一種面向3d打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)與方法，用戶通過在線交互在預(yù)置的分解模型中自主選擇，本方法通過模型適配將用戶所選的分解模型自動組裝并設(shè)計接口；在每一步中為用戶提供風(fēng)格化的模型設(shè)計功能，如浮雕、鏤空、刻字等；最后生成完整的可打印的三維模型文件，直接通過3D打印進(jìn)行個性化定制。通過風(fēng)格化操作，使用戶在自選各個組件之后可以進(jìn)行浮雕、鏤空、刻字等操作，擴(kuò)展了用戶進(jìn)行風(fēng)格化定制的自由度，自動進(jìn)行各組件的拼接，并生成可直接用于3D打印的三維模型文件，方便用戶操作。
【專利說明】
一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，隨著3D打印成型材料可選范圍的增大，成型精度與速度的提高，各類設(shè)備價格的降低，它已經(jīng)開始廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、航空、娛樂與時尚等各個領(lǐng)域，甚至逐漸滲透進(jìn)普通人的生活。
[0003]隨著使用3D打印技術(shù)門檻和設(shè)備成本的降低，越來越多的普通大眾開始接觸到這項此前被認(rèn)為不可能接觸到的技術(shù)，甚至能獲得3D打印制作的成品，于是各種貼近大眾生活的3D打印相關(guān)制作服務(wù)開始出現(xiàn)，比如三維人像、工藝禮品、卡通手辦等類別物品的制作。雖然3D打印技術(shù)的設(shè)備與材料成本都在逐步降低，但是三維建模與幾何模型處理的門檻依然很高，相關(guān)軟件的操作界面較為復(fù)雜，缺乏三維建模專業(yè)知識的普通用戶無法真正參與到三維模型的設(shè)計過程中，因此使得產(chǎn)品的用戶定制難以實現(xiàn)。
[0004]3D打印的輸入模型一般來自兩個方面，一是對于現(xiàn)實物體進(jìn)行掃描重建得到的數(shù)字模型，二是由設(shè)計者創(chuàng)造編輯的模型。前者通常需要并非普通用戶常備的專業(yè)設(shè)備，而后者通常需要使用專業(yè)的模型創(chuàng)作的編輯軟件，這些軟件的操作非常復(fù)雜且學(xué)習(xí)成本很高，也不是普通用戶能夠掌握。因此，對于普通用戶來講，迫切需要大量簡單易用的三維模型個性化定制工具，幫助用戶通過少量而簡單的參數(shù)或自然的交互操作，即可完成三維模型的個性化定制設(shè)計。這將吸引更多非專業(yè)人員通過3D打印滿足個性化定制的需求，從而擴(kuò)大3D打印技術(shù)的用戶群與市場規(guī)模。
[0005]鑒于以上的原因，目前已經(jīng)出現(xiàn)一些簡單易用的面向3D打印的模型定制工具，尤其是在首飾設(shè)計方面，然而，這些工具或者只提供非常簡單的風(fēng)格化選擇，或者只能在局部改變模型，用戶并無法從整體模型的角度來生產(chǎn)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)與方法，本發(fā)明通過給用戶預(yù)置一個有若干燈罩、燈柱和底座的模型庫，讓用戶在操作框中自由選擇組合成一個完整的燈具。同時也提供一些局部風(fēng)格化的功能，比如浮雕、鏤空、刻字等操作。最后組合生成一個完整的可打印的三維模型文件，完成之后使用3D打印機(jī)打印出用戶自主設(shè)計的燈具。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)，包括三維模型數(shù)據(jù)庫、選擇單元、操作場景單元、控制單元和風(fēng)格化單元，其中:
[0009]所述三維模型數(shù)據(jù)庫，提供燈罩、燈座、燈柱和連接件的三維模型，供給選擇單元選擇；
[0010]所述選擇單元，選擇需要設(shè)計的燈具的相應(yīng)的三維模型，為操作場景單元提供素材模型；
[0011 ]所述操作場景單元，將選擇的三維模型進(jìn)行拼接，組裝成一個完整的燈具，并賦予平移、縮放和旋轉(zhuǎn)操作；
[0012]所述控制單元，拼接和導(dǎo)出組裝的三維燈具模型；
[0013]所述風(fēng)格化單元，對導(dǎo)出的三維燈具模型進(jìn)行浮雕、鏤空或刻字處理。
[0014]一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，包括以下步驟:
[0015](I)搜集或制作燈罩、燈柱、底座以及連接件的三維模型，同時做歸一化和三角化處理，分類存入三維模型庫，供給選擇；
[0016](2)選擇需要設(shè)計的燈具的相應(yīng)的三維模型；
