通过数控工具制造三维物体的方法与流程

本发明涉及数控工具领域，更具体地说涉及一种通过数控工具制造三维物体的方法。

背景技术：

1、在三维物体(即实物)制造领域中，通常的使用数控工具，如三维打印机、挤出机或二维切割机。数控工具是指一种机床，其运动由计算机根据三维物体的计算机模型进行控制。因此，计算机模型相当于一系列指令，其允许数控工具制作三维物体。

2、制作上述计算机模型有多种可能的解决方案。

3、在三维打印机的例子中，第一种解决方案是从打印机供应商提供给使用者的数字图书馆中直接选择预定义的计算机模型。这种解决方案实施起来简单快捷，但使用者无法定制三维物体的形状。换句话说，使用者无法选择三维物体的细节，只能制作具有预定义形状的三维物体。

4、第二种解决方案是通过安装在计算机上的特定软件创建计算机模型。这样，使用者自己创建所需的计算机模型。不过，这种解决方案要求使用者具备高的计算机知识水平。这是因为使用者必须执行多个计算机操作，以将在纸张等物理载体上实现的所需三维物体的图纸转换为计算机模型，该计算机模型能够转换为数控工具的指令。例如，使用者必须通过例如照相或扫描设备制作图画的数字图像，然后在照片编辑软件中在数字图像上将图画的轮廓从纸的背景中分离出来。然后，必须在三维建模软件中将该轮廓转换成虚拟的三维物体，最后在三维打印准备软件中对该三维物体进行调整，以获得计算机模型，该计算机模型将供数控工具使用。

技术实现思路

1、本发明的目的是弥补上述缺点的全部或一部分，特别是通过提出一种通过数控工具制造三维物体的方法，以便于待制造的三维物体的形状的定制，该方法包括：

2、-制作包含至少一个封闭轮廓的图画的数字图像的制作步骤，所述图画是在二维空间中延伸的物理载体上制作的，所述物理载体在确定的照明下具有基本一致的外观；

3、-数字图像的像素的分组步骤，所述分组步骤包括：初始化阶段，其中确定与图画相对应的具象中心和与物理载体相对应的至少一个背景中心；以及使用阶段，其中使用无监督数据分割方法，以获得与图画相对应的第一组像素和与物理载体相对应的、与第一组像素不同的至少一组第二组像素；

4、-第一组像素的提取步骤，以获得图画的至少一个轮廓；

5、-确定步骤，其中对至少一个轮廓应用定义至少一种轮廓属性的策略，以确定在二维空间中延伸的结构平面，每个轮廓与至少一种属性相关联；

6、-结构平面的离散化步骤，以表示结构平面的内表面；

7、-计算机处理步骤，包括沿结构平面所延伸的二维空间的法向轴线挤出，以表示三维虚拟物体；

8、-结合内表面和三维虚拟物体创建计算机模型的创建步骤；

9、-通过由计算机模型控制的数字工具制造三维物体的制造步骤。

10、本发明适用于任何数控工具，尤其适用于任何食品数控工具，即配置为制造可食用的三维物体。

11、三维物体是指具有给定非零厚度、长度和宽度的真实实物。

12、使用根据本发明的制造方法的使用者首先取一个物理载体，如一张纸。该物理载体具有在二维空间中延伸的长度和宽度。二维空间表示使用者将在其上绘制图画的背景。

13、背景具有基本均匀的外观，即在确定的照明条件下观看，背景基本均一，且没有使用者可见的不等或粗糙。使用者观看背景时的照明会影响其外观。事实上，照明必然引起在所述背景上反射出背景在物理上所处的环境的颜色，从而在环境的颜色中看到一张完全均匀的白纸。例如，放置在红色房间里的白纸将会因为房间的红色在白纸上的反射而被看成略带红色。根据本发明，对于给定的照明，背景的颜色是基本上均一的，没有使用者可见的不等或粗糙。因此，无论它放置在什么环境中，所使用的背景都是大体上基本平滑和基本单色的。

14、然后，使用者在背景上描绘图画，该图画表示按照所述三维物体在平面上的投影所看到的三维物体。图画必然包括在背景上延伸、因而在二维空间中延伸的至少一条线。在二维空间中，线有长度和粗细。

15、将轮廓定义为分隔两个区域的一维数学对象。轮廓由一个长度和两个端点定义。轮廓没有物理现实性，无法用物理方式表示。当轮廓的两端点重合时，轮廓是封闭的，而当轮廓的两端点不同时，轮廓是开放的。封闭的轮廓界定内部区域。

