基于三維成像技術(shù)的激光內(nèi)雕加工研究

張鑫　張延開　張瑩瑩　高揚

摘要：本文結(jié)合世界經(jīng)濟發(fā)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的狀態(tài)下，結(jié)合了國際上集中先進(jìn)、流行的玻璃內(nèi)雕刻工藝加工方法，最終對水晶內(nèi)雕技術(shù)進(jìn)行研究。此研究不僅會對該技術(shù)進(jìn)行一些探討。還為日后的玻璃加工方法奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水晶內(nèi)雕 工作參數(shù) 內(nèi)容及方法

一、引言

由于世界經(jīng)濟發(fā)展和結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，我國工藝品出口增長迅猛，并逐漸成為全球最具競爭力的工藝品貿(mào)易中心。隨著人們的消費程度越來越高，工藝品市場需求變化越來越快，工藝品掀起了一股時尚的潮流。作為目前國際上最先進(jìn)、最流行的玻璃內(nèi)雕刻工藝加工方法，水晶內(nèi)雕技術(shù)不僅能將三維圖像完美、清晰的呈現(xiàn)于水晶內(nèi)部，并且制得的水晶工藝品圖像栩栩如生且永不變色，可持久保存，極具個性化和紀(jì)念意義。為體現(xiàn)我校教學(xué)與科研并重、理論與實踐結(jié)合、建設(shè)與特色共舉的發(fā)展理念與市場需求，更好地對學(xué)校良好育人氛圍進(jìn)行宣傳，本項目擬采用三維掃描儀與激光內(nèi)雕機兩者相結(jié)合的方法，完成本校樓宇建筑系列水晶工藝品的雕刻。此外，所制得的工藝品還可以作為禮物贈送給校友或者畢業(yè)生，這不僅是一份禮物，更是推動社會發(fā)展的一份力量。更重要的是，學(xué)生可以借此提高認(rèn)知，贏得機遇，掌握市場。

二、項目研究目標(biāo)

水晶激光內(nèi)雕工藝品市場需求大，投資回報高，如若找尋出此設(shè)備的應(yīng)用規(guī)律并將其歸為“系統(tǒng)”乃至形成專利，那么市場前景將十分可觀，同時也為激光器在我國內(nèi)雕行業(yè)中的應(yīng)用帶來了強大的動力。根據(jù)我校先進(jìn)設(shè)備實驗室的根本狀況，本項目擬采用三維成像技術(shù)與三維建模設(shè)計軟件將校園建筑進(jìn)行三維建模及渲染，所得立體圖形經(jīng)格式轉(zhuǎn)換及修正后，傳輸至激光內(nèi)雕刻機，激光內(nèi)雕刻機通過改變參數(shù)，如點陣數(shù)量，激光能量值大小等，突破水晶炸裂問題，確定水晶炸裂閾值，此外，通過數(shù)以百計的實驗找出參數(shù)設(shè)置規(guī)律及調(diào)整經(jīng)驗值，從而實現(xiàn)三維圖形在水晶內(nèi)部雕刻的最佳效果。為了保證項目進(jìn)行的順利性，我們需要著手解決如下關(guān)鍵問題：

（1）如何將樓宇等大型建筑物的實體通過逆向工程設(shè)備導(dǎo)入三維軟件。（2）計算機與內(nèi)雕機圖像傳輸、文件格式轉(zhuǎn)換及手工修正規(guī)律探尋。（3）如何實驗以確定水晶的損傷閾值、各類圖案加工時的最佳參數(shù)。

（一）逆向輸入。用三維掃描儀對校園建筑進(jìn)行逆向掃描，并分析其幾何構(gòu)造與外觀數(shù)據(jù)，將搜集到的數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)部并進(jìn)行三維重建計算，在虛擬世界中創(chuàng)建校園建筑的數(shù)字模型，再將其轉(zhuǎn)換格式并手工修正，輸出給激光內(nèi)雕機。

（二）項目實施手段及方法。通過在激光雕刻機的算點軟件及雕刻軟件中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，控制發(fā)射的激光束在水晶的內(nèi)部精確聚焦產(chǎn)生能量，使水晶內(nèi)部發(fā)生局部爆炸，產(chǎn)生白色微小點單元，根據(jù)轉(zhuǎn)換好的校園建筑三維數(shù)據(jù)軌跡移動激光焦點位置，在水晶內(nèi)部雕刻出圖案。

