基于纹理映射的自由曲面上三维激光打标方法

摘要

三维激光打标技术是对激光的一种应用，可以实现在三维自由曲面上快速打印复杂、清晰且美观的图形图案。同时，由于激光打标具有无接触，无切削力，热影响小等特点，使用三维激光打标机进行加工时，工件不会发生形变和产生内应力。另外，随着工业技术的发展和市场需求，越来越多产品外观都设计成流线型曲面，从而推动三维激光打标技术的应用。论文针对三维激光加工技术面对着如何在三维自由曲面生成图案的问题，提出基于三角网格曲面纹理映射的三维激光打标方法。因此，论文中的所有自由曲面或实体都是采用三角网格进行逼近拟合而成，采用的网格曲面模型都来自对STL(Stereolithography)文件的解析。
　　首先，采用一种基于投影原理的自由曲面纹理映射方法，通过投影原理确定二维平面图案对应三维自由曲面上的位置实现纹理的映射。论文提出一种基于“针刺取点法”的投影方法，保证二维平面图案能够准确无误的映射到任意自由曲面上。但这种基于投影的纹理映射方法，当曲面高斯曲率较大时，纹理会发生明显的形变。因此，在此方法上进一步改进，提出在可展曲面进行纹理映射，实现映射的纹理完全不变形，但这种方法只能在可展曲面上进行纹理映射。
　　其次，在任意不可展自由曲面上进行纹理映射，想要纹理完全不变形目前来说是不可能的，只能减少纹理的变形程度。为了减少在任意曲面上纹理映射的形变程度，选用了曲面参数化方法。这种方法是将组成自由曲面三角面尽可能保形的在平面上展开。为了能准确定位纹理的位置，论文中选用了保角参数化方法ABF++(Angle BasedFlattening)，其采用牛顿迭代的方法，求取一组在平面上展开三角网格时三角形形变最小的角度值。这种方法展平的自由曲面不但可以保持其自身形状和拓扑关系，而且对其展平的边界没有限制。
　　再次，在使用ABF++进行三角曲面参数化进行纹理映射时，为了减少不必要的计算，论文采用网格分割方法，并且结合K邻域快速搜索法快速定位到目标，减少了不必要的计算，提高纹理过程运算的速度。另外，为了能够准确的将二维纹理映射到曲面上，论文结合了投影原理对平面图案进行定位。同时，采用重心坐标方法实现二维图案向三维曲面的线性映射，从而避免繁杂的逆矩阵变换计算，提高了运算的速度。并对映射的纹理形变程度进行了量化分析。
　　最后，论文以VS2010为平台，使用C＃和C++编程语言并且结合OpenGL库，搭建了三维显示环境，对上述算法进行了实现，使用了三维模型对纹理映射算法的可行性进行仿真验证。另外，结合三维激光打标系统的光路结构，验证了激光打标机在三角网格重构的曲面上打标的有效性。论文在最后做了三维激光打标试验，进一步验证了上述所提方法的可行性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 三维激光打标技术国内外发展现状

1．2．2 曲面参数化的研究现状

1．3 本文的研究内容以及章节概要

第二章 基于投影原理的纹理映射

2．1 引言

2．2 投影算法的实现

2．3 可展曲面的纹理映射

2．4 小结

第三章 自由曲面参数化

3．1 引言

3．2 Floater保形参数化方法介绍

3．3 保角参数化ABF／ABF++方法

3．3．1 基于ABF方法的数学建模与求解

3．3．2 保角参数化的求解问题

3．3．3 ABF++求解过程

3．3．4 ABF++算法的实现过程

3．4 参数化结果比较

3．5 小结

第四章 基于保角参数化的纹理映射

4．1 引言

4．2 平面纹理编辑与预处理

4．2．1 常用图形编辑

4．2．2 平面数据填充

4．2 图案离散点在三角面片中的快速搜索

4．21 曲面网格分割

4．22 基于k邻近方法的快速收索

4．3 曲面三角网格与平面三角网格上点的相互映射

4．3．1 重心坐标法

4．3．2 基于投影原理的参数域中平面网格的定位方法

4．4 曲面纹理映射变形程度衡量

4．4．1 纹理映射效果从感官上的比较

4．4．2 量化曲面纹理映射变形程度

4．5 小结

第五章 三维激光打标系统的实现

5．1 引言

5．2 三维激光打标系统上位机软件设计

5．2．1 使用工具简介

5．2．2 上位机软件架构设计

5．3 三维激光打标机基本原理

5．3．1 三维激光打标机的工作原理

5．3．2 三维打标系统的工作过程

5．4 三维打标系统的架构

5．5 三角网格重构的自由曲面激光打标有效性验证

5．6 三维激光打标试验

5．7 小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