16、每条线对应于一个或两个轮廓。事实上，线本身通过其粗细表示不同于背景区域的区域。因此，当图画包括开放的、因此两端不接触物理载体边缘的单个线时，例如表示位于纸张中间的直线段的线，则图画包括围绕所述线的单个封闭轮廓。当图画包括单个封闭线时，例如代表圆的线，则图画包括第一封闭轮廓和第二封闭轮廓，第一封闭轮廓在线的外侧环绕所述线，第二封闭轮廓在线的内侧环绕所述线。因此，该图画定义了三个不同的区域：圆外的第一区域、线的粗细范围内的第二区域和圆内的第三区域。

17、然后，使用者通过电脑、手机或任何其他数字装置实施所述方法。该方法可以采用网站或安装在数字装置上的应用程序的形式。

18、该方法首先执行制作步骤，其中通过数字复制工具如拍摄设备、相机或扫描仪制作图画的数字图像。数字图像是一组或一幅像素，每个像素由一定数量的属性限定，特别是其在图像中的位置及其颜色。

19、在此数字图像的基础上，该方法执行分组步骤，其目的是自动(即无需使用者干预)区分数字图像的像素，以获得与图画相对应的第一组像素和与物理载体(即背景)相对应的不同于第一组像素的至少一组第二组像素。

20、分组步骤包括初始化阶段，其中将第一像素定义为与图画相对应的具象中心，并将至少一个第二像素定义为与物理载体相对应的背景中心。可以将多个像素定义为背景中心。

21、根据一个实施方案，第一像素和第二像素从数字图像的像素中任意选择。

22、然后，分组步骤包括使用阶段，其中使用无监督数据分割方法对数字图像的像素进行分类，以获得与图画相对应的第一组像素和与物理载体相对应的至少一组第二组像素。因此，无监督数据分割方法将数据分为共享共同特征的各个子集。

23、使用阶段的无监督数据分割方法适用于数字图像的第一组像素和数字图像的与第一组像素不同的至少一组第二组像素这一事实允许处理数字图像的所有像素。

24、对数字图像的所有像素的考虑允许改善方法的性能，并忽略数字复制工具的校准和物理载体上由于照明造成的颜色差异。

25、该方法然后执行提取步骤，其中将第一组像素分离出来，以获得至少一个图画轮廓。

26、然后，该方法将确定步骤过程中定义至少一个轮廓属性的策略应用于至少一个轮廓。该策略是在该步骤之前确定的。该策略是一组规则，其定义与图画无关，因此也与要制造的三维物体无关。该策略具有通用性，并可应用于大量图画。在确定步骤之后，将至少一个轮廓与至少一个属性相关联，从而形成待制造的三维物体的结构平面。结构平面在二维空间中延伸，在该二维空间中所述至少一个轮廓延伸。

27、从结构平面开始，离散化和计算机处理步骤依次或并行执行。

28、结构平面的离散化步骤包括对至少一个轮廓应用已知方法，以获得至少一个轮廓的内表面。换句话说，离散化步骤将轮廓分解成多个已知的几何形状(三角形、正方形等)。

29、计算机处理步骤包括沿结构平面所延伸的二维空间的法向轴并按照轮廓的至少一个属性进行挤出，以表示一个三维虚拟物体。轮廓的属性表示要进行的挤出，例如挤出的高度。

30、创建步骤将之前获得的三维虚拟物体和内表面结合起来，以创建计算机模型。

31、然后，在制造步骤过程中通过计算机模型控制数字工具，以制造三维物体。

32、根据本发明的方法只需要由使用者创建图画的数字图像。然后自动获得计算机模型。因此，该方法特别简单易用，无需计算机知识。

33、使用者因此可以简单地通过图画定制要制造的三维物体的形状。这样，该方法允许使用者的创造力容易地表达出来。

34、最后，就时间和计算资源而言，本发明的方法特别经济。该方法不需要任何特定的硬件，例如大量内存。

35、根据一个实施方案，由数字图像进行计算机建模的时间少于10秒、5秒或优选1秒。

36、本发明还可以单独或组合地具有以下一个或多个特征。

37、根据一个实施方案，数字图像的像素在至少五个维度上进行编码，包括至少三个色度坐标(优选使用称为lab的方法)和至少两个几何坐标。

38、每个像素由至少三个色度坐标定义。这些坐标代表使用者对像素的感觉，如像素的颜色和亮度。存在多种色度坐标方法，如rgb、hls或cmyk。优选的是，根据本发明的方法使用lab方法，该方法根据两个垂直矢量来描述亮度和颜色。lab方法允许精细描述视觉感知。对于数字图像的每个像素定义这些分量中的每一个。

