3D掃描技術(shù)在雕塑領(lǐng)域的運(yùn)用

■ 黃平 by Huang Ping

若干年前一提到三維掃描，在人們的腦海中還是比較陌生，或者遙不可及。因?yàn)楫?dāng)時(shí)，工業(yè)領(lǐng)域中還只是在用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，醫(yī)院里的CT掃描也是讓人覺得是個(gè)天價(jià)設(shè)備。雖然有人設(shè)想過把這個(gè)技術(shù)用在雕塑上會(huì)怎么樣，但是僅僅是設(shè)想而已,并沒有一個(gè)清晰的概念。近年來，隨著半導(dǎo)體芯片技術(shù)的發(fā)展，三維掃描技術(shù)迅速發(fā)展，特別是三維激光掃描儀，越做越輕巧，精度也越來越高，掃描速度也更加快,價(jià)格也下降到可以承受的地步。作為一種技術(shù)性探索,在雕塑制作過程中我們運(yùn)用了一些掃描設(shè)備，并總結(jié)出了一些工藝和經(jīng)驗(yàn)。

一、三維掃描儀的介紹

1.三維掃描的工作原理及分類

之所以稱三維掃描，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)測(cè)量概念里，所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出圖），在現(xiàn)在測(cè)量?jī)x器里全站儀及GPS比重居多，但測(cè)量的數(shù)據(jù)都是二維形式的，在逐步發(fā)展的數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸地代替二維，因?yàn)槠渲庇^是二維無法表示的，現(xiàn)在的三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點(diǎn)的信息，還包括 R,G,B顏色信息，同時(shí)還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺，是一般測(cè)量手段無法做到的。還有，我們目前說的三維掃描儀是指非接觸式，包括光學(xué)測(cè)量，超聲波測(cè)量，電磁波測(cè)量等手段。

2.三維激光掃描儀的工作原理和分類

三維激光掃描儀是三維掃描設(shè)備中的一種，目前運(yùn)用比較普遍，其基本工作原理是用條狀激光三維激光掃描儀對(duì)輸入對(duì)象進(jìn)行掃描，使用CCD相機(jī)接受其反射光束。根據(jù)三角測(cè)距原理獲得與拍攝物體之間的距離，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)化處理。經(jīng)過軟件的處理初步得到的是密密麻麻的坐標(biāo)點(diǎn)（稱點(diǎn)云），或者有些軟件干脆把相鄰的3個(gè)點(diǎn)連接成一個(gè)三角面使得我們得到一個(gè)有許多面片組成的面片組。因此同樣的結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，點(diǎn)越密集，細(xì)節(jié)就越豐富。

從掃描形式上來分，三維激光掃描又分旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描技術(shù)，全息掃描技術(shù)，有些掃描儀必須固定掃描，微微震動(dòng)都不允許，還有些可以手持掃描，掃到哪里，數(shù)據(jù)就補(bǔ)充到哪里，有些掃描儀還必須把稿子放在一個(gè)特定的背景中掃描，有些要在稿子上密密麻麻貼參考點(diǎn)掃描。有些掃描儀帶有機(jī)械手臂等等，五花八門各種各樣。

二、掃描雕塑需要怎樣的三維激光掃描儀

1.雕塑造型區(qū)別于其它造型的特點(diǎn)

了解了三維激光掃描儀的種類和工作原理和方式以后，我們談?wù)勀男呙鑳x比較適合雕塑掃描呢？假如我們要挑選設(shè)備應(yīng)該要了解哪些知識(shí)呢？這個(gè)還需要從工業(yè)造型和雕塑造型的區(qū)別來談起。因?yàn)槟壳霸S多三維激光掃描儀都是針對(duì)工業(yè)逆向技術(shù)開發(fā)的。

