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3D打印分解与排列的大型三维模型的DAP解问题分析

更新时间: 2021-09-04 08:31:32  查看次数: 168    
所有可能的分解排列中找到最佳的DAP解是一个极具挑战性的全局优化问题。通过有界的集束搜索,我们只能够探索有限的搜索空间,因此,任何所提及的求解全局最优的DAP解均指探索有限搜索空间内的最优解。虽然如此,即使只是使用中等的搜索宽度,随之而来的搜索空间依然极大。因此为了使得优化搜索更易于处理,我们通过体素化所有的部件并且限制Dapper的操作对象为体素化部件,来离散化全局搜索的空间。此外,体素化部件在排列堆上的对接测试中,只允许以90度角及其整数倍进行旋转。当全局优化体素化部件的分解与排列??结束之后,体素化表示将被移除,取而代之的是体素化部件内实际的部件形状几何,并通过一个最终的局部微调优化进一步减小部件几何之间的缝隙。

在Dapper框架中,还存在着一个重要的算法设计问题:我们应该使用什么基本图元来进行模型的分解与排列?将模型分解成任意形状的部件可能可以减少部件的数量,但是排列的问题将会变得更加复杂。另一方面,形状规则方正的矩形(或三维空间中的长方体)非常易于排列,但却可能导致过多的分解部件。方法选择使用近似金字塔属性块(或简称金字塔块)作为分解与排列问题中的基本图元,将其扩展应用到DAP问题当中。金字塔块是具有单面平坦底面的类似地形的二维或三维形状,金字塔块包括但不仅限于矩形,定义更加广泛,并且有助于产生少数块的分解结果。金字塔块不仅仅有利于排列(底面平坦,易于对接测试),因其在逐层累积形式的打印过程中无需支撑材料还有利于打印。最后,金字塔块在水平和垂直的切割操作下产生的块也均为金字塔块,即金字塔块的自包含性。在Dapper中,我们从一个仅有少量金字塔块的初始化分解开始,通过对体素化后的块进行轴对齐的切割操作,优化搜索最优的DAP解。

对接测试操作构成了候选操作集合,我们为每一个候选操作所生成的部分解计算一个局部优先级函数来反映其导向一个好的DAP完整解的可能性;然后再用一个全局目标函数为搜索中遇到的DAP完整解进行最终的打分。基于局部优先级函数,我们引入了集束搜索来搜索求解,集束的宽度控制着搜索树自上而下扩展搜索的宽度,并在全局目标函数界限的帮助下实现深度剪枝搜索。