3D打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)的研究與實現(xiàn)

董 文

（武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430070）

自動獲取人像三維數(shù)據(jù)并能高精度重建是三維人臉識別的研究熱點，在信息保密、安全認(rèn)證、刑偵系統(tǒng)等領(lǐng)域都有較高的應(yīng)用前景，3D打印在國內(nèi)外從出現(xiàn)到逐步走向成熟,已經(jīng)在各個行業(yè)獲得越來越廣泛的應(yīng)用，三維造型設(shè)計快速成型加工等具有較高的應(yīng)用價值和市場前景。

一、3D打印技術(shù)的扼要介紹

3D打印這一概念是在19世紀(jì)末的美國被提出來，隨著對其研究的不斷深入，在20世紀(jì)80年代中期被恩里科·迪尼發(fā)明，在后期能夠?qū)崿F(xiàn)三維打印的打印機(jī)被成功地研制出來，并開始投入市場。3D打印機(jī)其實就是一種累積制造技術(shù)，在打印過程中可以在信息設(shè)備中預(yù)設(shè)好三維立體模型，然后就能夠成功地打印出來，3D打印機(jī)的具體使用內(nèi)容有兩項，第一需要在想要成型的位置鋪設(shè)專用的膠水；第二，勻稱的鋪設(shè)粉末，當(dāng)粉末碰到膠水之后，就會快速凝結(jié)，但是在沒有膠水的位置粉末還是維持著疏松的樣子，反復(fù)進(jìn)行這些步驟至預(yù)設(shè)好的三維立體模型被成功打印出來。因為這個反復(fù)重復(fù)加工的步驟非常類似于噴墨打印機(jī)，所以這種技術(shù)就被叫作“打印機(jī)”。

二、3D打印技術(shù)的發(fā)展前景

3D打印技術(shù)已經(jīng)朝向多樣化和創(chuàng)新性發(fā)展，不僅在傳統(tǒng)的行業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，甚至在人們生活的方方面面中也在發(fā)揮著其作用，在我國，人民大眾都在熱切地關(guān)注3D打印技術(shù)，并且對其的研究也在不斷深入，對此我們可以從三分內(nèi)容來具體分析其發(fā)展前景。3D打印技術(shù)主要朝著下面三個方向發(fā)展：

（一）3D打印技術(shù)的速度和效能會得到明顯的提高

目前在國內(nèi)和國際都在不斷深入對其進(jìn)行研究，使用各種材料和工藝技術(shù)希望能夠提高其打印的速度和效能，所以在未來3D打印技術(shù)非常有可能會提高其速度和效能。

（二）3D打印技術(shù)使用的材料將會更多元

3D打印技術(shù)的發(fā)展，以及材料的革新，各種新型材料的不斷出現(xiàn)，例如納米材料、稀土永磁材料、無機(jī)功能材料以及高性能纖維等都有可能會作為3D打印技術(shù)的材料。

（三）3D打印技術(shù)會面向人民大眾

以前由于3D打印機(jī)價格昂貴，使得許多群眾望而卻步，但是隨著3D打印技術(shù)的研究深入，有些不太大的3D打印機(jī)制造廠家也逐漸開始在市場中投入低于一萬美元的3D打印機(jī)。自從3D打印技術(shù)被發(fā)明出來，從最開始在航天工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、醫(yī)療和建筑工程中用于模型制造，現(xiàn)在正在逐漸完善，應(yīng)用的行業(yè)和范圍也越來越多，例如高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、生物領(lǐng)域。根據(jù)專家預(yù)測，3D打印技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展，以后人類的日常生活用品，例如牙刷等都有可能來自于3D打印機(jī)[1]。

三、3D打印技術(shù)的核心技術(shù)探究

下文主要探究的3D打印技術(shù)的核心技術(shù)，怎樣實現(xiàn)從二維至三維的精確轉(zhuǎn)變和重構(gòu)精確的三維曲面。其中快速成型是一種最新的高科技制造技術(shù)，利用分層反復(fù)成型的方式來進(jìn)行加工成型，通過這項技術(shù)不管多么復(fù)雜的三維事物都能夠被構(gòu)建出來[2]。

（一）收集人像資料

現(xiàn)在收集3D圖像大多數(shù)都是通過三維掃描儀，一般使用的光學(xué)掃描措施包括光柵掃描法和激光掃描法。文中探究手機(jī)的人像三視圖為單反拍攝，將會使用其作為之后處理的原始資料，再放入相關(guān)的軟件來構(gòu)建三維曲面并處理。通過數(shù)據(jù)計算能夠得到人像上各個區(qū)域的像素點曲率值，然后再以其曲率值的大小來劃分網(wǎng)格，曲率變化大的部分使用小網(wǎng)格，能夠有效地預(yù)防資料遺失，曲率變化穩(wěn)定的部分使用大網(wǎng)格，能夠縮減曲面構(gòu)成和重建的預(yù)算數(shù)據(jù)。

