本发明涉及一种立体打印技术，尤其涉及一种立体打印方法及使用其的系统。
背景技术：
在现存的立体打印技术中，常见的作法是将利用电脑辅助设计(computer aided design,CAD)等软件所建构的立体物件模型切割为连续堆叠的多个薄横截面层，接着立体打印装置的打印头可依据立体物件模型所建构的空间座标(例如以X轴、Y轴及Z轴形成的空间)以在打印基座的上方沿着打印平面进行移动以及出料，以使成形材形成正确的横截面层形状。所沉积的成形材可通过自然硬化、或者通过加热或光源的照射而被固化，以形成所需的横截面层。因此，通过打印模块沿着成形轴(Z轴)逐层移动，即可使多个横截面层沿着成形轴(Z轴)逐渐堆叠，进而使成形材在逐层固化的状态下形成立体物件。
然而，现实中的物体的边缘是线性连续的，但立体打印所产生的立体物件由于采用薄横截面层的堆积方式，导致其边缘不一定连续。例如立体物件模型在沿Z轴的边缘具有斜度的场合下，若是将立体物件模型切割为多个横截面层的话，进行切割之后每个上下相邻的横截面层的边缘皆会有差异而非呈现为线性连续的斜度。当横截面层的厚度较厚时，还会出现肉眼可见的痕纹现象。
为了消除或改善此痕纹现象，在现有上常用的方法有斜率补偿法及高斯模糊法来补足横截面层的边缘部分。斜率补偿法为依据相邻的两个横截面层的边缘的连线斜率进行线性内插式的补偿，但同一横截面层中左右两端的斜率不一定一致，因此存在着补偿的量难以被决定的问题。高斯模糊法则是通过对每个横截面层的边缘部分进行高斯模糊运算，以使每个横截面层和与其相邻的横截面层之间的边缘差异降低，但会导致最终打印出来的立体物件与软件所建构的立体物件模型的差异变大。因此如何能在低失真前提下有效地改善此痕纹现象，仍是本领域开发人员的主要课题。
技术实现要素：
本发明提供一种立体打印系统及立体打印方法，可以降低对于立体打印物件边缘处的失真情形，有效地改善立体打印物件在成形轴(Z轴)的痕纹现象。
本发明的立体打印方法适用于立体打印装置，其包括以下步骤。将立体物件模型依据打印平面切割成多个子切层；合并相邻且为预定数量的所述子切层以产生多个灰阶切层；以及依据所述灰阶切层进行立体打印。
本发明的立体打印系统包括立体打印装置以及处理器，其中所述处理器耦接所述立体打印装置。处理器将立体物件模型依据打印平面切割成多个子切层，并且合并相邻且为预定数量的所述子切层以产生多个灰阶切层。所述立体打印装置依据所述灰阶切层进行立体打印。
基于上述，本发明实施例所述的立体打印系统及其方法可在对立体物件模型进行切割时，先以低于立体打印装置的预设图层的切割厚度的方式将立体物件模型模拟切割成多个子切层，再将数个子切层合并以产生与预设图层厚度相同的多个灰阶切层。如此一来，灰阶切层中的每个像素将会因上述合并动作而具有比预设图层厚度更为详细的物件厚度数据。换句话说，灰阶切层中每个像素的灰阶值会对应于所述像素在灰阶切层中的物件厚度数据。藉此，立体打印装置在逐层打印每个灰阶切层时，可以依据上述灰阶切层中每个像素的灰阶值对成形材的量或是固化照射光的强度进行控制，从而让位于灰阶切层边缘的成型料能够以少于物件中的量呈现，以平滑化打印出的各个横切面层之间的边缘差异，从而改善沿着成形轴(Z轴)的痕纹现象。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明一实施例所显示的立体打印系统的方块图；
图2是依照本发明一实施例的立体打印方法的流程图；
图3A至图3F是依照本发明一实施例对立体物件模型进行子切层切割并将这些子切层进行合并的示意图；
图4是依照本发明一实施例以将灰阶切层每个像素的灰阶值进行计算的流程图；
图5A至图5C是依照本发明一实施例将子切层合并为灰阶切层并决定其灰阶值的示意图。
附图标记说明：
100：立体打印系统
110：处理器
120：立体打印装置
S210～S240、S410～S490：步骤
300、500：立体物件模型
310、320、330：图层
341、342、351、352、361、362、501～505：子切层
340、350、360、510：灰阶切层
311、321、331、345、355、365：成形块
P1～P4：像素
具体实施方式
