六步實(shí)現(xiàn)3D打印的“掃描建模”

牟曉東 楊鑫芳

所謂的“3D掃描建?！?，指的是借助三維掃描儀來(lái)偵測(cè)并分析現(xiàn)實(shí)世界中物體或環(huán)境的形狀與外觀數(shù)據(jù)，然后將搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建計(jì)算，最終在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建與實(shí)際物體對(duì)應(yīng)的數(shù)字模型。這種方式特別適合于將手邊的小飾物進(jìn)行3D打印復(fù)制，因?yàn)檫@樣的實(shí)物手動(dòng)建模難度大且比較耗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)下載可能找不到合適的模型文件，最好的選擇就是進(jìn)行3D“掃描建模”。

三維掃描儀能夠創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)物體的幾何表面“點(diǎn)云”（Point Cloud），數(shù)目眾多的點(diǎn)可以通過(guò)插補(bǔ)來(lái)形成物體的表面形狀（點(diǎn)動(dòng)成線、線動(dòng)成面），點(diǎn)云越密集，創(chuàng)建的模型就越精確。另外，三維掃描儀還能夠獲取實(shí)物的表面顏色信息值，從而在重建的數(shù)字模型表面上進(jìn)行材質(zhì)UV映射（Texture Mapping）——給模型“穿”上對(duì)應(yīng)的材質(zhì)貼圖。目前常見(jiàn)的三維掃描儀視線范圍均呈圓錐狀，信息的搜集被限定于一定的角度掃描范圍內(nèi)，因此需要變換三維掃描儀與實(shí)際物體的相對(duì)位置，或者是將物體放置于電動(dòng)轉(zhuǎn)盤經(jīng)多次的旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)得到多個(gè)片面模型“拼湊”出的立體模型（圖1）。

目前市場(chǎng)上的三維掃描儀產(chǎn)品比較豐富，但其工作原理及使用方法大同小異，現(xiàn)以先臨三維EinScan-SE為例，操作步驟如下：

第一步：組裝設(shè)備和安裝軟件

首先將掃描頭小心地卡進(jìn)托架（注意方向），掃描鏡頭要朝向轉(zhuǎn)臺(tái)位置，將螺絲擰緊固定好。接著將轉(zhuǎn)臺(tái)放入支架，注意其底部有個(gè)突起對(duì)位標(biāo)記。然后支起標(biāo)定板支架，放置于轉(zhuǎn)臺(tái)的正中位置。連接好線路，一是轉(zhuǎn)臺(tái)與掃描頭的連接線，二是掃描頭與電腦的USB線，三是掃描儀的電源線。注意：工作間的光線強(qiáng)度不能過(guò)強(qiáng)，最好避免強(qiáng)烈陽(yáng)光照射;另外，要保證三維掃描儀放置于水平桌面上，周圍無(wú)雜物遮擋干擾。

輕觸掃描頭背部電源鍵開(kāi)機(jī)，在電腦中進(jìn)行隨機(jī)自帶軟件的安裝，成功后運(yùn)行EinScan-S series_v2.7.0.6程序即可。

第二步：掃描前的預(yù)備動(dòng)作——“標(biāo)定”

首次運(yùn)行掃描軟件后必須要進(jìn)行“標(biāo)定”操作，否則無(wú)法進(jìn)入正式的掃描模式?！皹?biāo)定”指的是掃描儀通過(guò)相機(jī)拍攝帶有固定間距圖案陣列的標(biāo)定板，然后再經(jīng)過(guò)標(biāo)定算法的計(jì)算來(lái)確定其物理尺寸及像素間的換算關(guān)系，降低鏡頭的畸變，使掃描圖像與實(shí)物更接近，最終得出較為接近原型的幾何模型。

軟件會(huì)先提示選擇設(shè)備類型，可根據(jù)自己的掃描儀進(jìn)行確認(rèn)（比如EinScan-SE）。點(diǎn)擊“下一步”按鈕進(jìn)行在線激活，下載完許可證工具后再點(diǎn)擊“下一步”按鈕進(jìn)入“選擇工作模式”，保持默認(rèn)的“標(biāo)定”項(xiàng)再點(diǎn)擊“下一步”按鈕，準(zhǔn)備開(kāi)始進(jìn)行標(biāo)定操作（圖2）。

此時(shí)要特別注意在標(biāo)定采集信息過(guò)程中不要移動(dòng)標(biāo)定板，確保標(biāo)定板放置平穩(wěn)且正對(duì)掃描頭，此時(shí)掃描儀的亮十字標(biāo)志應(yīng)該是對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定板中心位置且保持清晰狀態(tài)。第一次標(biāo)定要按照提示保持標(biāo)定板的三個(gè)水平白色標(biāo)定點(diǎn)在下、第四個(gè)白色標(biāo)定點(diǎn)在上。點(diǎn)擊“采集”按鈕，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)自動(dòng)定時(shí)帶動(dòng)標(biāo)定板旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始第一組A標(biāo)定信息的采集。結(jié)束后提示將標(biāo)定板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，原來(lái)的三個(gè)水平白色標(biāo)定點(diǎn)為豎直狀態(tài)，點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行第二組B標(biāo)定信息的采集。結(jié)束后再將標(biāo)定板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，點(diǎn)擊“采集”按鈕進(jìn)行第三組C標(biāo)定信息的采集（圖3）。