（二）導(dǎo)入人像資料

將收集的人像資料導(dǎo)入MAYA軟件中，通過專業(yè)的工具和特定的功能來明確人像界限。這個軟件是使用相對廣泛的非常有名的三維建模和動畫設(shè)計制作軟件，在動畫設(shè)計、三維樣式、模型組建等方面應(yīng)用規(guī)模較大，并且其強(qiáng)大的功能能夠有效地開展數(shù)字和三維構(gòu)建。

（三）區(qū)分人像網(wǎng)格

可以通過劃分網(wǎng)格曲率來進(jìn)行，隨便選取三個鄰近的像素點作為中心，然后擬定其坐標(biāo)，通過MAYA軟件能夠得知各個點的詳細(xì)坐標(biāo)，再以這三個點為基礎(chǔ)來明確一個圓，通過這三個點能夠求出圓心坐標(biāo)。收集三維資料的最終的最重要的目的就是構(gòu)建人像三維模型，構(gòu)建人像三維模型，第一就是要將人像進(jìn)行曲面擬合，利用網(wǎng)格來劃分人像，然后再以劃分結(jié)果開展曲面擬合。

（四）通過MAYA軟件來重構(gòu)人像三維曲面和三維模型

先在x-y平面中選取圖-圖像作為平面，然后放入人像前視圖，并以此為參照來開展繪圖。構(gòu)建一個多邊形的基礎(chǔ)模型，再通過調(diào)整來得到和圖形類似的大小。再通過多邊形切分功能來繪制頭部和眼睛的相關(guān)細(xì)節(jié)，使模型層次更明顯，得到的模型結(jié)構(gòu)以及較為完整，初步實現(xiàn)了網(wǎng)格的精確劃分。人像的頭部模型也基本完成。再調(diào)整網(wǎng)格，使其更加精確，完善MAYA軟件制造的模型。

（五）通過相關(guān)的軟件完成人像曲面構(gòu)建和三維構(gòu)造

通過軟件的筆刷功能，來構(gòu)建人像的鼻子和嘴巴，將人像的特征更加精確化，并且對棱角突出的地方可以進(jìn)行平滑處理。

四、3D打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)

3D打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)的硬件部分由主機(jī)和電控系統(tǒng)構(gòu)成，主機(jī)包括系統(tǒng)外層、主框架、電控系統(tǒng)、XY掃描系統(tǒng)等。下面探究用的3D打印機(jī)使用的3D打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)為熔融擠壓快速成型技術(shù)。

（1）3D打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)工作步驟。3D打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)工作步驟見圖1。

（2）3D打印三維人像。通過MAYA軟件得到的面片圖形還不是三維實體模型，不能夠交由3D打印數(shù)字人像快速成型系統(tǒng)進(jìn)行成型，必須要對其進(jìn)行有效處理，變?yōu)槿S實體模型，才能夠進(jìn)三維打印。將MAYA軟件得到的曲面模型及三維數(shù)字人像放入專業(yè)軟件進(jìn)行相關(guān)處理完成數(shù)控加工，利用其有效功能導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)。通過曲面經(jīng)雕刻和設(shè)置走刀方法等有關(guān)功能，提高加工精確值。得到的打印路徑也就是刀路圖構(gòu)建成了3D模型，刀路圖就是根據(jù)打印噴頭的路線，最終刀路圖構(gòu)成了一個三維人像，通過模仿實踐中3D打印成型的步驟。所以，刀路就是三維人像，在實踐中，這是3D打印的其中一個方法。再將做好的三維實體模型放入成型機(jī)加工軟件里，這個軟件的名稱叫Magics，是由馬瑞斯三維打印技術(shù)有限公司所研發(fā)的用于3D打印的一個軟件，通過這個軟件能夠更便利地設(shè)置打印數(shù)據(jù)，除此之外其還能夠和其他3D打印設(shè)備實現(xiàn)完美對接進(jìn)行打印服務(wù)，最后得到良好的打印效果[3]。

五、總結(jié)

文章分析了三維打印數(shù)字人像快速成型的技術(shù)，其可以完成人像資料的收集、數(shù)據(jù)的首要處理、曲面構(gòu)造、三維模型構(gòu)成及三維打印，并且分析了采用了具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新技術(shù)的措施來進(jìn)行三維模型構(gòu)造和網(wǎng)格劃分的內(nèi)容，這些技術(shù)可以給予三維人像快速成型理論知識和實踐經(jīng)驗，不僅可操作性強(qiáng)，而且在構(gòu)建三維人像模型、設(shè)計三維模型、人像快速成型加工等各個內(nèi)容中還具有非常良好的應(yīng)用作用和市場展望價值。

圖1 3D 打印數(shù)字人像快速成型技術(shù)工作步驟