基于Kinect體感設備與D打印技術的D照相館構建

馮志文　采銀銀　吳海江　陳亮

【摘 要】對3D照相館的工作流程、常用的三維掃描設備及3D打印設備進行調研，對掃描替代設備的工作原理和工作流程做了分析，提出以Kinect體感設備與Scanect掃描軟件結合構建3D照相館，并對實際操作流程進行了驗證。

【關鍵詞】3D照相館；三維掃描；體感設備；3D打印

Construction of 3D Photo Studio Based on Kinect Somatosensory Device and 3D Printing Technology

FENG Zhi-wen CAI Yin-yin WU Hai-jiang CHEN Liang

（Electrical and Mechanical Engineering College， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou221000， China）

【Abstract】Analyse 3D photo studio work process and commonly used three-dimensional scanning and 3D printing equipment， analyzes the working principle and process of the alternative equipment of scanning equipment，propose 3d photo studio work process based on kinect somatosensory device and scanect software，and test and verify this concept.

【Key words】3D photo studio；Three-dimensional scanning；Somatosensory device；3D print

隨著三維掃描和3D打印技術的發展，全球第一家3D照相館于2012年下半年在日本原宿開設，2013年起以3D記夢館、品啦造像館等為代表的3D照相館在我國西安、北京、上海、廣州等大城市開始涌現。3D照相館常用的獲取人體三維數據的方法有手持式3D掃描儀、照片陣列或“固定式”掃描設備。[1]手持式3D掃描儀由于具有體積小便攜、能夠實時掃描與拼接、數據處理較快、無需固定安裝位置和空間、掃描區域較大等優點最為常用。3D打印設備以石膏粉為材料的粉末層噴頭3D打印為主，主要有Zcorporation公司的Z系列以及3DSYSTEMS公司的personal系列與professional系列；或者以普及型的ABS、PLA等為材料的FDM打印技術，但需要后期對打印模型拋光上色，較為繁瑣。目前困擾3D照相館發展的一個問題是掃描與打印設備成本太高，導致最終模型售價高，市場接受度低。針對這一問題，在對三維掃描與打印設備全面調研后，提出以Kinect體感設備與Scanect掃描軟件配合完成人體三維掃描，以Meshlab軟件修補三維數據，再結合目前普及的桌面型3D打印技術完成3D照相館的構建。

1 3D照相館工作流程與常用三維掃描、3D打印設備

1.1 3D照相館工作流程

3D照相館是指運用專業的3D掃描設備掃描人臉部和身體的三維信息，在經由3D打印機打印出一個逼真的立體人物塑像。3D照相館的操作流程是掃描-數據處理-模型打印—后期處理—成品。

1.2 3D照相館常用三維掃描設備

三維掃描儀產生于上個世紀七八十年代，分為接觸式和非接觸式。3D照相館所用的三維掃描儀均為非接觸式，主要有手持式3D掃描儀、相機陣列、“固定式”三維掃描。[1]

目前常見的手持式3D掃描儀有Artec Eva（美國）、 Creaform（加拿大）、Einscan-Pro（中國杭州）、OKIO-FreeScan X3（中國北京）等。相機陣列是通過安裝在影棚上的多臺（30～60）相機同時拍照，360度拍下被攝者同一瞬間的不同照片，然后通過專用軟件形成3D數據文件。“固定式”人體三維掃描儀設備較大，需要一定的掃描空間，掃描時間快，僅需幾秒就能完成。目前常用的此類掃描設備包括Cyberware（美國）、易尚3D+（深圳）、OKIO-BodyScan（中國北京）。

1.3 3D照相館常用3D打印設備

3D打印技術發展到現在，價格從2000元至上百萬元的打印機都有，打印尺寸越來越大，打印的材料越來越豐富，成型技術手段也在不斷增強，可以說3D打印技術已經普及。

3D照相館的成品要求是彩色的，能夠完美再現人物的表情、服飾。所以一般采用以石膏粉為材料的粉末層噴頭3D打印。也有采用熱塑性塑料材質打印基本型，后期再上色；或者直接用多噴頭的熱塑性塑料材質進行打印（五噴頭熱塑性塑料打印機價格已經上50萬），但是熱塑性材料不能進行色彩融合，也就是說要對模型進行分解，顏色只能通過固定的顏色進行組合。

粉末層噴頭3D打印工作原理：使用UV固化技術，石膏粉末鋪設后由一彩色噴墨打印機噴出UV墨水，輔以紫外光照射，將石膏粘結起來，不同色彩的UV墨水構成了彩色打印（見圖1）。[2]目前市場上的石膏粉打印機主要有Z corporation 公司的Z250、Z350、Z450、Z650系列以及3DSYSTEMS 公司的personal系列與professional系列，知名的如project660等。目前，Z corp公司已經被3DSYSTEMS 公司收購。

FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡寫形式，即為熔融沉積成型。熔融沉積成型的原理如下：加熱噴頭在計算機的控制下，根據產品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運動，熱塑性絲狀材料由供絲機構送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層大約0.1mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺下降一定高度，再進行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面輪廓，如此循環，最終形成三維產品零件。[2]

2 體感設備與三維掃描軟件分析

2.1 體感設備分析

體感設備自2010年隨Xbox 360游戲機上市，是連接到游戲主機上的機器，它可以通過感應器，接收玩家的動作或語音信息，從而可以完成游戲的轉換。體感設備突破了傳統意義上的游戲模式，讓玩家可以丟掉手中的游戲控制手柄，即不通過直接接觸的方式來進行交互。目前的體感設備有微軟的Kinect、華碩的xtion、任天堂Wii 等。