工業(yè)造型需要光潔規(guī)則的曲面，而且曲面是可以用特定的函數(shù)來表達(dá)的，因此只要測(cè)量出該表明的部分點(diǎn)就可以推算出整個(gè)表面，比如：如果知道該表面是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球體，那么從理論上說只要測(cè)量出4個(gè)點(diǎn)就可以推算出整個(gè)球面。而雕塑的形狀就復(fù)雜多了，掃描盲點(diǎn)也比較多，比如較深的衣紋皺折，彎曲的手臂內(nèi)側(cè)，而且這些表面用函數(shù)曲面來表達(dá)數(shù)據(jù)將非常龐大，很多情況需要表面保留坑洼的肌理效果，因此需要掃描儀邊邊角角都能夠掃到。從精度上來說，工業(yè)造型需要比較高的精度，因?yàn)樯婕暗侥＞叩募庸?。而一個(gè)雕塑頭像假如鼻子高了0.01mm對(duì)于視覺上來說根本不是問題。

2.適合雕塑掃描的三維激光掃描儀主要要考慮的問題

三維激光掃描儀的工作過程跟拍照片比較相似，因?yàn)槭枪鈱W(xué)掃描就只能掃描物體的表面，因此每次掃描都只能掃描能夠看見的一面，所以掃描數(shù)據(jù)是破碎的局部，需要用專用軟件來拼合。打個(gè)比喻，好比文物修復(fù)人員把挖掘出來的碎陶片拼合成完整的陶罐，有些缺失的部分還需要用石膏修補(bǔ)好。這點(diǎn)上，手持式掃描儀做得比較好，它可以自動(dòng)根據(jù)掃描部位拼合數(shù)據(jù)，在軟件上看，掃描儀掃到哪里，數(shù)據(jù)就像長(zhǎng)出來一樣，生成到哪里。但是一般手持式掃描需要事先在雕塑上預(yù)先貼點(diǎn)，工作量也不小，每個(gè)特制貼點(diǎn)也需要花錢。因此說每種掃描儀都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

針對(duì)雕塑行業(yè)來說，激光掃描儀的選用，需要考慮以下幾點(diǎn)：

①便攜輕巧，一般掃描雕塑的環(huán)境比較惡劣，特別是在雕塑車間里，不但臟亂，而且磕磕絆絆，如果設(shè)備笨重，將直接影響掃描的工作強(qiáng)度和花費(fèi)的時(shí)間。

②掃描速度快，就是每次拍攝的時(shí)間比較快，好象相機(jī)的快門，如果足夠快就能夠精確捕捉到動(dòng)態(tài)物體。這里需要探討掃描真人模特所遇到的，許多剛接觸三維激光掃描儀的人會(huì)想到用于掃描完整的人體。我個(gè)人認(rèn)為假如采用傳統(tǒng)方式掃描是不太可能實(shí)現(xiàn)的，頂多掃描一個(gè)臉部。因?yàn)橐粋€(gè)人體一般需要掃描幾十次才能完成，每次掃描然后保存數(shù)據(jù)加移動(dòng)鏡頭最起碼要1分鐘，要讓一個(gè)人保持幾十分鐘紋絲不動(dòng)幾乎是不可能的，目前能夠直接精細(xì)掃描真人的機(jī)器非常昂貴。據(jù)我總結(jié)，掃描真人的方式有這么幾種。第一種，日本有資料顯示一種解決方案，多臺(tái)掃描儀聯(lián)機(jī)掃描以縮短掃描時(shí)間，但是聯(lián)機(jī)掃描也不是同時(shí)掃，因?yàn)槊颗_(tái)激光掃描儀還不能分辨出激光光斑是自己發(fā)出的激光所產(chǎn)生的反饋。而且配套的掃描軟件似乎也不支持多臺(tái)設(shè)備同時(shí)聯(lián)掃，所以需要多人多電腦按次序操作，無非是縮短了掃描的時(shí)間，數(shù)據(jù)相對(duì)好一些但是付出代價(jià)也是巨大的。第二種，掃描前固定人體，需要事先設(shè)計(jì)好一種輕巧的鋼架，按照肢勢(shì)將人體固定，這樣能減輕模特的負(fù)擔(dān)，掃描的時(shí)候人和架子一起掃描，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理的時(shí)候?qū)⒓茏硬糠中薜簟５谌N，這種方式還需要探索，就是在模特背后安放鏡子，掃描的時(shí)候連鏡子一起掃描，這樣能夠得到模特背后的數(shù)據(jù)，有相關(guān)視頻資料為證，但是我沒實(shí)踐過。