图1是依照本发明一实施例所显示的立体打印系统的方块图。请参照图1，立体打印系统100包括处理器110以及立体打印装置120。处理器110例如是中央处理器、绘图处理器、处理芯片等，其耦接至立体打印装置120。处理器110可具有2D及3D的图像处理能力，因为其可依据立体打印装置120所能处理的预设图层厚度，将由电脑辅助设计软件所建构的立体物件模型切割为多个图层，并以图像档案的方式输出，以做为立体打印装置120的输入图档。此种图档的格式例如是BMP点阵图档或例如是SVG向量图档。
立体打印装置120具有打印模块，此打印模块的应用技术类型例如是支援以打印喷头喷出成形材的“熔融沉积成形技术(FDM，Fused Deposition Modeling)”，或例如是支援以光照射模块将成形光图案照射在光固化树脂上使其成形的“数码光处理技术(DLP，Digital Light Processing)”等打印模块。这两种打印模块皆可接收灰阶图层来形成立体打印物件，并可依照每个像素的灰阶值而对应地调整成型材的浓度或是量值。立体打印装置120接收来自处理器110所输出的多个图像档案，通过打印模块将成形材依据这些图像档案个别分层打印以成为各个成形块，最终这些成形块沿着成形轴(Z轴)堆叠成为使用者想要的立体物件。本实施例所述的立体打印装置可由打印头、相应的打印平台以及相应的计算处理设备来实现。
图2是依照本发明一实施例的立体打印方法的流程图。请同时参照图1及图2，在步骤S210中，处理器110可决定子切层的合并数量M。M的代表意义为，在后续的步骤中，处理器110将会把每M个相邻的子切层合并以生成多数个灰阶切层。于本实施例中，上述的M可由使用者输入来获得、可由立体打印系统100中预设的数值来设定、也可由其他程序来动态地依据打印情形来设定。
若是依照立体打印装置120所能处理的预设图层厚度对立体物件模型进行切割，会产生N个图层。因此，在于步骤S220中，处理器110将切割厚度设定为立体打印装置120所能处理的预设图层厚度的M分之一，基于此厚度对立体物件模型进行切割，以产生M×N个子切层。在步骤S230中，处理器110将此每个相邻的N个子切层进行合并，以产生N个灰阶切层，并将这些灰阶切层以立体打印装置120能够识别及处理的多个图像档案格式输出给立体打印装置120。于步骤S240中，立体打印装置120基于对应此N个灰阶切层的这些图像档案，以其打印模块来进行立体物件的打印。
图3A至图3F是依照本发明一实施例对立体物件模型进行子切层切割并将这些子切层进行合并的示意图。图3A的立体物件模型300是一个由设计软件所建构出的三角体立体物件模型。图3B及图3C为一种立体物件模型的切层情形，而图3D至图3F则为符合本发明实施例的子切层以及合并后灰阶切层的适例情形。请先参照图3B及图3C，图3B中所显示的是对立体物件模型300进行预设图层切割的XZ平面侧视示意图，处理器110依据立体打印装置120所能处理的预设图层厚度，将立体物件模型300切割为3层，分别是图层310、图层320与图层330，图层310至图层330的厚度与立体打印装置120进行单次打印的预设图层的厚度相同。需要注意的是，此处仅用于说明本发明的实施例对立体物件模型进行切割时预设图层与子切层在厚度上的对照。在图3B中的各图层的实线部分为实际需要成形的部分，实线以外的部分则是实际不需要成形的部分。以图层310为例，其所对应到立体物件模型300的部分是该三角体的顶端，因此图层310需要成形的部分仅有图示中其右端一小部分的实线部分(如图3C的成形块311所示)。
图3C是立体打印装置依据图层310、图层320及图层330逐层打印后的成形材固化而堆叠形成立体物件的示意图。在图3C中，处理器110分别将图层310、图层320及图层330以立体打印装置120能够处理的图档格式汇出给立体打印装置120，立体打印装置120依据这些图档依序打印出成形块331、成形块321及成形块311以堆叠形成立体物件。成形块311、成形块321及成形块331并分别对应图层310、图层320及图层330。
