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3D数字化与3D打印:用“虚拟”再造“现实”

导读: 3D数字化与3D打印技术相结合所带来的优势,不仅在于通过复制手段真实还原现实世界,还可以在3D数字化的基础之上,通过再设计工作,创造出一个更加美好的世界。

  话题:3D打印

  话题背景

  近年来,我们经常能听到“3D”这个名词。3D之所以被认为神奇,很大程度上归因于我们通过高科技数字化的手段,使得客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建(3D扫描)、自由编辑(3D设计)、真实感高清展示(3D显示),乃至重新返回至客观世界(3D打印)。

  吴怀宇

  3D打印,是快速成型技术的一种,它是一种以3D数字化模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印、迭加成型的方式来增量构造物体的技术。3D数字化和3D打印是一对孪生兄弟,相辅相成。

  3D数字化是实现3D打印的前提和基础,否则“巧妇难为无米之炊”;而3D打印使3D数字化“落到实处”。

  什么是3D数字化

  3D数字化就是利用计算机来生成数字化的3D图纸模型,以便输出到3D打印机。目前有两类方法进行3D数字化。第一类是使用3D设计软件,由设计师从无到有地设计3D数字化产品。目前常见的3D商业设计软件有:SolidWorks、AutoCAD、3dsMax、Maya、Rhino3D、Zbrush等。此外,还有多款各有特色的免费设计软件:Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等,其中很多还支持基于WebGL的网络在线编辑。

  当然,并非人人都有能力自己设计3D形状,因此第二类3D数字化就是3D扫描(俗称3D照相),基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集,以获得逼真的数字化重建。3D扫描技术分主动(Active)扫描与被动(Passive)扫描两种。

  主动式扫描是对被测物体附加投射光,包括激光、可见白光、超声波与X射线等。其中激光线式的扫描,可以扫描大型的物体,但是由于每次只能投射一条光线,所以扫描速度慢。而目前最新的基于结构白光的扫描设备,能同时测量物体的一个面,点云密度大、精度高,在快速采集物体三维表面信息方面具有独特优势。此外还有基于光照编码的扫描设备,如微软2010年发布的Kinect,具有实时性的特点。

  被动式扫描对被测物体不发射任何光,而是通过采集被测物表面对环境光线的反射进行,因不需要规格特殊的硬件,所以成本非常便宜。被动式扫描重建技术,如Autodesk最新的123DCatch,通常基于计算机三维视觉的理论方法,如立体视觉法等。受环境光照对图像质量的影响,被动式扫描往往精度较低、噪声误差较大。

  在获得3D扫描的原始数据后,往往还需对其进行复杂的处理,如将多个视角的形状片段进行对齐和拼接配准,以统一在同一个世界坐标系下。此外还需进行漏洞修补、噪声去除、三角化、重网格化等,以生成最终的高质量水密曲面。

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