[0017](3)在操作場景單元中調(diào)整已選的三維模型部件，并賦予平移、縮放和旋轉(zhuǎn)操作；
[0018](4)根據(jù)所選三維模型部件自動生成尺寸適合的連接件以匹配所選部件，拼接和導(dǎo)出待組裝的三維模型；
[0019](5)對導(dǎo)出的三維模型進(jìn)行浮雕、鏤空或刻字處理；
[0020](6)利用3D打印機(jī)將三維模型進(jìn)行打印，形成完整燈具。
[0021 ]所述步驟(I)中，具體步驟包括:
[0022](1-1)根據(jù)模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)計算模型的包圍盒；
[0023](1-2)將計算得出的包圍盒縮放比例至[O，I ]之間，保證三個維度都在此范圍之內(nèi)；
[0024](1-3)將各個頂點(diǎn)的坐標(biāo)與該比例相乘得到新的頂點(diǎn)坐標(biāo)，并更新。
[0025]所述步驟(4)中，具體步驟包括:
[0026](4-1)將預(yù)置的三維模型按照底座、燈柱、燈罩的順序讀入，記錄各個頂點(diǎn)的x、y和z空間坐標(biāo)；
[0027](4-2)將被選中的底座、燈柱、燈罩模型按照當(dāng)前的空間位置關(guān)系在界面中擺放；
[0028](4-3)根據(jù)選擇的底座、燈柱、燈罩模型自動匹配相應(yīng)的連接件；
[0029](4-4)將所有燈具各個部分和連接件文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可打印模型文件并導(dǎo)出。
[0030]所述步驟(4-2)中，具體步驟包括:
[0031](4-2-1)歸一化后的模型中心均置于空間坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，各個頂點(diǎn)的x、y和z坐標(biāo)以此為基準(zhǔn)；
[0032](4-2-2)當(dāng)重新選擇模型之后，計算新選擇模型的包圍盒，重新計算豎軸高度;根據(jù)新模型的高度重新放置其他模型在豎軸上的位置。
[0033]所述步驟(4-2-1)中，模型放置的平面區(qū)域事先設(shè)定好，即給定橫、縱坐標(biāo)平面范圍內(nèi)的區(qū)域，使得所有模型的正投影均落在該區(qū)域中，默認(rèn)順序為底座、燈柱、燈罩，從下至上計算高度，然后依次擺放。
[0034]所述步驟(4-3)具體步驟包括:
[0035](4-3-1)底座和燈柱之間默認(rèn)提供若干螺絲模型作為連接件，根據(jù)燈柱截面粗細(xì)調(diào)整螺絲大?。?br>[0036](4-3-2)底座和螺絲做布爾運(yùn)算，在底座上做出螺絲孔；
[0037](4-3-3)燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算，將同一個螺絲和燈柱模型合成為一個網(wǎng)格模型；
[0038](4-3-4)燈柱和燈罩之間提供兩種形式的連接件，螺絲連接或螺絲和卡扣結(jié)合連接方式，不同連接方式由燈罩放置方式?jīng)Q定，根據(jù)燈柱截面粗細(xì)調(diào)整螺絲大小。
[0039]所述步驟(4-3-4)中，當(dāng)燈罩口徑大于連接件，使用螺絲和卡扣結(jié)合的連接方式連接，燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算，連接件與螺絲做布爾運(yùn)算，連接件擰在燈柱上，連接件支撐架與燈罩做連接件與螺絲做布爾運(yùn)算，支撐架固定在燈罩內(nèi)側(cè)的卡槽中，LED燈放置在連接件上。
[0040]所述步驟(4-3-4)中，當(dāng)燈罩口徑等于連接件，使用螺絲連接，燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算，連接件內(nèi)側(cè)與螺絲做布爾運(yùn)算，連接件擰在燈柱上，螺絲與燈罩口做布爾運(yùn)算，螺絲與連接件外沿做布爾運(yùn)算，燈罩?jǐn)Q在連接件外沿上，LED燈放置在連接件上。
[0041]所述步驟(4-4)中，計算各個三角面片的法向量，依次寫入各個三角面片的法向量和三個頂點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)，將燈具各個部分和連接件網(wǎng)格數(shù)據(jù)依次導(dǎo)出。
[0042]本發(fā)明的有益效果為:
[0043](I)通過瀏覽器為用戶提供操作界面，無需安裝其他軟件或插件；
[0044](2)有提供了預(yù)置的三維模型庫，充分考慮了用戶專業(yè)知識可能不足的問題；同時又提供了多樣、快捷的操作選項，充分考慮了用戶對于定制的需求；