注意：標(biāo)定操作不是每次進(jìn)行掃描之前都必須要執(zhí)行的，只有初次使用掃描儀、運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的震動(dòng)以及掃描過(guò)程中出現(xiàn)“拼接錯(cuò)誤”“拼接失敗”“數(shù)據(jù)不完整”等現(xiàn)象時(shí)才進(jìn)行。

第三步：調(diào)節(jié)白平衡

標(biāo)定結(jié)束之后再次進(jìn)入“選擇工作模式”，選擇“固定掃描”項(xiàng)，點(diǎn)擊“下一步”按鈕后選擇“新建工程”，設(shè)置好文件保存路徑及文件名（如桌面01.fix_prj）。點(diǎn)擊“保存”按鈕后選擇“紋理選擇”中的“紋理掃描”項(xiàng)，再點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕，軟件會(huì)提示“是否要繼續(xù)做白平衡測(cè)試”，點(diǎn)擊“是”按鈕后再點(diǎn)擊“開(kāi)始白平衡”按鈕進(jìn)行白平衡測(cè)試調(diào)節(jié)。結(jié)束后進(jìn)入“選擇與物體明暗相近的設(shè)置”環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際情況選擇“中”后點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕（圖4）。

第四步：實(shí)物掃描過(guò)程

將待掃描的實(shí)物輕輕放置于轉(zhuǎn)臺(tái)的正中央位置（即之前進(jìn)行標(biāo)定的位置），勾選左側(cè)的“使用轉(zhuǎn)臺(tái)”項(xiàng)并保持默認(rèn)的掃描次數(shù)為“8”（否則進(jìn)行的便是“單片掃描”）。然后點(diǎn)擊右側(cè)的“開(kāi)始掃描”按鈕，軟件就會(huì)提示“掃描中請(qǐng)勿移動(dòng)物體和設(shè)備”，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)就會(huì)定時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)22.5度（旋轉(zhuǎn)一圈掃描8次）進(jìn)行掃描。界面上會(huì)同步出現(xiàn)掃描頭所正視的實(shí)物畫(huà)面，同時(shí)在左下角還會(huì)有“點(diǎn)數(shù)：694，057 面片數(shù)：680，900”的數(shù)據(jù)信息。掃描結(jié)束后會(huì)在右下角出現(xiàn)綠色對(duì)號(hào)和紅色叉號(hào)的選擇提示，叉號(hào)表示刪除當(dāng)前掃描數(shù)據(jù)，一般情況下直接點(diǎn)擊對(duì)號(hào)進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的保存（圖5）。

第五步：封裝模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)保存

掃描結(jié)束后需要進(jìn)行模型的封裝操作，此處通常點(diǎn)擊“封閉模型”項(xiàng)。接著設(shè)置細(xì)節(jié)程度（比如“中細(xì)節(jié)”），級(jí)別越高，生成模型的表面就越光滑，但需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，底部進(jìn)度條跑到100%之后出現(xiàn)數(shù)據(jù)后處理對(duì)話框，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化、補(bǔ)洞、平滑和銳化等操作，點(diǎn)擊“應(yīng)用”按鈕后進(jìn)入“保存/分享數(shù)據(jù)”環(huán)節(jié)，再點(diǎn)擊右側(cè)的“保存數(shù)據(jù)”按鈕，設(shè)置好保存路徑及文件名，此時(shí)最好是選擇文件的保存類型為.obj，這樣可以被絕大多數(shù)三維建模軟件讀取并進(jìn)行二次修改。點(diǎn)擊“保存”按鈕之后，在彈出的對(duì)話框中保持默認(rèn)的“縮放比例：100”不變，直接點(diǎn)擊“縮放”按鈕，進(jìn)行最終的掃描數(shù)據(jù)的保存操作（圖6）。

第六步：在專業(yè)建模軟件中進(jìn)行模型檢測(cè)

3D掃描建模所得到的OBJ模型文件的數(shù)據(jù)信息是否正常，需要通過(guò)專業(yè)的三維建模軟件來(lái)檢測(cè)，以C4D R18為例，讀取剛剛生成的Snanner.obj文件。剛剛導(dǎo)入的模型文件是默認(rèn)的灰白色材質(zhì)（無(wú)顏色）顯示狀態(tài)，需要在C4D左下區(qū)域處雙擊執(zhí)行新建材質(zhì)球操作，然后雙擊打開(kāi)該材質(zhì)球的“材質(zhì)編輯器”窗口，切換至第一個(gè)“顏色”選項(xiàng)。點(diǎn)擊“紋理”后的“…”，定位于剛剛生成OBJ文件時(shí)同步生成的一個(gè)同名的JPG圖像文件，這個(gè)就是三維建模的UV貼圖文件。再將這個(gè)材質(zhì)拖至OBJ模型上，一個(gè)與實(shí)際物體幾乎一模一樣的三維模型非常完美地出現(xiàn)了，可點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵切換視圖，從各個(gè)角度來(lái)觀察模型是否存在不完善的地方（圖7）。

至此，3D掃描建模結(jié)束，可以繼續(xù)在C4D中進(jìn)行模型的修補(bǔ)與創(chuàng)造（比如添加帽子或按30%比例復(fù)制添加另外一個(gè)“子模型”）。接下來(lái)再使用相關(guān)的軟件進(jìn)行模型的檢測(cè)與修復(fù)、切片等操作，最終在3D打印機(jī)中進(jìn)行打印輸出即可，大家不妨一試。