Poxel: Voxel Reconstruction for 3D Printing

📄 arXiv: 2501.10474v1 📥 PDF

作者: Ruixiang Cao, Satoshi Yagi, Satoshi Yamamori, Jun Morimoto

分类: cs.GR, cs.CV

发布日期: 2025-01-16

💡 一句话要点

Poxel：面向光敏树脂喷射3D打印的体素重建框架

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 三维重建 3D打印 体素化 光敏树脂喷射 CMYKWCl颜色模型

📋 核心要点

  1. 现有NeRF等三维重建方法依赖视角，颜色模型不适用于物理3D打印，导致打印质量差。
  2. Poxel框架通过体素化重建，消除视角依赖，并将RGB颜色空间转换为CMYKWCl，直接输出可打印体素。
  3. 实验表明，Poxel框架能够提升3D打印模型的保真度和质量，更符合物理三维对象的要求。

📝 摘要（中文）

近年来，三维重建技术取得了显著进展，特别是通过神经渲染方法，如神经辐射场（NeRF）和Plenoxel，实现了高质量的三维可视化。然而，这些方法主要针对数字环境进行优化，并采用依赖于视角的颜色模型（RGB）和二维splatting技术，难以直接应用于物理3D打印。本文提出了一种名为“Poxel”（可打印体素）的体素化三维重建框架，专门为光敏树脂喷射3D打印优化。该框架支持高分辨率、全彩色的三维模型，并使用CMYKWCl颜色模型。Poxel通过消除视角依赖性，并将数字RGB颜色空间转换为适用于多材料喷射的物理CMYKWCl颜色空间，直接输出可打印的体素网格。实验结果表明，该系统在打印模型中实现了更好的保真度和质量，更符合物理三维对象的要求。

🔬 方法详解

问题定义：现有基于神经渲染的三维重建方法，如NeRF和Plenoxel，虽然在数字环境下表现出色，但它们依赖于视角的RGB颜色模型和2D splatting技术，无法直接应用于物理3D打印。这导致打印出的模型颜色失真、细节丢失，难以满足实际应用需求。因此，需要一种专门为3D打印优化的三维重建方法。

核心思路：Poxel的核心思路是直接生成可打印的体素网格，从而避免了视角依赖性和颜色空间不兼容的问题。通过将场景表示为体素，每个体素包含CMYKWCl颜色信息，可以直接用于光敏树脂喷射3D打印。这种方法简化了打印流程，提高了打印模型的保真度和质量。

技术框架：Poxel框架主要包含以下几个阶段：1. 数据采集：使用相机或其他传感器获取场景的多视角图像。2. 体素重建：基于多视角图像，使用体素着色技术重建场景的三维体素表示。3. 颜色空间转换：将数字RGB颜色空间转换为物理CMYKWCl颜色空间，以适应光敏树脂喷射3D打印的要求。4. 打印优化：对体素网格进行优化，例如平滑处理、减少噪声等，以提高打印质量。5. 3D打印：使用光敏树脂喷射3D打印机打印出三维模型。

关键创新：Poxel最重要的技术创新点在于直接生成可打印的体素网格，并使用CMYKWCl颜色模型。与现有方法相比，Poxel无需进行复杂的后处理或颜色校正，可以直接输出高质量的3D打印模型。此外，Poxel还通过优化体素重建算法，提高了重建精度和效率。

关键设计：Poxel的关键设计包括：1. 体素大小的选择：体素大小直接影响重建精度和计算复杂度。需要根据具体应用场景进行权衡。2. 颜色空间转换算法：需要设计一种有效的RGB到CMYKWCl颜色空间转换算法，以保证打印模型的颜色准确性。3. 打印优化算法：需要设计一种有效的打印优化算法，例如平滑处理、减少噪声等，以提高打印质量。损失函数的设计未知，网络结构未知，参数设置未知。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文提出的Poxel框架能够直接输出可打印的体素网格，避免了传统方法中复杂的后处理和颜色校正步骤。实验结果表明，使用Poxel框架打印出的模型在颜色准确性和细节还原方面均优于现有方法。具体的性能数据和对比基线未知，提升幅度未知。

🎯 应用场景

Poxel技术可广泛应用于原型设计、艺术创作、医疗模型、教育展示等领域。通过直接生成可打印的体素网格，Poxel简化了3D打印流程，提高了打印模型的质量和效率，降低了3D打印的门槛。未来，Poxel有望成为一种通用的3D打印解决方案，推动3D打印技术的普及和应用。

📄 摘要（原文）

Recent advancements in 3D reconstruction, especially through neural rendering approaches like Neural Radiance Fields (NeRF) and Plenoxel, have led to high-quality 3D visualizations. However, these methods are optimized for digital environments and employ view-dependent color models (RGB) and 2D splatting techniques, which do not translate well to physical 3D printing. This paper introduces "Poxel", which stands for Printable-Voxel, a voxel-based 3D reconstruction framework optimized for photopolymer jetting 3D printing, which allows for high-resolution, full-color 3D models using a CMYKWCl color model. Our framework directly outputs printable voxel grids by removing view-dependency and converting the digital RGB color space to a physical CMYKWCl color space suitable for multi-material jetting. The proposed system achieves better fidelity and quality in printed models, aligning with the requirements of physical 3D objects.