[0045](3)通過風(fēng)格化操作，使用戶在自選各個組件之后可以進(jìn)行浮雕、鏤空、刻字等操作，擴(kuò)展了用戶進(jìn)行風(fēng)格化定制的自由度；
[0046](4)自動進(jìn)行各組件的拼接，并生成可直接用于3D打印的三維模型文件，方便用戶操作。
【附圖說明】
[0047]圖1為本發(fā)明的流程示意圖；
[0048]圖2為一個組裝完畢的燈具大致形狀示意圖(各個部分根據(jù)用戶選擇會有不同)；
[0049]圖3為燈罩口徑大于連接件時，燈罩-燈柱間連接區(qū)域示意圖；
[0050]圖4為燈罩口徑等于連接件時，燈罩-燈柱間連接區(qū)域示意圖。
【具體實施方式】
:
[0051]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0052]一種在線的燈具三維設(shè)計與定制造型系統(tǒng)包括:
[0053]1.三維模型庫:為用戶提供預(yù)置的燈罩、燈柱和底座的三維模型，供用戶選擇；
[0054]2.模型選擇單元:用戶從中選擇燈具各部分的三維模型，為場景提供可供操作的素材模型；
[0055]3.主要操作場景單元:在該單元內(nèi)拼接已選擇的各個部分模型，使其合成一個完整的燈具，也可進(jìn)行基本的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)等操作；
[0056]4.后臺運(yùn)算單元:該單元主要負(fù)責(zé)處理主要操作場景單元中已選擇的三維模型數(shù)據(jù)，主要提供拼接和導(dǎo)出功能；
[0057]5.藝術(shù)風(fēng)格化單元:該單元主要負(fù)責(zé)為燈罩模型進(jìn)行一些藝術(shù)風(fēng)格化處理，包括浮雕、鏤空、刻字等處理，使燈罩具有藝術(shù)性。
[0058]該定制系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括:
[0059]前端:Bootstrap框架+Three.js框架。
[0060]后端:Nodejs 框架。
[0061 ]如圖1所示，基于WebGL的三維燈具定制系統(tǒng)主要設(shè)計方法，具體步驟為:
[0062]步驟1:搜集或制作燈罩、燈柱、底座以及連接件的三維模型，同時做歸一化和三角化處理，分類存入三維模型庫;三維模型庫中預(yù)置的燈罩、燈柱和底座模型均為.0b j格式；
[0063]步驟2:在模型選擇單元中展示各個部分的模型縮略圖，供用戶選擇；
[0064]步驟3:選擇模型至主要操作場景單元，可在該場景中各個角度查看選中的三維模型，并提供基本三維操作功能，如平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等；
[0065]步驟4:自動生成尺寸適合的連接件拼接所選模型成為一個完整的燈具模型，拼接完成之后導(dǎo)出為可直接打印的三維模型文件(如果不選步驟5則在此步驟中直接導(dǎo)出可打印的三維模型文件，否則在步驟5中導(dǎo)出)；
[0066]步驟5(可選):選擇風(fēng)格化類型，將其應(yīng)用到燈罩、燈柱或底座上，處理完成可導(dǎo)出為可直接打印的三維模型文件；
[0067]如圖2所示，步驟6:將可打印模型文件.stl打印出之后組裝成一個完整燈具。
[0068]步驟I的具體步驟為:
[0069]1.1根據(jù)模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)計算模型的包圍盒；
[0070]1.2將計算得出的包圍盒縮放比例至[O，I ]之間，保證三個維度都在此范圍之內(nèi)；[0071 ] 1.3將各個頂點(diǎn)的坐標(biāo)與該比例相乘得到新的頂點(diǎn)坐標(biāo)，并更新文件。
[0072]步驟4的具體步驟為:
[0073]4.1將ob j模型文件按照底座、燈柱、燈罩的順序讀入，記錄各個頂點(diǎn)的X，y，z空間坐標(biāo)；
[0074]4.2將被選中的底座、燈柱、燈罩模型按照當(dāng)前的空間位置關(guān)系在界面中擺放；
[0075]4.3根據(jù)選擇的底座、燈柱、燈罩模型自動匹配相應(yīng)的連接件；
[0076]4.4將所有燈具各個部分和連接件文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.StI文件結(jié)構(gòu)，生成若干可打印模型文件并導(dǎo)出。
[0077]步驟4具體步驟具體闡述為:
[0078]4.2.1初始狀態(tài)下(歸一化之后)的模型中心均在空間坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，各個頂點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)也以此為基準(zhǔn)。其中模型放置的平面區(qū)域事先設(shè)定好，即給定橫、縱坐標(biāo)平面范圍內(nèi)的區(qū)域，使得所有模型的正投影均落在該區(qū)域中。默認(rèn)順序為底座、燈柱、燈罩，從下至上計算高度，然后依次擺放。
[0079]4.2.2當(dāng)用戶重新選擇模型之后，計算新選擇模型的包圍盒，重新計算豎軸高度；根據(jù)新模型的高度重新放置其他模型在豎軸上的位置(橫縱平面上的位置不變)；
[0080]4.3.1底座和燈柱之間默認(rèn)提供若干螺絲模型作為連接件，根據(jù)燈柱截面粗細(xì)調(diào)整螺絲大??；
[0081 ] 4.3.2底座和螺絲做布爾運(yùn)算(Subtract1n)，在底座上做出螺絲孔；
[0082]4.3.3燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算(Un1n)，將同一個螺絲和燈柱模型合成為一個網(wǎng)格豐旲型;
[0083]4.3.4燈柱和燈罩之間提供兩種形式的連接件，螺絲連接和螺絲&卡扣連接方式，不同連接方式由燈罩放置方式?jīng)Q定，如圖3、圖4所示，根據(jù)燈柱截面粗細(xì)調(diào)整螺絲大??；
[0084]4.3.5如圖3所示，當(dāng)?shù)谝环N情況時，即燈罩口徑大于連接件，使用螺絲&卡扣連接，燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算(Subtract1n)，連接件與螺絲做布爾運(yùn)算(Un1n)，連接件抒在燈柱上，連接件支撐架與燈罩做連接件與螺絲做布爾運(yùn)算(Subtract1n)，支撐架固定在燈罩內(nèi)側(cè)的卡槽中，LED燈放置在連接件上；
[0085]4.3.6如圖4所示，當(dāng)?shù)诙N情況時，即燈罩口徑等于連接件，使用螺絲連接，燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算(Un1n)，連接件內(nèi)側(cè)與螺絲做布爾運(yùn)算(Subtract1n)，連接件抒在燈柱上，螺絲與燈罩口做布爾運(yùn)算(Subtract1n)，螺絲與連接件外沿做布爾運(yùn)算(Un1n)，燈罩?jǐn)Q在連接件外沿上，LED燈放置在連接件上；
[0086]4.4計算各個三角面片的法向量，按照stl文件格式依次寫入各個三角面片的法向量和三個頂點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)，將燈具各個部分和連接件網(wǎng)格數(shù)據(jù)依次導(dǎo)出為.stl格式文件。
[0087]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計系統(tǒng)，其特征是:包括三維模型數(shù)據(jù)庫、選擇單元、操作場景單元、控制單元和風(fēng)格化單元，其中: 所述三維模型數(shù)據(jù)庫，提供燈罩、燈座、燈柱和連接件的三維模型，供給選擇單元選擇； 所述選擇單元，選擇需要設(shè)計的燈具的相應(yīng)的三維模型，為操作場景單元提供素材模型； 所述操作場景單元，將選擇的三維模型進(jìn)行拼接，組裝成一個完整的燈具，并賦予平移、縮放和旋轉(zhuǎn)操作； 所述控制單元，拼接和導(dǎo)出組裝的三維燈具模型； 所述風(fēng)格化單元，對導(dǎo)出的三維燈具模型進(jìn)行浮雕、鏤空或刻字處理。2.一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:包括以下步驟: (1)搜集或制作燈罩、燈柱、底座以及連接件的三維模型，同時做歸一化和三角化處理，分類存入三維模型庫，供給選擇； (2)選擇需要設(shè)計的燈具的相應(yīng)的三維模型； (3)在操作場景單元中調(diào)整已選的三維模型部件，并賦予平移、縮放和旋轉(zhuǎn)操作； (4)根據(jù)所選三維模型部件自動生成尺寸適合的連接件以匹配所選部件，拼接和導(dǎo)出待組裝的三維模型； (5)對導(dǎo)出的三維模型進(jìn)行浮雕、鏤空或刻字處理； (6)利用3D打印機(jī)將三維模型進(jìn)行打印，形成完整燈具。3.