39、每个像素由至少有两个几何坐标定义。这些坐标表示像素在数字图像所处的二维空间中的定位。优选的是，本发明使用一个横坐标和一个纵坐标。

40、根据一个实施方案，初始化阶段分析位于数字图像边缘上的至少一个像素的色度坐标，以确定至少一个背景中心的色度坐标。

41、根据本发明的方法确定一个像素作为背景中心，以便初始化分组步骤。作为上述任意选择的替代方案，背景中心是与特定色度坐标相关联的像素，例如位于数字图像边缘上的像素的色度坐标。实际上，很可能在数字图像的中心进行绘图，因此位于边缘上的像素代表数字图像的背景。

42、背景中心可具有对应于例如位于数字图像边缘上的所有像素的色度坐标的平均值的色度坐标。这样，该方法考虑到了背景所反映的环境颜色。

43、根据一个实施方案，初始化阶段分析数字图像的编码像素的色度坐标，以便通过主成分分析，确定色度坐标与具象中心相关联的第一极值和色度坐标与至少一个背景中心相关联的第二极值。

44、为了改进分组步骤的初始化，从而改进其执行速度，初始化阶段使用主成分分析法。

45、根据一个实施方案，初始化阶段确定具象中心具有与数字图像的几何中点相对应的几何坐标。

46、由于很有可能在数字图像的中心进行绘图，因此采用位于数字图像的中心的具象中心进行分组步骤的初始化是有益的。在获取数字图像时，引导使用者使用白色轮廓。如果使用者不遵守这一指示，其图画的一部分被忽略。鉴于处理速度快，使用者被要求以优化为目的重复获取数字图像。

47、根据一个实施方案，初始化阶段确定至少两个背景中心，或至少五个背景中心，或优选八个背景中心。

48、如果在初始化阶段过程中确定了多个背景中心，那么在使用阶段确定相同数量的背景中心再加上一个具象中心。

49、提供多个背景中心允许更好地考虑由背景反射的颜色差异。

50、根据一个实施方案，背景中心分布在以数字图像的几何中点为中心的规则多边形上。

51、根据一个实施方案，背景中心分布在数字图像的边缘上。

52、根据一个实施方案，背景中心按均匀随机律分布在数字图像中。

53、因此，对于矩形纸张，可以在数字图像的每个角和图像的每个边缘中心(与纸张的边缘相对应)设置一个背景中心。

54、背景中心在明确的点上初始化，这些点与在白色背景和规则多边形上的捕捉选择一致。

55、根据一个实施方案，无监督数据分割方法使用k-means或k-medoids算法。

56、k-means算法也被称为"动态再分配分类法"、"lloyd-max量化算法"或"k-均值"。

57、根据一个实施方案，离散化步骤使用一种称为"ear clipping"的三角测量法。

58、当要离散化的轮廓具有任何形状(凸形、凹形或单调形)时，ear clipping法尤其有效。

59、根据一个实施方案，该方法在确定步骤之前包括策略步骤，其中策略从预定策略或可定制策略中选择。

60、根据一个实施方案，该策略包括高度属性。

61、根据一个实施方案，该策略还包括至少一个轮廓的材料属性和/或质地属性和/或颜色信息和/或定位信息。

62、因而，该策略对于轮廓根据其相对于其他轮廓及其所定义区域的相对位置，指出该区域应使用哪种材料、按照哪种质地(例如光滑或粗糙)以及按照哪种颜色制作。

63、根据一个实施方案，高度属性对应于挤出时间。

64、在诸如挤出机的数控工具的情况下，物体的高度由挤出时间表示。

65、根据一个实施方案，高度属性对应于层数。

66、在诸如二维切割机的数控工具的情况下，物体的高度由层数表示。

67、根据一个实施方案，该方法包括图像处理步骤，其中实现数字图像的颜色。

68、图像处理步骤在分组步骤之前进行，以便能够考虑在深色物理载体上用浅色墨水绘制的图画。