3D掃描技術在雕塑領域的運用

■ 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。因為當時，工業領域中還只是在用三坐標測量儀，醫院里的CT掃描也是讓人覺得是個天價設備。雖然有人設想過把這個技術用在雕塑上會怎么樣，但是僅僅是設想而已,并沒有一個清晰的概念。近年來，隨著半導體芯片技術的發展，三維掃描技術迅速發展，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,價格也下降到可以承受的地步。作為一種技術性探索,在雕塑制作過程中我們運用了一些掃描設備，并總結出了一些工藝和經驗。

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，是因為傳統測量概念里，所測的的數據最終輸出的都是二維結果（如CAD出圖），在現在測量儀器里全站儀及GPS比重居多，但測量的數據都是二維形式的，在逐步發展的數字化的今天，三維已經逐漸地代替二維，因為其直觀是二維無法表示的，現在的三維激光掃描儀每次測量的數據不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還包括 R,G,B顏色信息，同時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再現的感覺，是一般測量手段無法做到的。還有，我們目前說的三維掃描儀是指非接觸式，包括光學測量，超聲波測量，電磁波測量等手段。

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備中的一種，目前運用比較普遍，其基本工作原理是用條狀激光三維激光掃描儀對輸入對象進行掃描，使用CCD相機接受其反射光束。根據三角測距原理獲得與拍攝物體之間的距離，進行三維數據化處理。經過軟件的處理初步得到的是密密麻麻的坐標點（稱點云），或者有些軟件干脆把相鄰的3個點連接成一個三角面使得我們得到一個有許多面片組成的面片組。因此同樣的結構范圍內，點越密集，細節就越豐富。

從掃描形式上來分，三維激光掃描又分旋轉棱鏡掃描技術，全息掃描技術，有些掃描儀必須固定掃描，微微震動都不允許，還有些可以手持掃描，掃到哪里，數據就補充到哪里，有些掃描儀還必須把稿子放在一個特定的背景中掃描，有些要在稿子上密密麻麻貼參考點掃描。有些掃描儀帶有機械手臂等等，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.雕塑造型區別于其它造型的特點

了解了三維激光掃描儀的種類和工作原理和方式以后，我們談談哪些掃描儀比較適合雕塑掃描呢？假如我們要挑選設備應該要了解哪些知識呢？這個還需要從工業造型和雕塑造型的區別來談起。因為目前許多三維激光掃描儀都是針對工業逆向技術開發的。

工業造型需要光潔規則的曲面，而且曲面是可以用特定的函數來表達的，因此只要測量出該表明的部分點就可以推算出整個表面，比如：如果知道該表面是個標準球體，那么從理論上說只要測量出4個點就可以推算出整個球面。而雕塑的形狀就復雜多了，掃描盲點也比較多，比如較深的衣紋皺折，彎曲的手臂內側，而且這些表面用函數曲面來表達數據將非常龐大，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，工業造型需要比較高的精度，因為涉及到模具的加工。而一個雕塑頭像假如鼻子高了0.01mm對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，因為是光學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，所以掃描數據是破碎的局部，需要用專用軟件來拼合。打個比喻，好比文物修復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好。這點上，手持式掃描儀做得比較好，它可以自動根據掃描部位拼合數據，在軟件上看，掃描儀掃到哪里，數據就像長出來一樣，生成到哪里。但是一般手持式掃描需要事先在雕塑上預先貼點，工作量也不小，每個特制貼點也需要花錢。因此說每種掃描儀都有其優點和缺點。

針對雕塑行業來說，激光掃描儀的選用，需要考慮以下幾點：

①便攜輕巧，一般掃描雕塑的環境比較惡劣，特別是在雕塑車間里，不但臟亂，而且磕磕絆絆，如果設備笨重，將直接影響掃描的工作強度和花費的時間。

②掃描速度快，就是每次拍攝的時間比較快，好象相機的快門，如果足夠快就能夠精確捕捉到動態物體。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想到用于掃描完整的人體。我個人認為假如采用傳統方式掃描是不太可能實現的，頂多掃描一個臉部。因為一個人體一般需要掃描幾十次才能完成，每次掃描然后保存數據加移動鏡頭最起碼要1分鐘，要讓一個人保持幾十分鐘紋絲不動幾乎是不可能的，目前能夠直接精細掃描真人的機器非常昂貴。據我總結，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，多臺掃描儀聯機掃描以縮短掃描時間，但是聯機掃描也不是同時掃，因為每臺激光掃描儀還不能分辨出激光光斑是自己發出的激光所產生的反饋。而且配套的掃描軟件似乎也不支持多臺設備同時聯掃，所以需要多人多電腦按次序操作，無非是縮短了掃描的時間，數據相對好一些但是付出代價也是巨大的。第二種，掃描前固定人體，需要事先設計好一種輕巧的鋼架，按照肢勢將人體固定，這樣能減輕模特的負擔，掃描的時候人和架子一起掃描，在后續數據處理的時候將架子部分修掉。第三種，這種方式還需要探索，就是在模特背后安放鏡子，掃描的時候連鏡子一起掃描，這樣能夠得到模特背后的數據，有相關視頻資料為證，但是我沒實踐過。

