三維掃描儀在當(dāng)代雕塑領(lǐng)域的有效運(yùn)用

陳尚儉 王江峰

摘 要：三維激光掃描技術(shù)是隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，近年來在逆向工程領(lǐng)域中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，但雕塑的制作流程、制作要求與工業(yè)造型不同，三維掃描技術(shù)的應(yīng)用也有所差異。本文探討了雕塑領(lǐng)域中三維掃描儀的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：雕塑;三維掃描儀;原理;應(yīng)用

盡管三維掃描技術(shù)在醫(yī)學(xué)、印刷、工業(yè)等領(lǐng)域有所涉及，但將這一技術(shù)應(yīng)用于雕塑領(lǐng)域中，對(duì)于很多雕塑藝術(shù)家而言，只是一個(gè)設(shè)想而已。然而，近年來隨著科學(xué)、技術(shù)的飛速發(fā)展以及三維技術(shù)的完善，曾經(jīng)的設(shè)想已經(jīng)落實(shí)。

1.三維掃描儀概述

1.1類型

三維掃描儀可分為兩大類：一種是接觸式三維掃描儀，另一種是非接觸式三維掃描儀。后者又包括激光掃描儀、拍照式三維掃描儀，其中，前者分為點(diǎn)激光、面激光、線激光三種類型;后者可細(xì)分為白光掃描、藍(lán)光掃描等。

拍照式三維掃描儀的工作方式是非接觸式的，采用白光光柵掃描，能夠全自動(dòng)拼接。優(yōu)勢(shì)是解析度高、效率高、精度高、使用壽命長(zhǎng)，非常適合在復(fù)雜且自由的曲面逆向建模中使用，是RE、逆向設(shè)計(jì)、三維檢測(cè)CAV、逆向掃描等逆向工程以及快速成型、三維立體掃描、三維設(shè)計(jì)、三維數(shù)字化等產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的重要設(shè)備，更是開發(fā)產(chǎn)品、檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的工具。使用拍照式三維掃描儀時(shí)，不會(huì)直接與物體接觸，可以一邊測(cè)量一邊轉(zhuǎn)動(dòng)物體，不僅能夠360°高精度測(cè)量，還能全自動(dòng)拼接。系統(tǒng)獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)后，并提取紋理信息，獲得真實(shí)的三維立體模型。

繼GPS技術(shù)后，三維激光掃描是又一次技術(shù)創(chuàng)新，通過高速激光掃描以及大面積的高分辨率，能夠迅速測(cè)量物體表面的三維坐標(biāo)信息，獲得大量采集空間的點(diǎn)位信息，為構(gòu)建物體的三維模型提供了技術(shù)支持。三維激光掃描技術(shù)具有主動(dòng)性、自動(dòng)化、無接觸、高密度、實(shí)時(shí)性、數(shù)字化、動(dòng)態(tài)性、穿透性等特點(diǎn)，一經(jīng)推廣，便受到各行業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注。

1.2原理

三維掃描技術(shù)融合了多種技術(shù)類型，比如機(jī)電、光、信息等，可掃描物體的外形與色彩，測(cè)量物體表面的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。技術(shù)原理為：利用條狀激光掃描物體，通過CCD相機(jī)接收激光的反射光束。根據(jù)光速測(cè)距來獲得光束和物體之間的距離，使用專業(yè)軟件將相鄰的三個(gè)點(diǎn)連成三角形的面，然后再將三角面連接成若干面片組，面片組的數(shù)量越多、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，掃描細(xì)節(jié)就越多。三維掃描技術(shù)有全系掃描與棱鏡掃描兩種形式，部分掃描需要將反光點(diǎn)貼在物體表面，還有些掃描有特殊要求，比如需要物體保持絕對(duì)的靜止，任何輕微的振動(dòng)都不允許。

2.雕塑領(lǐng)域三維掃描儀的選擇

工業(yè)造型中，要求曲面光潔且規(guī)則，而且可通過特點(diǎn)函數(shù)來表達(dá)曲面，所以只需要測(cè)量函數(shù)表達(dá)的部分點(diǎn)即可，之后再推算出物體的整個(gè)表面。比如，在已知表面是標(biāo)準(zhǔn)球體的前提下，只需要測(cè)量四個(gè)點(diǎn)，便可以推算出球面。與工業(yè)造型相比，雕塑造影更加復(fù)雜，掃描盲點(diǎn)更多，比如紋理皺褶、臂彎等部位。如果用函數(shù)曲面表達(dá)這些表面，則需要龐大的數(shù)據(jù)量，而且雕塑造型更多情況下需要保留物體表面原本的紋理效果，所以要求掃描儀能夠測(cè)量邊邊角角、各個(gè)角度的數(shù)據(jù)。工業(yè)造型對(duì)測(cè)量精度的要求較高，相對(duì)的，雕塑造型不需要抬高的測(cè)量精度，因此，在三維掃描儀的選擇上，可以考慮：

①攜帶方便：很多情況下，需要在臟亂、擁擠、狹窄的環(huán)境下掃描雕塑，如果掃描設(shè)備龐大、笨重，則會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，而且操作十分不便。