（三）確定參數(shù)。通過適當(dāng)實驗方法，反復(fù)調(diào)節(jié)每個環(huán)節(jié)的參數(shù)以確定水晶破壞的閾值，使雕刻的圖案以最佳的三維形態(tài)在水晶內(nèi)部展現(xiàn)。

三、擬采用的研究方法，技術(shù)路線及實驗方案

（一）研究方法。本項目設(shè)計采用控制變量法、實驗對比分析法，通過控制電流、電壓、生成點云的點，線，面密度、平行面的面積及間距、打標(biāo)點的集中度，來觀察水晶是否出現(xiàn)爆裂的現(xiàn)象。單一改變內(nèi)雕機內(nèi)某一參數(shù)，找出不同類型三維圖形的最佳參數(shù)標(biāo)定組，實現(xiàn)水晶內(nèi)雕實物加工的完整性。

（二）技術(shù)路線。方案的設(shè)計一工作參數(shù)的設(shè)定一制作時的數(shù)據(jù)控制一完成作品一真實操作下的對比一形成相關(guān)報告

（三）實驗方案。本項目擬采用半閉環(huán)試驗方案：采集樓宇的三維圖像信息一編輯并建立虛擬三維模型一導(dǎo)入內(nèi)雕算點軟件一試驗多組算點參數(shù)一試驗多組雕刻參數(shù)一將得到的多組內(nèi)雕成品與原始三維模型、真實樓宇進(jìn)行比對一整理比對信息一反饋至參數(shù)組設(shè)定環(huán)節(jié)。

四、過程中的關(guān)鍵點闡述

（一）數(shù)據(jù)的采集。利用三維掃描儀配合著數(shù)碼相機、GPS定位裝置等附件，分析預(yù)雕刻校內(nèi)建筑物的幾何構(gòu)造與外觀數(shù)據(jù)，將搜集到的數(shù)據(jù)用來進(jìn)行三維重建計算，創(chuàng)建物體幾何表面的點云。由三維激光掃描儀直接與數(shù)碼相機、GPS定位裝置、升降臺、旋轉(zhuǎn)平臺、應(yīng)用軟件以及其他附件相結(jié)合。以本團(tuán)隊之前使用過的RiegILMS-Z420i三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進(jìn)行垂直方向掃描，水平方向則以伺服計步馬達(dá)轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)。

（二）數(shù)據(jù)的傳遞。通過三維相機或三維掃描儀獲取的圖像信息，利用計算機進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并進(jìn)一步手工調(diào)整，從而傳遞給激光內(nèi)雕機。下圖表示以三維掃描儀為例的掃描及傳輸過程。

（三）確定各項參數(shù)。反復(fù)試驗多組算點參數(shù)、雕刻參數(shù)。采用控制變量法，分別對電流、電壓、生成點密度、平行面的面積及間距、打標(biāo)點的集中度，進(jìn)行逐一單一變量控制，單一改變內(nèi)雕機工作的環(huán)境，來觀察水晶是否出現(xiàn)爆裂的現(xiàn)象，找出最合適的條件，實現(xiàn)水晶內(nèi)雕實物加工的完整性。加工出三維掃描儀預(yù)置形狀的水晶工藝品。

（四）項目的實施。通過聚焦，使激光的能量密度在到達(dá)要加工區(qū)域之前低于水晶的破壞閾值，而在希望加工的區(qū)域則超過這一臨界值。脈沖激光的能量可以在瞬間使水晶受熱炸裂，從而產(chǎn)生微米至毫米數(shù)量級的微裂紋，由于微裂紋對光的散射而呈白色。通過已經(jīng)設(shè)定好的計算機程序控制在水晶內(nèi)部雕刻出特定的形狀，水晶的其余部分則保持原樣。

（五）整理。將得到的水晶工藝品與原始三維模型、真實樓宇進(jìn)行比對，整理數(shù)據(jù)并分析，得出最佳參數(shù)，獲得最完美的水晶工藝品。

五、結(jié)語

伴隨著現(xiàn)代工藝品市場需要逐步擴大，水晶內(nèi)雕技術(shù)已經(jīng)越來越受歡迎，本項目就是研究這一項新技術(shù)，不僅會推動工藝品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且還能讓學(xué)生增加一些課外的技能和動手能力；此外，通過數(shù)以百計的實驗找出參數(shù)設(shè)置規(guī)律及調(diào)整經(jīng)驗值，從而實現(xiàn)三維圖形在水晶內(nèi)部雕刻的最佳效果。通過找尋工作過程中的各項參數(shù)，來確定最終適宜的工況。