面向桌面三维打印的基于骨架的隐式造型关键技术研究

With the development of 3D printing and 3D scanning, desktop model scanning, model composition and its 3D printing prone to be a whole process. How to intuitively create the manifod models for ordinary users is a key factor for the popularization of desktop 3D printing. The project focuses on skeleton-based implicit modeling from point clouds, so the users can model shapes like manipulating clay which are surely manifold. In order to reduce the printing cost, the generation and analysis of shells will be researched. Furthermore, direct slicing of implicit models will be developed to avoid the complex iso-surface extraction and its optimization. The main contents of the project inlcude stuffing of point clouds based on implicit surface, analytical solutions for solid skeleton-based implicit surfaces based on integration theorem, hexahedralization of double threshold muli-cavity shell and direct slicing of implicit solid models for contour extraction. Therefore the research results of this project could ease the creation of printable models for desktop non-professional users, accelerate the polularization of 3D printing and drive its fast developement.

随着桌面三维打印机和三维扫描设备的发展，桌面级模型扫描、模型编辑与重构、三维打印必将成为完整、连续的模型生成过程，如何让普通用户鲁棒地创建丰富的封闭流型模型是影响桌面三维打印普及速度的重要因素之一。本项目研究从点云数据生成基于实体骨架的隐式曲面造型技术，既能保证模型的流型性质，又能借助骨架模拟橡皮泥建模效果；研究隐式曲面壳体生成和分析技术，可有效降低打印代价；研究隐式实体的直接切片，以避免繁杂的等值面提取和基于表面mesh的轮廓线生成。本课题的主要研究内容包括：以隐式曲面为媒介的点云四面体填充、基于积分定理的实体骨架卷积降维解析计算、双阈值多空腔壳体的六面体分治划分和隐式实体的直接切片分层轮廓线提取技术。本项目的研究成果可有效降低桌面非专业图形设计人员创建三维可打印模型的难度，加速桌面三维打印的普及，推动三维打印产业的快速发展。

随着3D打印技术的发展与成熟，对三维模型尤其可打印三维模型的生成有着越来越多的需求，本项目研究了面向三维打印的建模技术。为保证所生成模型的二维流形曲面性质，研究了基于骨架的隐式曲面建模，为尽量逼近目标形状，给出了基于点骨架、线骨架、面骨架的卷积曲面逼近解析解，并且实现了基于CUDA的GPU并行算法设计。为普及三维的消费级应用，应该尽量降低三维建模难度，将专业的模型设计方法转换为普通消费者也能使用的技术，本项目结合头戴设备VR环境，研究了将用户与三维模型置于同一三维空间的实时高沉浸度交互建模方法。所采用的基于光滑等距面的三维模型表示，不仅可以创建任意复杂拓扑结构模型，而且允许用户任意加、减组件，为避免多骨架等距面交接处的不光滑性，本建模系统采用加权滤波核函数根据骨架半径对距离场自适应光顺处理，从而生成基于骨架的多组件光滑混合模型。系统所提供交互方式自然，适合非专业人员的快速建模需求，并且所生成模型具有二维流形表面特征，可直接用于三维打印。此外项目研究了基于表面局部变形的细节编辑技术，而且始终保证模型的三维可打印性，提出一种在头戴设备VR环境下的数字雕刻系统，然后根据VR交互手柄的笔刷位置查询网格雕刻区域，同时借助空间划分加速查询过程，对待雕刻顶点按法向变形以生成新模型，为保证得到高质量网格形状和鲁棒地雕刻过程，对新移动的顶点所在边长进行排序并重新局部网格化，最后对用户的三维输入实时反馈变形并迭代生成丰富细节的二维流形模型。本项目的研究成果充分利用隐式曲面的二维流形性质和VR头盔设备的便捷交互性，将二者有机结合，将有效推动该两个领域的相互促进发展。