體感設備借助紅外線發射器發出一道“激光”覆蓋整個Kinect的可視范圍，攝像頭組接收反射光線來識別物體。[3]紅外攝像頭識別圖像的是一個“深度場”（Depth Field），其中每一像素的顏色代表了那一點物體到攝像頭的距離。比如離攝像頭近的身體呈亮紅色、綠色等，而離攝像頭遠的物體則呈暗灰色，見圖2。

2.2 三維掃描軟件分析

常用的配合Kinect和 Xtion體感設備完成三維掃描的軟件有：Skanect、Reconstruct Me、Artec Studio 9.2等。

Reconstruct Me是基于32位系統的，但是在64位操作系統下仍舊使用32位的kinect驅動以及ReconstructMe。用戶可在掃描對象周圍移動Kinect，這時ReconstructMe會自動將該物體從背景中分離出來。所生成的模型可導出為OBJ或STL格式。

Artec Studio原本是配合Artec Eva三維掃描儀使用的軟件。可以進行后期處理，填補漏洞、清理數據、進行測量、導出數據。

Skanect所有權歸ManCTL公司所有。功能同樣強大，配合體感設備完成三維掃描后可以進行后期處理，如修復、填孔等。Skanect掃描和修復功能已經比較強大，只有掃描時有足夠的耐心，基本能夠滿足打印模型的要求。

如果想要更加精確的修復，還需要運用另外的修復軟件來實現。一個是意大利的開源免費英文軟件Meshlab，一個是運用比較多的收費的且有簡體中文界面的Geomagic。相比之下，Meshlab比Geomagic更加快速，且功能強大。

3 基于Kinect體感設備與Scanect掃描軟件的3D照相館構建

3.1 3D照相館構建

基于Kinect體感設備與Scanect掃描軟件的3D照相館流程：掃描—數據處理—模型打印—后期處理—成品，見圖3。

3.2 3D照相館具體流程操作

掃描時，Scannect軟件需要一些設置，如在圖4（a）中紅框部分關于掃描尺寸的設置，構建人體半身像的尺寸設置為：1m×1m×1m（圖4b中的紫色立方體所示）。掃描時，掃描對象靜坐不動，工作人員手持Kinect體感設備，距掃描對象距離為50-80cm的范圍內展開掃描，圍繞上、中、下三個層面進行掃描，見圖4（b），針對一些細小的地方如發絲、衣服褶皺等可多次對準掃描，軟件會自動記錄、拼合，最終在Scanect掃描軟件中的結果見圖4（c）。

一般掃描完成后，都會存在破洞，如圖5（a）所示。使用Scannect軟件的修復功能，在Process菜單下，提供了網格修復、幾何修復、顏色修復三種修復功能，如圖5（a）所示。如果修復效果不滿意，可在Meshlab軟件中打開模型，使用Fill Hole（填孔）命令，修復模型有破洞的網面，如圖5（b）藍色部分所示。

修復完模型后，存儲成Stl格式，可導入到其它三維軟件如Rhino調整打印尺寸，最終導入桌面型3D打印機使用ABS耗材進行打印，見圖6（a）。

圖6 模型打印與丙酮熏蒸法打磨紋理

FDM打印成型的模型由于分層及支撐材料的存在，打印的模型會有一圈一圈的褶皺或分層痕跡，這就需要打磨處理。可以采用丙酮拋光法處理模型：利用ABS溶于丙酮的特性，加熱液態丙酮成丙酮蒸汽熏蒸3D模型。[4]具體做法是：玻璃瓶盛液態丙酮，ABS模型倒掛在玻璃瓶上，放置于電磁爐上的容器內，容器內放水，見圖6（b）。因為丙酮的沸點大約在56攝氏度，因此使用電磁爐把水加熱到70攝氏度左右停止加熱，玻璃瓶中的液態丙酮受熱變為丙酮蒸汽，熏蒸5-7分鐘即可，熏蒸前見圖6（a），熏蒸后見圖6（c）。

熏蒸完后噴補土，補土類似于汽車補漆的膩子，上補土是為了讓顏料能夠更好的附著在模型上，顏色會比較艷麗。同時，補土會讓3D打印的“臺階紋”不那么明顯。可用噴灌水補土（1000號），把模型放在小盒子里，噴灌離模型約30cm進行噴涂。噴涂的過程中要采取多次薄噴的處理方式，每次不要噴的太厚，等噴到模型表面出現液體凝集即可停止，等10-15分鐘待補土干燥再換面噴涂，直到整個模型都補完土，噴完補土后的模型見圖7（a）。模型補土完成后，就可以用丙烯顏料上色，[5]見圖7（b）、（c）。

4 總結

基于Kinect體感設備的深度攝像頭以及Scanect掃描軟件的強大功能，基本可以完成三維人體的掃描過程，借助現有低成本的FDM打印成型技術，可以完成3D照相館從掃描到打印的低成本構建。進一步的研究可從如何提高掃描精度上著手，或者使用其它更為簡單的技術完成三維掃描過程。

【參考文獻】

[1]張會霞，朱文博.三維激光掃描數據處理理論及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.26-28.

[2]楊振賢，張磊，樊彬.3D打印：從全面了解到親手制作[M].北京：化學工業出版社，2015.52-58.

[3]博倫斯坦.格物智知：3D圖形與人機交互技術應用[M].北京：人民郵電出版社，2013.2-4.

[4]賀松林，姜勇，張泉.產品設計材料與工藝[M].北京：電子工業出版社，2014.86-88.

[5]抱熊氏.粘土手辦基礎教程[M].北京：人民郵電出版社，2015.2-64.

[責任編輯：朱麗娜]