如權(quán)利要求2所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(I)中，具體步驟包括: (1-1)根據(jù)模型的頂點(diǎn)坐標(biāo)計算模型的包圍盒； (1-2)將計算得出的包圍盒縮放比例至[0，1]之間，保證三個維度都在此范圍之內(nèi)； (1-3)將各個頂點(diǎn)的坐標(biāo)與該比例相乘得到新的頂點(diǎn)坐標(biāo)，并更新。4.如權(quán)利要求2所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4)中，具體步驟包括: (4-1)將預(yù)置的三維模型按照底座、燈柱、燈罩的順序讀入，記錄各個頂點(diǎn)的x、y和z空間坐標(biāo)； (4-2)將被選中的底座、燈柱、燈罩模型按照當(dāng)前的空間位置關(guān)系在界面中擺放； (4-3)根據(jù)選擇的底座、燈柱、燈罩模型自動匹配相應(yīng)的連接件； (4-4)將所有燈具各個部分和連接件文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可打印模型文件并導(dǎo)出。5.如權(quán)利要求4所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4-2)中，具體步驟包括: (4-2-1)歸一化后的模型中心均置于空間坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，各個頂點(diǎn)的X、5^Pz坐標(biāo)以此為基準(zhǔn)； (4-2-2)當(dāng)重新選擇模型之后，計算新選擇模型的包圍盒，重新計算豎軸高度;根據(jù)新模型的高度重新放置其他模型在豎軸上的位置。6.如權(quán)利要求5所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4-2-1)中，模型放置的平面區(qū)域事先設(shè)定好，即給定橫、縱坐標(biāo)平面范圍內(nèi)的區(qū)域，使得所有模型的正投影均落在該區(qū)域中，默認(rèn)順序為底座、燈柱、燈罩，從下至上計算高度，然后依次擺放。7.如權(quán)利要求4所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4-3)具體步驟包括: (4-3-1)底座和燈柱之間默認(rèn)提供若干螺絲模型作為連接件，根據(jù)燈柱截面粗細(xì)調(diào)整螺絲大?。? (4-3-2)底座和螺絲做布爾運(yùn)算，在底座上做出螺絲孔； (4-3-3)燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算，將同一個螺絲和燈柱模型合成為一個網(wǎng)格模型； (4-3-4)燈柱和燈罩之間提供兩種形式的連接件，螺絲連接或螺絲和卡扣結(jié)合連接方式，不同連接方式由燈罩放置方式?jīng)Q定，根據(jù)燈柱截面粗細(xì)調(diào)整螺絲大小。8.如權(quán)利要求7所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4-3-4)中，當(dāng)燈罩口徑大于連接件，使用螺絲和卡扣結(jié)合的連接方式連接，燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算，連接件與螺絲做布爾運(yùn)算，連接件擰在燈柱上，連接件支撐架與燈罩做連接件與螺絲做布爾運(yùn)算，支撐架固定在燈罩內(nèi)側(cè)的卡槽中，LED燈放置在連接件上。9.如權(quán)利要求7所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4-3-4)中，當(dāng)燈罩口徑等于連接件，使用螺絲連接，燈柱和螺絲做布爾運(yùn)算，連接件內(nèi)側(cè)與螺絲做布爾運(yùn)算，連接件擰在燈柱上，螺絲與燈罩口做布爾運(yùn)算，螺絲與連接件外沿做布爾運(yùn)算，燈罩?jǐn)Q在連接件外沿上，LED燈放置在連接件上。10.如權(quán)利要求4所述的一種面向3D打印的燈具三維在線設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4-4)中，計算各個三角面片的法向量，依次寫入各個三角面片的法向量和三個頂點(diǎn)的X、y、z坐標(biāo)，將燈具各個部分和連接件網(wǎng)格數(shù)據(jù)依次導(dǎo)出。
【文檔編號】G06F17/50GK105825033SQ201610227304
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】呂琳, 徐未來, 何莎, 劉霖
【申請人】山東大學(xué)