③精度不需要極高，但是分辨率要高，也就是每次掃出來的點(diǎn)要密。掃描精度這個(gè)概念比較寬泛。比如：掃描一個(gè)圓杯子，有直徑尺寸的誤差，內(nèi)外壁圓柱體中心軸有同軸度誤差，杯底平面和杯口平面有平行度誤差，平面有翹曲誤差……這些誤差也許對(duì)雕塑來說只要肉眼分辨不出便不是問題,但是假如分辨率不高，如杯子上有微微突起的字不能夠清晰掃描出來，這一點(diǎn)工業(yè)上不在乎，但是對(duì)雕塑來說卻很重要。

④數(shù)據(jù)拼合容易，有些掃描儀如手提式的，掃描過程中自動(dòng)就把點(diǎn)云拼和了，雖然存在誤差問題，但是便捷后續(xù)的數(shù)據(jù)整理。有些是靠軟件來拼和的，雖然相對(duì)麻煩，但是我覺得只要操作簡(jiǎn)便也是可以采納的。數(shù)據(jù)拼合的好壞也直接影響最后模型的精度和表面效果，需要值得重視。

⑤掃描尺寸問題，一些掃描儀只能掃描小尺寸物體，這對(duì)掃描雕塑而言是個(gè)局限，有些遠(yuǎn)程掃描儀可以掃描大樓，但是價(jià)格昂貴，用它來掃等大人體也是導(dǎo)彈打蚊子，不合適。因此，小的物體能夠掃到拳頭大小，大的物體如果能夠采用軟件適當(dāng)拼合，比較輕松地掃描等大或3m稿左右的設(shè)備比較理想。

綜上所述，在符合以上條件的前提下，價(jià)格適中的掃描儀可以考慮采用。當(dāng)然了，頂極品牌的設(shè)備肯定是最好的。

三、不同型號(hào)的設(shè)備掃描實(shí)例簡(jiǎn)介

1.石膏頭像掃描

掃描時(shí)間：2003年/采用儀器：國(guó)產(chǎn)深圳特得維TDV-500抄數(shù)機(jī)/輸出格式：點(diǎn)云.ASC格式

這個(gè)設(shè)備雖然比較笨重,掃描尺寸也限制在60cm見方左右,但是精度尚可，分辨率尚可，假如把路徑設(shè)置錯(cuò)開，可以多次掃描，得到很密的點(diǎn)云。但是路徑設(shè)置過程假如不夠熟練，那對(duì)操作者來說簡(jiǎn)直就是噩夢(mèng)！我曾經(jīng)提出過幾個(gè)方案給有關(guān)公司的工程師建議簡(jiǎn)化設(shè)置過程，結(jié)果新版本改動(dòng)微小?？傮w感覺該設(shè)備掃描一些細(xì)小的東西還是不錯(cuò)的，操作性不強(qiáng)，但掃描過程時(shí)間長(zhǎng)，可視性不夠，還有此設(shè)備需要經(jīng)常進(jìn)行人工校準(zhǔn)，不然左右鏡頭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏移會(huì)增大，到時(shí)候只能用一邊的鏡頭數(shù)據(jù)。

2.等大人體泥稿掃描

掃描時(shí)間：2006年/采用儀器：美能達(dá)VIVID 9I/輸出格式：STL三角面片格式

該設(shè)備相對(duì)前者來說輕巧許多，屬于旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描技術(shù)，每次掃描數(shù)據(jù)的速度只要3-5秒，掃描范圍60cm見方，因此泥稿需要多角度多方位掃描，由于泥稿的激光反射性不是很強(qiáng)，而且泥稿不能翻轉(zhuǎn)，因此掃描儀由于位置局限的問題和材料表面的特性，數(shù)據(jù)出現(xiàn)許多漏洞，而且，泥稿的鋼架也同時(shí)掃描進(jìn)去了，最后通過修補(bǔ)軟件將漏洞修補(bǔ)完整。因此得出結(jié)論認(rèn)為最好是掃描玻璃鋼稿，激光表面反射好，而且重量輕，可以翻轉(zhuǎn)，躺倒以各種角度來掃描，這樣數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)更好。

