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基于熔融沉积成型技术的骨骼成型优化方法

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第33卷第6期 2016年6月 计算机应用研究 Application Research of Computers Vo1.33 No.6 Jun.2016 基于熔融沉积成型技术的骨骼成型优化方法术 张摘霞,陈正呜,童晶,姚鹏飞 (河海大学物联网工程学院,江苏常州213022) 要:目前,FDM(熔融沉积成型)三维打印系统在医疗领域的应用日益广泛,为了满足医学领域中人工骨骼 制造的多样性、准确性、快速性等多方面的需求,提出了一套骨骼成型优化的方案。针对模型在进行分段等层厚 分层算法处理后表面光滑度较低的问题,提出了应用于不同层厚分界处的光顺处理算法;为了保证骨骼模型局 部特征区域的成型质量,提出了基于周长与法矢量的自适应层扫描速度算法。选择了胫骨模型作为实验对象, 结果表明提出的算法使得骨骼模型的成型质量得到了改善,对模型的成型效率也产生了较大提升,从而验证了 算法的有效性。 关键词:三维打印;人工骨骼;分段等层厚分层;光顺处理;自适应扫描速度 中图分类号:TP391.7 文献标志码:A 文章编号:1001.3695(2016)06—1894-04 doi:10.3969/j.issn.1001—3695.2016.06.065 Optimization method of bones based on fused deposition modeling technology Zhang Xia,Chen Zhengming,Tong Jing,Yao Pengfei (College oflnternet ofThings Engineering,Hohai University,Changzhou Jiangsu 213022,China) Abstract:Currently,the FDM(fused deposition modeling)three—dimensional printing system gets extensive application in the medical field.To meet the needs of diversity,accuracy,eficifency of artiifcial bones manufacturing,this paper put forward a series of schemes on bone molding optimization.Firstly,in order to deal with the defects on surface smoothness after model be— ing processed with uniform thickness layering algorithm of each section,it proposed a smoothing algorithm applying at bounda— ries with varied thickness.Secondly,to ensure the molding quality in local feature regions,this paper presented an adaptive layer scanning speed algorithm based on the perimeter and normal vector.Then it chose a shank bone model as an example. Experimental results show that the proposed algorithms can improve molding quality while it can promote the molding efficien- cy.Thus the results verify the validity of the algorithms. Key words:3 D printing;artiiciafl bone;segmentation uni ̄rm thickness layering; ̄iring processing;adaptive scan speed 0 引言 三维打印技术源于快速成型技术(rapid prototyping),其基 随着影像学和数字化医学的快速发展,FDM三维打印技 术在医学方面的应用也越来越受到重视 ’ ,其中最广泛的医 学应用是快速构建医学模型。利用FDM打印技术制造的三维 医学模型为医生提供了患体丰富的信息,模型可用于医疗教学 演示和手术模拟。利用三维模型,医生之间可以教学探讨治疗 过程,并给病人讲解演示手术方案,医生与医生、医生和患者之 间沟通更加直观化、具体化、实物化。同时,对一些复杂的手术 本原理是“分层制造,逐层累加”,即由三维转换成二维(软件 离散化分解),再由二维到三维(材料堆积成型)的工作过程。 熔融沉积成型(FDM)是最常见的三维打印技术,其包括计算 机切片软件系统和数控加工成型系统…。首先,三维模型在 计算机切片软件系统的控制下按照一定的分层厚度在z向 进行术前模拟,有利于外科医生制定手术方案、模拟手术过程、 (或其他方向)对三维模型进行切片分层生成二维轮廓信息和 加工路径(切片文件);其次,FDM数控加工成型设备的加热喷 头根据切片指令,将热塑性聚合物材料加热熔化,使其在熔融 状态下从喷嘴挤出,熔化后的材料会随着喷头在当前工作层上 熟练手术操作并预计手术结果,从而大大降低手术风险,提高 手术的成功率 J。