请参照符合本发明实施例的图3D、图3E与图3F，图3D与图3E所显示的是对图3A的立体物件模型300进行子切层切割后合并为数个灰阶切层的XZ平面侧视示意图。在此实施例中，将子切层的合并数量M设定为2，而在图3中，已知依据立体打印装置120所能处理的预设图层厚度可将立体物件模型300切割为3个图层(也即，N为3)。因此，在图3D中，立体物件模型300将会被切割为6层(M为2且N为3)的子切层，分别是子切层341、子切层342、子切层351、子切层352、子切层361与子切层362。与图3B的显示方式相似，图3D中的各个子切层的实线部分为实际需要成形的部分，实线以外的部分则是实际不需要成形的部分。以子切层362为例，其所对应到立体物件模型200的部分是该三角体的底端，因此子切层362需要成形的部分为图示中大部分的实线部分，几乎占满整个子切层362。于本实施例中，M可为2以上的自然数。
处理器110可对相邻且为预定数量的子切层进行合并以产生数个灰阶切层，此处的预定数量(M)为2，也就是会将每两个相邻的子切层进行合并以产生灰阶切层。详细来说，本发明实施例中的灰阶切层的厚度与立体打印装置120进行单次打印的预设图层的厚度相同，又此实施例中将每两个相邻的子切层合并以成为灰阶切层，因此各个子切层341至子切层361的厚度为立体打印装置120预设图层厚度的二分之一。
图3E所显示的图层是经由合并图3D中的所有子切层所产生的数个灰阶切层的示意图。在此实施例中，子切层341与子切层342合并成为灰阶切层340，子切层351与子切层352合并为灰阶切层350，子切层361与子切层362合并成为灰阶切层360。如前所述，灰阶切层340、灰阶切层350及灰阶切层360的厚度分别与立体打印装置120进行单次打印的预设图层的厚度相同。
请继续参照图3E，处理器110将前述六个子切层两两合并以生成灰阶切层340、灰阶切层350及灰阶切层360，并将灰阶切层340、灰阶切层350及灰阶切层360以立体打印装置120能够处理的图档格式汇出给立体打印装置120。
接着请参照3F，图3F是立体打印装置依据灰阶切层340、灰阶切层350及灰阶切层360逐层打印后的成形材固化而堆叠形成立体物件的示意图。如前所述，处理器110将灰阶切层340、灰阶切层350及灰阶切层360以立体打印装置120能够处理的图档格式汇出给立体打印装置120，立体打印装置120依据这些图档打印出成形块345、成形块355及成形块365以堆叠形成立体物件，且成形块345、成形块355及成形块365分别对应灰阶切层340、灰阶切层350及灰阶切层360。
比较图3C与图3F中所打印出的立体物件可以看出，此两个立体物件在相当于立体物件模型300的三角体的斜边部分，在图3D至图3F的操作流程中通过先切割为厚度小于立体打印装置120所支援的预设图层厚度的子切层，然后再将这些子切层合并为灰阶切层的打印方式，对于立体物件的边缘处来说具有较佳的精细度。
需要注意的是，本实施例为了说明上的便利，因此采用了极少的切割层数，在实务上的切割层数会远大于本实施例的切割层数。且切割出的子切层的层数越多，打印出的立体物件在沿着成形轴(Z轴)方向上的边缘具有越佳的精细度。除此之外，例如成形块345是基于厚度与立体打印装置120所能处理的预设图层厚度相同的灰阶切层打印而得到，但其在成形轴(Z轴)方向上的厚度可以通过立体打印装置120所具备的打印模块的补偿而具有比预设图层厚度更低的厚度，本部分会在后面的段落详加说明。
图4是依照本发明一实施例以将灰阶切层每个像素的灰阶值进行计算的流程图。请参照图4，步骤S410开始对一个灰阶切层中的所有像素计算其灰阶值。在步骤S420中，由此灰阶切层中选择一个灰阶值尚未被确定的像素，将其灰阶值设为0并开始进行后续的计算。在步骤S430中，从合并成此灰阶切层的子切层中选出一个子切层。然后，进入步骤S440，检查所选的子切层中，对应于此像素的位置是否位于此子切层的部分立体物件模型当中。若该子切层对应此像素的位置位于此子切层的部分立体模型物件中(即，步骤S440的判断为“是”)，则从步骤S440进入步骤S450，将此像素的灰阶值递增1，然后进入步骤S460；若该子切层对应此像素的位置并不位于立体物件模型中(即，步骤S440的判断为”否”)，则从步骤S440进入步骤S460，不对此像素的灰阶值做出任何更动。