3.大型佛像掃描

掃描時(shí)間：2008年/采用儀器：徠卡ScanStation2 全站式掃描儀/輸出格式：STL三角面片格式

這個(gè)佛像很高，有20多米高，搭腳手架就用了不少時(shí)間，遠(yuǎn)程掃描儀非常強(qiáng)大，可以用網(wǎng)線跟電腦聯(lián)結(jié)，現(xiàn)場(chǎng)用了根很長(zhǎng)的線，雖然掃描速度有些慢（它是單束激光掃描），但是數(shù)據(jù)非常精細(xì)，從圖上可以看出點(diǎn)云數(shù)據(jù)很密，激光穿透佛像額心的寶石將寶石底座都掃描出來了！佛像佛光部分的紋路也是清晰可見。掃描花掉四天時(shí)間，最后整理出的面片數(shù)據(jù)達(dá)到九百萬個(gè)面，圖形工作站花了一個(gè)星期的時(shí)間才整理完整。

四、掃描數(shù)據(jù)的運(yùn)用

掃描得出的數(shù)據(jù)一般格式都是三角面片格式。目前的所有3D軟件基本上都可以導(dǎo)入處理。工業(yè)軟件可以根據(jù)面片數(shù)據(jù)或者點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出曲面數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行CAD修改和CAM機(jī)床加工。在雕塑上，以前很多人認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)頂多運(yùn)用在渲染，出出效果圖上，如果僅此那真是大材小用了。目前，在雕塑泥稿放大過程中，通過對(duì)3D數(shù)據(jù)的分析和切片，大大改善了傳統(tǒng)的手工套圈工藝。復(fù)雜的大型群雕，大型佛像，大型浮雕都可以分切到上百層，上百米的雕塑可以分開好幾段分別同時(shí)加工，形體準(zhǔn)確，施工速度快，雕塑若需要改動(dòng)可以事先通過軟件調(diào)整，雕塑總面積和體積也是可以根據(jù)軟件精確計(jì)算出來。隨著立體成型技術(shù)（3D打?。┑陌l(fā)展和推廣，把電腦中的數(shù)據(jù)變成實(shí)際的東西現(xiàn)在可以輕松實(shí)現(xiàn)，2m稿掃描打印成30cm精細(xì)小稿費(fèi)用也是算很高。還有數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也使得做大型雕塑的過程脫離泥塑放大的步驟，我們可以直接將雕塑在電腦中放大，然后直接銑削成型，這個(gè)目前來說也不是神話。

隨著科技發(fā)展，IT業(yè)和電影等行業(yè)逐漸向3D技術(shù)發(fā)展，未來的科技也將以3D技術(shù)為主流，正如數(shù)碼相機(jī)對(duì)膠卷相機(jī)的沖擊一樣，三維激光掃描儀對(duì)雕塑創(chuàng)作可以說也是一個(gè)沖擊，在這個(gè)問題上圈內(nèi)很多持否定態(tài)度，但是我個(gè)人認(rèn)為作為一種高科技工具來用，三維激光掃描儀可以對(duì)我們的雕塑創(chuàng)作提供一定的幫助，它給雕塑家提供一種自動(dòng)化途徑。好比開車，有些人開手動(dòng)擋有些人開自動(dòng)擋效果都是一樣的。現(xiàn)在我們可以拍張照片然后用電腦軟件處理一下成為“油畫”“版畫”，那么是否今后我們可以把掃描數(shù)據(jù)變形處理然后成型為雕塑作品呢？

（黃平 中國(guó)美術(shù)學(xué)院雕塑系）

1 許智欽.孫長(zhǎng)庫(kù).3D逆向工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社

2 劉偉軍.逆向工程—原理方法及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社

3 王霄.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社

4 劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社