尤其是在骨科领域,需要根据病人的实际 情况制定个性化的骨骼,提高匹配程度至关重要,因此人工骨 骼的准确性、快速性对三维打印在医疗行业的普及具有重要 作用。 目前,为了保证成型件的打印质量,国内外学者进行了大 作X-Y平面运动,进行二维轮廓扫描,加工出适当的截面形状; 当一层成型完成后,喷头沿z方向上升一个层厚高度,再铺上 一层新的材料,进行下一层面的加工,并与前一个层面熔结在 起,如此循环,直至完成整个模型实体的制造。整个堆积过 量的研究,提出优化扫描速度、成型方向、分层厚度等工艺参数 来改善原型件的质量。关于扫描速度具体的优化算法,学者们 研究得偏少,关于分层厚度的优化提出了自适应切片算法,其 一程是靠高温挤出丝材的自粘结性逐层堆积成型。 收稿日期:2015-04 10;修回日期:2015—05—21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61202284);江苏省科技支撑计划项目——工业 部分(BE2014048);浙江大学CAD&CG国家重点实验室开放课题(A1405) 作者简介:张霞(1990-),女,安徽合肥人,硕士研究生,主要研究方向为计算机图形学、三维打印(zhangxia58s@163.con);陈正鸣(1965一),男, 浙江东阳人,教授,主要研究方向为数字化建模、三维打印等;童晶(1981.),男,江苏扬州人,讲师,主要研究方向为计算机图形学、计算机视觉等; 姚鹏飞(1992一),男,江苏靖江人,硕士研究生,主要研究方向为计算机图形学. ·1902· 计算机应用研究 第33卷 模型的两个最重要环节是预处理阶段和人脸特征提取阶段。 [5]Cauchoix M,Barragan—Jason G,Serre T,et a1.The neural dynamics of face detection in the wild revealed by MVPA[J].The Journal of Neuroscience,2014,34(3):846.854. 预处理阶段利用保角映射方法将3D人脸图像映射到2D空 间,这不仅仅是从一个角度进行映射,在映射到2D空问的过 程中保留了面部的变形状况。特征提取阶段提出了一个新的 基于特征选取的DE方法,利用这种方法为表情识别定义最小 个数的特征以及大多数的相关人脸特征。结果显示选取算法 [6]Vretos N,Nikolaidis N,Pitas I.3D facial expression recognition using Zemike moments on depth images[C]//Proc of the 18th IEEE International Conference on hnage Processing.[S.1.]:IEEE Press, 20l 1:773—776. 显著减小了维度,同时提高了整体模型的精度。 表7各算法的复杂度比较 [7]Rosato M,Chen Xiaochen,Yin Lijun.Automatic registration of vet tex correspondences for 3 D facial expression analysis[C]//Proc of the 2nd IEEE International Conference on Biometrics:Theot7,Applica— tions and Systems.[s.1]:IEEE Press,2008:1—7. [8]鲁珂,丁正明,赵继东,等.一种基于相关反馈的视频人脸算法 [J].西安电子科技大学:自然科学版,2012,39(3):l54—160 [9]Wijaya I G P S,Uchimura K,Koutaki G.Multi—pose face recognition using fusion of scale invariant features[C]//Proc ot the 2nd lnterna— tional Congress on Computer Applications and Computational Science. Berlin:Springer,2012:207·213. [1O]Gu Xianfeng.Computational conformal geometry[M]Boston:Inter— national Press,2008. [11]UrichrM,Franc V,HiavOcV.Detector offaciallandmarkslearned by the structured output SVM[C]//Proe of the 7th International Confere— nee on Computer Vision Theory and Applications 2012:547—556. [12]Bay H,Tuytelaars T,Van Gool L.SURF:speeded up robust features 本文模型可进行扩充以包含更多的表情或进行特殊定制 以识别特殊的人脸表情。因此对模型进行定制可能会运用于 表情相关的应用中,如评价顾客的满意程度。 参考文献: [1]Valstar M F,Mehu M,Jiang B,et a1.Meta-analysis ofthe first facial expression recognition challenge[J].IEEE Trans on Systems, Man,and Cybernetics,Part B:Cybernetics,2012,42(4):966— 979. [J]Computer Vision and Image Understanding,2006,11O(3): 346.359. 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