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要密。掃描精度這個概念比較寬泛。比如：掃描一個圓杯子，有直徑尺寸的誤差，內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，這一點工業上不在乎，但是對雕塑來說卻很重要。

④數據拼合容易，有些掃描儀如手提式的，掃描過程中自動就把點云拼和了，雖然存在誤差問題，但是便捷后續的數據整理。有些是靠軟件來拼和的，雖然相對麻煩，但是我覺得只要操作簡便也是可以采納的。數據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，這對掃描雕塑而言是個局限，有些遠程掃描儀可以掃描大樓，但是價格昂貴，用它來掃等大人體也是導彈打蚊子，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拼合，比較輕松地掃描等大或3m稿左右的設備比較理想。

綜上所述，在符合以上條件的前提下，價格適中的掃描儀可以考慮采用。當然了，頂極品牌的設備肯定是最好的。

三、不同型號的設備掃描實例簡介

1.石膏頭像掃描

掃描時間：2003年/采用儀器：國產深圳特得維TDV-500抄數機/輸出格式：點云.ASC格式

這個設備雖然比較笨重,掃描尺寸也限制在60cm見方左右,但是精度尚可，分辨率尚可，假如把路徑設置錯開，可以多次掃描，得到很密的點云。但是路徑設置過程假如不夠熟練，那對操作者來說簡直就是噩夢！我曾經提出過幾個方案給有關公司的工程師建議簡化設置過程，結果新版本改動微小。總體感覺該設備掃描一些細小的東西還是不錯的，操作性不強，但掃描過程時間長，可視性不夠，還有此設備需要經常進行人工校準，不然左右鏡頭的點云數據偏移會增大，到時候只能用一邊的鏡頭數據。

2.等大人體泥稿掃描

掃描時間：2006年/采用儀器：美能達VIVID 9I/輸出格式：STL三角面片格式

該設備相對前者來說輕巧許多，屬于旋轉棱鏡掃描技術，每次掃描數據的速度只要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，而且泥稿不能翻轉，因此掃描儀由于位置局限的問題和材料表面的特性，數據出現許多漏洞，而且，泥稿的鋼架也同時掃描進去了，最后通過修補軟件將漏洞修補完整。因此得出結論認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，躺倒以各種角度來掃描，這樣數據質量會更好。

3.大型佛像掃描

掃描時間：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

這個佛像很高，有20多米高，搭腳手架就用了不少時間，遠程掃描儀非常強大，可以用網線跟電腦聯結，現場用了根很長的線，雖然掃描速度有些慢（它是單束激光掃描），但是數據非常精細，從圖上可以看出點云數據很密，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。掃描花掉四天時間，最后整理出的面片數據達到九百萬個面，圖形工作站花了一個星期的時間才整理完整。

四、掃描數據的運用

掃描得出的數據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入處理。工業軟件可以根據面片數據或者點云數據擬合出曲面數據進而進行CAD修改和CAM機床加工。在雕塑上，以前很多人認為這個數據頂多運用在渲染，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3D數據的分析和切片，大大改善了傳統的手工套圈工藝。復雜的大型群雕，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加工，形體準確，施工速度快，雕塑若需要改動可以事先通過軟件調整，雕塑總面積和體積也是可以根據軟件精確計算出來。隨著立體成型技術（3D打印）的發展和推廣，把電腦中的數據變成實際的東西現在可以輕松實現，2m稿掃描打印成30cm精細小稿費用也是算很高。還有數控機床的發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，這個目前來說也不是神話。

隨著科技發展，IT業和電影等行業逐漸向3D技術發展，未來的科技也將以3D技術為主流，正如數碼相機對膠卷相機的沖擊一樣，三維激光掃描儀對雕塑創作可以說也是一個沖擊，在這個問題上圈內很多持否定態度，但是我個人認為作為一種高科技工具來用，三維激光掃描儀可以對我們的雕塑創作提供一定的幫助，它給雕塑家提供一種自動化途徑。好比開車，有些人開手動擋有些人開自動擋效果都是一樣的。現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據變形處理然后成型為雕塑作品呢？

（黃平 中國美術學院雕塑系）

1 許智欽.孫長庫.3D逆向工程技術[M].北京：中國計量出版社

2 劉偉軍.逆向工程—原理方法及應用[M].北京：機械工業出版社

3 王霄.逆向工程技術及其應用[M].北京：化學工業出版社

4 劉偉軍.快速成型技術及應用[M].北京：機械工業出版社