在步骤S460中，检查此灰阶切层中是否仍有其他未进行过上述步骤的子切层。若仍有其他未进行过上述步骤的子切层(即，步骤S460的判断为“是”)，则从步骤S460回到步骤S430重复以上步骤。若已没有其他未进行过上述步骤的子切层(即，步骤S460的判断为“否”)，代表已对所有子切层对应此像素的位置进行过检查，因此从步骤S460进入步骤S470，藉以确定此像素的灰阶值。在步骤S480中，检查此灰阶切层中是否仍有其他灰阶值尚未被确定的像素存在。若此灰阶切层中所有像素的灰阶值已被确定(即，步骤S480的判断为“否”)，则从步骤S480进入步骤S490，以结束对此灰阶切层中所有像素的灰阶值计算；若此灰阶切层中仍有其他灰阶值尚未被确定的像素存在(即，步骤S480的判断为“是”)，则从步骤S480回到步骤S420，选择一个灰阶值尚未被确定的像素并重复以上步骤。
图5A至图5C是依照本发明一实施例将子切层合并为灰阶切层并决定其灰阶值的示意图。请参照图5A，立体物件模型500是一个由设计软件所建构出的圆锥形状立体物件模型。此实施例中将立体物件模型500切割为若干个子切层，并将每五个相邻的子切层合并为一个灰阶切层，灰阶切层510为其中一个灰阶切层的举例。
图5B是灰阶切层510的左端部分的XZ平面侧视放大示意图，图5C中的灰阶图档520是由处理器110所产生的、通过合并子切层而得到的、对应于灰阶切层510的灰阶图档。请参照图5B，图5B中的灰阶切层510是由处理器110合并子切层501、子切层502、子切层503、子切层504及子切层505而得到。接着请参照图5C的灰阶图档520，由图上的座标轴可得知此图档相当于立体物件模型500所在的空间的XY平面的横截面，接下来对灰阶图档520的某一列最左端的四个像素P1、P2、P3及P4进行说明这些像素的灰阶值是如何被决定的。
首先选择像素P1进行其灰阶值的决定，像素P1是在灰阶图档520中该列最左端的像素，将其起始灰阶值设为0。接着逐一选择组成灰阶切层510的子切层，检查该子切层对应像素P1的位置是否位于立体物件模型500内，若有的话像素P1的灰阶值可以递增1。以像素P1来说，子切层501至子切层505对应其的位置皆未位于立体物件模型500中，因此最终像素P1的灰阶值为0。
接下来选择像素P2进行其灰阶值的决定，将其起始灰阶值设为0。接着逐一选择组成灰阶切层510的子切层，检查该子切层对应像素P2的位置是否位于立体物件模型500内，若有的话像素P2的灰阶值可以递增1。接着请参照图5B，首先检查子切层501，其对应像素P2的位置位于立体物件模型500内(图中的实线部分)。因此，像素P2的灰阶值递增1，使得像素P2的灰阶值为1。接着，检查子切层502，其对应像素P2的位置也位于立体物件模型500内，因此像素P2的灰阶值递增1，使得像素P2的灰阶值为2。接着，检查子切层503，其对应像素P2的位置并没有位于立体物件模型500内，因此像素P2的灰阶值维持在2。在此为了说明上的方便，对子切层504与子切层505的详细步骤省略，此两个子切层对应像素P2的位置皆没有位于立体物件模型500内，因此像素P2的灰阶值维持在2。至此，灰阶切层510已经没有其他未确定像素P2位置的其他子切层存在，因此像素P2的最终灰阶值为2。
接下来选择像素P3进行其灰阶值的决定，将其起始灰阶值设为0。接着逐一选择组成灰阶切层510的子切层，检查该子切层对应像素P3的位置是否位于立体物件模型500内，若有的话像素P3的灰阶值可以递增1。请参照图5B，首先检查子切层501，其对应像素P3的位置位于立体物件模型500内(图中的实线部分)，因此像素P3的灰阶值递增1，使得像素P3的灰阶值为1。接着检查子切层502，其对应像素P3的位置也位于立体物件模型500内，因此像素P3的灰阶值递增1，使得像素P3的灰阶值为2。接着检查子切层503，其对应像素P3的位置也位于立体物件模型500内，因此像素P3的灰阶值递增1，使得像素P3的灰阶值为3。在此为了说明上的方便，对子切层504与子切层505的详细步骤省略，此两个子切层对应像素P3的位置皆没有位于立体物件模型500内，因此像素P3的灰阶值维持在3。至此，灰阶切层510已经没有其他未确定像素P3位置的其他子切层存在，因此像素P3的最终灰阶值为3。
