3D打印數字人像快速成型技術的研究與實現

董 文

（武漢城市職業學院，湖北 武漢 430070）

自動獲取人像三維數據并能高精度重建是三維人臉識別的研究熱點，在信息保密、安全認證、刑偵系統等領域都有較高的應用前景，3D打印在國內外從出現到逐步走向成熟,已經在各個行業獲得越來越廣泛的應用，三維造型設計快速成型加工等具有較高的應用價值和市場前景。

一、3D打印技術的扼要介紹

3D打印這一概念是在19世紀末的美國被提出來，隨著對其研究的不斷深入，在20世紀80年代中期被恩里科·迪尼發明，在后期能夠實現三維打印的打印機被成功地研制出來，并開始投入市場。3D打印機其實就是一種累積制造技術，在打印過程中可以在信息設備中預設好三維立體模型，然后就能夠成功地打印出來，3D打印機的具體使用內容有兩項，第一需要在想要成型的位置鋪設專用的膠水；第二，勻稱的鋪設粉末，當粉末碰到膠水之后，就會快速凝結，但是在沒有膠水的位置粉末還是維持著疏松的樣子，反復進行這些步驟至預設好的三維立體模型被成功打印出來。因為這個反復重復加工的步驟非常類似于噴墨打印機，所以這種技術就被叫作“打印機”。

二、3D打印技術的發展前景

3D打印技術已經朝向多樣化和創新性發展，不僅在傳統的行業中發揮著巨大的作用，甚至在人們生活的方方面面中也在發揮著其作用，在我國，人民大眾都在熱切地關注3D打印技術，并且對其的研究也在不斷深入，對此我們可以從三分內容來具體分析其發展前景。3D打印技術主要朝著下面三個方向發展：

（一）3D打印技術的速度和效能會得到明顯的提高

目前在國內和國際都在不斷深入對其進行研究，使用各種材料和工藝技術希望能夠提高其打印的速度和效能，所以在未來3D打印技術非常有可能會提高其速度和效能。

（二）3D打印技術使用的材料將會更多元

3D打印技術的發展，以及材料的革新，各種新型材料的不斷出現，例如納米材料、稀土永磁材料、無機功能材料以及高性能纖維等都有可能會作為3D打印技術的材料。

（三）3D打印技術會面向人民大眾

以前由于3D打印機價格昂貴，使得許多群眾望而卻步，但是隨著3D打印技術的研究深入，有些不太大的3D打印機制造廠家也逐漸開始在市場中投入低于一萬美元的3D打印機。自從3D打印技術被發明出來，從最開始在航天工業、機械制造業、醫療和建筑工程中用于模型制造，現在正在逐漸完善，應用的行業和范圍也越來越多，例如高新技術產業、生物領域。根據專家預測，3D打印技術經過不斷發展，以后人類的日常生活用品，例如牙刷等都有可能來自于3D打印機[1]。

三、3D打印技術的核心技術探究

下文主要探究的3D打印技術的核心技術，怎樣實現從二維至三維的精確轉變和重構精確的三維曲面。其中快速成型是一種最新的高科技制造技術，利用分層反復成型的方式來進行加工成型，通過這項技術不管多么復雜的三維事物都能夠被構建出來[2]。

（一）收集人像資料

現在收集3D圖像大多數都是通過三維掃描儀，一般使用的光學掃描措施包括光柵掃描法和激光掃描法。文中探究手機的人像三視圖為單反拍攝，將會使用其作為之后處理的原始資料，再放入相關的軟件來構建三維曲面并處理。通過數據計算能夠得到人像上各個區域的像素點曲率值，然后再以其曲率值的大小來劃分網格，曲率變化大的部分使用小網格，能夠有效地預防資料遺失，曲率變化穩定的部分使用大網格，能夠縮減曲面構成和重建的預算數據。

（二）導入人像資料

將收集的人像資料導入MAYA軟件中，通過專業的工具和特定的功能來明確人像界限。這個軟件是使用相對廣泛的非常有名的三維建模和動畫設計制作軟件，在動畫設計、三維樣式、模型組建等方面應用規模較大，并且其強大的功能能夠有效地開展數字和三維構建。

（三）區分人像網格

可以通過劃分網格曲率來進行，隨便選取三個鄰近的像素點作為中心，然后擬定其坐標，通過MAYA軟件能夠得知各個點的詳細坐標，再以這三個點為基礎來明確一個圓，通過這三個點能夠求出圓心坐標。收集三維資料的最終的最重要的目的就是構建人像三維模型，構建人像三維模型，第一就是要將人像進行曲面擬合，利用網格來劃分人像，然后再以劃分結果開展曲面擬合。

（四）通過MAYA軟件來重構人像三維曲面和三維模型

先在x-y平面中選取圖-圖像作為平面，然后放入人像前視圖，并以此為參照來開展繪圖。構建一個多邊形的基礎模型，再通過調整來得到和圖形類似的大小。再通過多邊形切分功能來繪制頭部和眼睛的相關細節，使模型層次更明顯，得到的模型結構以及較為完整，初步實現了網格的精確劃分。人像的頭部模型也基本完成。再調整網格，使其更加精確，完善MAYA軟件制造的模型。

（五）通過相關的軟件完成人像曲面構建和三維構造

通過軟件的筆刷功能，來構建人像的鼻子和嘴巴，將人像的特征更加精確化，并且對棱角突出的地方可以進行平滑處理。

四、3D打印數字人像快速成型技術

3D打印數字人像快速成型技術的硬件部分由主機和電控系統構成，主機包括系統外層、主框架、電控系統、XY掃描系統等。下面探究用的3D打印機使用的3D打印數字人像快速成型技術為熔融擠壓快速成型技術。

（1）3D打印數字人像快速成型技術工作步驟。3D打印數字人像快速成型技術工作步驟見圖1。

（2）3D打印三維人像。通過MAYA軟件得到的面片圖形還不是三維實體模型，不能夠交由3D打印數字人像快速成型系統進行成型，必須要對其進行有效處理，變為三維實體模型，才能夠進三維打印。將MAYA軟件得到的曲面模型及三維數字人像放入專業軟件進行相關處理完成數控加工，利用其有效功能導出相關數據。通過曲面經雕刻和設置走刀方法等有關功能，提高加工精確值。得到的打印路徑也就是刀路圖構建成了3D模型，刀路圖就是根據打印噴頭的路線，最終刀路圖構成了一個三維人像，通過模仿實踐中3D打印成型的步驟。所以，刀路就是三維人像，在實踐中，這是3D打印的其中一個方法。再將做好的三維實體模型放入成型機加工軟件里，這個軟件的名稱叫Magics，是由馬瑞斯三維打印技術有限公司所研發的用于3D打印的一個軟件，通過這個軟件能夠更便利地設置打印數據，除此之外其還能夠和其他3D打印設備實現完美對接進行打印服務，最后得到良好的打印效果[3]。

五、總結

文章分析了三維打印數字人像快速成型的技術，其可以完成人像資料的收集、數據的首要處理、曲面構造、三維模型構成及三維打印，并且分析了采用了具有創新能力和創新技術的措施來進行三維模型構造和網格劃分的內容，這些技術可以給予三維人像快速成型理論知識和實踐經驗，不僅可操作性強，而且在構建三維人像模型、設計三維模型、人像快速成型加工等各個內容中還具有非常良好的應用作用和市場展望價值。

圖1 3D 打印數字人像快速成型技術工作步驟