生成的含有立體二維碼的三維模型輸入至3D打印機(jī)中，并通過單一材料的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最后輸出帶有立體二維碼的3D實(shí)物。

【技術(shù)特征摘要】
1.面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法，其特征是，包括以下步驟：步驟(1)：包括步驟(1-1)-步驟(1-3)；步驟(1-1)：輸入二維碼和自定義3D模型，對(duì)輸入的自定義3D模型進(jìn)行網(wǎng)格化和抽殼處理；步驟(1-2)：對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行幾何與結(jié)構(gòu)分析；步驟(1-3)：在自定義3D模型表面尋找適合打印立體二維碼的目標(biāo)區(qū)域；步驟(2)：采用透視投影變換方法將二維碼映射到目標(biāo)區(qū)域；步驟(3)：根據(jù)映射結(jié)果進(jìn)行凹陷操作，在自定義3D模型表面生成立體的二維碼；步驟(4)：將生成的含有立體二維碼的三維模型輸入至3D打印機(jī)中，并通過單一材料的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，最后輸出帶有立體二維碼的3D實(shí)物。2.如權(quán)利要求1所述的面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法，其特征是，所述步驟(1-1)包括：步驟(1-1-a)：使用基于Lloyd松弛的重采樣算法在自定義3D模型表面求得離散采樣點(diǎn)，通過3DDelaunay三角剖分方法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的自定義3D模型的網(wǎng)格化；步驟(1-1-b)：使用基于水平集方法的具有特征保持的網(wǎng)格模型偏置算法對(duì)網(wǎng)格化處理后的模型進(jìn)行偏置處理，并對(duì)網(wǎng)格化處理后的模型和偏置后的模型進(jìn)行布爾差運(yùn)算，得到抽殼處理后的殼體。3.如權(quán)利要求1所述的面向3D打印的自定義模型立體二維碼生成方法，其特征是，所述步驟(1-2)包括：步驟(1-2-a)：設(shè)置3D打印機(jī)的打印精度P的初始值，得到目標(biāo)區(qū)域的最小面積Amin：Amin＝[(V-1)*4+21]*P其中V是輸入的二維碼的版本號(hào)，二維碼共有40個(gè)版本，版本1是由21*21個(gè)黑色或白色的正方形模塊構(gòu)成的矩陣，之后版本號(hào)每增加1，二維碼的每行每列均增加4個(gè)正方形模塊；步驟(1-2-b)：設(shè)定自定義3D模型的打印方向，以網(wǎng)格的每個(gè)三角面片為種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)張，尋找區(qū)域面積中所有三角面片的面積之和大于Amin的候選目標(biāo)區(qū)域，通過計(jì)算區(qū)域面積大于Amin的候選目標(biāo)區(qū)域與打印工作臺(tái)的平行程度，從而構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域與打印工作臺(tái)平行程度的能量函數(shù)Ep：其中M(λ11,λ12,λ13)為候選目標(biāo)區(qū)域中所有三角面片的平均單位法向量，λ11,λ12,λ13分別為候選目標(biāo)區(qū)域中所有三角面片的平均單位法向量在x、y和z三個(gè)方向的分量，N(λ21,λ22,λ23)為打印工作臺(tái)的單位法向量，λ21,λ22,λ23分別為打印工作臺(tái)的單位法向量在x、y和z三個(gè)方向的分量；步驟(1-2-c)：通過計(jì)算網(wǎng)格化處理后自定義3D模型候選目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的所有三角面片上每個(gè)頂點(diǎn)的曲率加權(quán)平均得到候選目標(biāo)區(qū)域的平均曲率，從而構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域平滑程度的能量函數(shù)Es：Es＝∫∫D(||I(u,v)||F2+||II(u,v)||F2)dudv其中D為候選目標(biāo)區(qū)域，I(u,v)為曲面的第一基本形式，II(u,v)為曲面的第二基本形式，||·||為范數(shù)；u、v為候選目標(biāo)區(qū)域參數(shù)化后的曲面坐標(biāo)分量；步驟(1-2-d)：構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域可見性的能量函數(shù)Ev：其中T為候選目標(biāo)區(qū)域三角面片的集合，ti為T中任意一個(gè)三角面片，V(ti)為用戶根據(jù)ti滿足二維碼可見性要求的程度自定義的數(shù)字標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，ti越滿足可見性要求，V(ti)的值越小；步驟(1-2-e)：構(gòu)造衡量目標(biāo)區(qū)域是否位于輸入的自定義3D模型功能區(qū)的能量函數(shù)Ef：其中T為候選目標(biāo)區(qū)域三角面片的集合，ti為T中任意一個(gè)三角面片，若ti位于用戶在3D模型表面自定義的功能區(qū)內(nèi)，則F(ti)＝1；否則F(ti)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：呂琳，劉霖，彭昊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東,37