②掃描迅速：拍攝時(shí)間越快，越能捕捉到動(dòng)態(tài)物體的細(xì)節(jié)。比如掃描真人模特，要想掃描完整的人體顯然是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槿梭w需要數(shù)十次才能掃描完成，每掃描一次，保存數(shù)據(jù)與移動(dòng)鏡頭的時(shí)間便需要1min，這需要模特在幾十分鐘內(nèi)保持紋絲不動(dòng)，客觀上很難實(shí)現(xiàn)。據(jù)筆者所知，掃描真人模特有三種方式：一是使用多臺(tái)掃描儀來縮短掃描時(shí)間，但無法同時(shí)掃描，因?yàn)閽呙鑳x無法分辨激光光斑是否來自于自身發(fā)出激光的反饋。即使是配套掃描軟件，也很難實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)掃描，這就需要多名工作人員來操作電腦，需要投入較高的人力資源成本。二是掃描之前固定人體，將模特的肢體固定在架子上，減輕模特負(fù)擔(dān)，人與架子一起掃描，后期處理時(shí)修掉架子的數(shù)據(jù)。三是將鏡子放在模特身后，人與鏡子一同掃描，以獲得模特背后的掃描數(shù)據(jù)。

③高分辨率：指的是掃描出的點(diǎn)要密集。比如掃描圓杯，盡管直徑、內(nèi)外壁圓柱體的中心軸、杯口和杯底平面會(huì)有誤差，這些對(duì)于雕塑造型而言無傷大雅。但杯子上微凸的文字應(yīng)該清晰掃描出來，這就需要掃描儀極高的分辨率。

④便于拼合數(shù)據(jù)：手提式的掃描儀在掃描時(shí)會(huì)自動(dòng)拼合點(diǎn)云，盡管有一些誤差，但為后期的數(shù)據(jù)處理提供了方便。還有一些掃描儀需要依靠專業(yè)軟件拼合，盡管比較麻煩，但也在接受范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)的拼合效果與掃描精度、模型表面呈現(xiàn)的效果密切相關(guān)，在選擇掃描設(shè)備時(shí)應(yīng)考慮這一因素。

⑤掃描尺寸：部分掃描儀無法掃描大體積的物體，在雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。盡管遠(yuǎn)程掃描儀能夠彌補(bǔ)這一缺陷，但價(jià)格十分昂貴，如果用來掃描等大人體十分浪費(fèi)。所以，掃描尺寸方便，可以掃描到拳頭大小即可，如果物體較大，后期可用軟件拼合，如果設(shè)備能夠輕松掃描等大人體或者3m稿，則建議選擇。

3.三維掃描儀的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)階段，所有3D軟件都能導(dǎo)入掃描數(shù)據(jù)，但很多人認(rèn)為，掃描數(shù)據(jù)在雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用，僅限于渲染、出效果圖，可謂大材小用。但在放大雕塑泥稿的過程中，掃描數(shù)據(jù)卻能很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)套圈放大的缺陷，尤其是在大型佛像雕塑、大型組雕中，可利用掃描數(shù)據(jù)將雕塑分為幾塊，同時(shí)施工。

3.1等大人體掃描

美能達(dá)掃描儀，設(shè)備輕便，擁有旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描技術(shù)，采用STL三角面片格式掃描。掃描速度為3～6次/s、掃描范圍在50cm左右。等大的泥稿需要掃描各個(gè)方位，泥稿表面的激光反射性較弱，無法全面接受反射數(shù)據(jù)。泥稿支架也要掃描，后期需要補(bǔ)充大量數(shù)據(jù)。而且泥稿無法隨意移動(dòng)，很多地方掃描不到，數(shù)據(jù)不全。因此建議掃描玻璃鋼稿，激光反射效果較好，重量比泥稿輕，便于翻轉(zhuǎn)移動(dòng)，掃描各個(gè)角度。

3.2大型佛像掃描

萊卡ScanStation2掃描儀，擁有強(qiáng)大的掃描功能，采用STL掃描面格式掃描。佛像高度為1.8米，掃描現(xiàn)場(chǎng)需要連接電腦和網(wǎng)線，盡管掃描過程比較繁復(fù)，但獲取的掃描數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，分辨率高，數(shù)據(jù)點(diǎn)密集，掃描圖案十分精細(xì)，佛光圖案清晰可見，即使是佛像底座都能掃描完整，掃描數(shù)據(jù)多達(dá)數(shù)百萬張，整個(gè)掃描工作持續(xù)半月有余，后期處理數(shù)據(jù)耗時(shí)1周。

3.3石膏頭像掃描

TDV-500掃描儀，價(jià)格實(shí)惠、精度良好;采用點(diǎn)云，ASC格式掃描。掃描路徑較為復(fù)雜，要求操作人員有一定的熟練度。掃描儀的體積較大，相對(duì)笨重，攜帶略有不便，而且操作性不強(qiáng)，同時(shí)還需要掃描校準(zhǔn)，否則左右掃描鏡頭將會(huì)不同步，最終成像無法對(duì)稱。

結(jié)束語

綜上所述，在科技高速發(fā)展的信息時(shí)代，形狀與形象信息的獲取也逐漸朝著三維掃描的趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)于促進(jìn)雕塑領(lǐng)域的技術(shù)革新具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孫偉華.三維掃描儀在當(dāng)代雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用[J].藝術(shù)科技，2014，27（04）：3+11.