接下来选择像素P4进行其灰阶值的决定，将其起始灰阶值设为0。接着逐一选择组成灰阶切层510的子切层，检查该子切层对应像素P4的位置是否位于立体物件模型500内，若有的话像素P4的灰阶值可以递增1。请参照图5B，首先检查子切层501，其对应像素P4的位置位于立体物件模型500内(图中的实线部分)，因此像素P4的灰阶值递增1，使得像素P4的灰阶值为1。接着检查子切层502，其对应像素P4的位置也位于立体物件模型500内，因此像素P4的灰阶值递增1，使得像素P4的灰阶值为2。接着检查子切层503，其对应像素P4的位置位于立体物件模型500内，因此像素P4的灰阶值递增1，使得像素P4的灰阶值为3。在此为了说明上的方便，对子切层504与子切层505的详细步骤省略，此两个子切层对应像素P4的位置皆位于立体物件模型500内，因此像素P4的灰阶值总共递增2而变为5。至此，灰阶切层510已经没有其他未确定像素P4位置的其他子切层存在，因此像素P4的最终灰阶值为5。
如上所述，此立体打印方法以此方式对一个灰阶切层中的所有像素进行灰阶值的计算，直到此灰阶切层中已经没有未确定灰阶值的像素存在。接着处理器110便会将灰阶切层以立体打印装置120能够处理的图档格式汇出给立体打印装置120，以让立体打印装置120进行立体打印。
接下来说明立体打印装置120所具备的打印模块如何依据这些不同灰阶值打印出比立体打印装置120的预设图层厚度更低厚度的打印成形块，以对成形块之间的边缘差异进行补偿。
在本发明一实施例中，立体打印装置120所具备的打印模块所支援的是以打印喷头喷出成形材的“熔融沉积成形技术”，此种技术类似平面打印中的喷墨打印。此种打印喷头例如是气压式的，能够通过气压的调整控制成形材墨滴的喷出量，因此可以依据每个像素灰阶值的大小控制成形材墨滴的喷出量。例如5滴成形材墨滴固化后所形成的成形块厚度相当于立体打印装置120的预设图层厚度，则在图5C的例子中，灰阶切层510是经由五层子切层合并而得到，其像素的最大灰阶值是5，最小灰阶值为0，又灰阶切层510的厚度等同于立体打印装置120进行单次打印的预设图层厚度，因此打印喷头在打印像素P1时喷出0滴成形材，打印像素P2时喷出2滴成形材，打印像素P3时喷出3滴成形材，打印像素P4时喷出5滴成形材。藉此，便能使打印出的成形块的部份厚度低于立体打印装置120进行单次打印的预设图层厚度，进而达到成形块之间的边缘差异补偿效果。
在本发明另一实施例中，立体打印装置120所具备的打印模块所支援的是以光照射模块将成形光图案照射在成形材(如光固化树脂等)上使其成形的“数码光处理技术”。相较于熔融沉积成形技术中可通过控制打印喷头的气压以喷出不同量的成形材，数码光处理技术的场合，光照射模块可以依据灰阶切层中每一个像素灰阶值的不同控制对该像素所对应位置的光照射强度，以使经过照射的成形材固化后的成形块的部份厚度低于立体打印装置120进行单次打印的预设图层厚度，进而达到成形块之间的边缘差异补偿效果。值得一提的是，若实际上的立体物件模型的沿成形轴的边缘并不是规则或线性变化(例如前述的立体物件模型500其沿成形轴的边缘便是以固定斜率线性变化)，可以将所切割出的子切层依据其截面积进行排序后，再合并为灰阶切层，以维持所打印出的成形块的结构强度。而且，虽然此种补偿方法会造成处理器110所生成的灰阶切层中的子切层顺序不同，但最终所产生出来的灰阶图档仍会相同，与是否对子切层进行排序无关。
综上所述，本发明所提供的立体打印装置及其方法可在对立体物件模型进行切割时，以低于立体打印装置进行单次打印的预设图层的切割厚度的方式，将立体物件模型模拟式地先切割成多个子切层，再将数个子切层合并以产生与预设图层厚度相同的灰阶切层，通过计算灰阶切层中的每个像素的灰阶值，使灰阶切层中的每个像素具有比预设图层厚度更为详细的物件厚度数据。藉此，立体打印装置在逐层打印每个灰阶切层时，其所具备的打印模块可以依据上述灰阶切层中每个像素的灰阶值调整打印喷头所喷出成形材的量，或是光照射模块的固化光照射强度，以使成形材固化后的成形块在对应于灰阶切层边缘的部分能够以比预设图层厚度更小厚度来呈现，从而平滑化所打印出的各个横切面层之间的边缘差异，藉以改善沿着成形轴(Z轴)的痕纹现象。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定的为准。