三維掃描儀在當代雕塑領域的有效運用

陳尚儉 王江峰

摘 要：三維激光掃描技術是隨著CAD/CAM技術的發展應運而生的，近年來在逆向工程領域中的應用愈發廣泛，但雕塑的制作流程、制作要求與工業造型不同，三維掃描技術的應用也有所差異。本文探討了雕塑領域中三維掃描儀的應用。

關鍵詞：雕塑;三維掃描儀;原理;應用

盡管三維掃描技術在醫學、印刷、工業等領域有所涉及，但將這一技術應用于雕塑領域中，對于很多雕塑藝術家而言，只是一個設想而已。然而，近年來隨著科學、技術的飛速發展以及三維技術的完善，曾經的設想已經落實。

1.三維掃描儀概述

1.1類型

三維掃描儀可分為兩大類：一種是接觸式三維掃描儀，另一種是非接觸式三維掃描儀。后者又包括激光掃描儀、拍照式三維掃描儀，其中，前者分為點激光、面激光、線激光三種類型;后者可細分為白光掃描、藍光掃描等。

拍照式三維掃描儀的工作方式是非接觸式的，采用白光光柵掃描，能夠全自動拼接。優勢是解析度高、效率高、精度高、使用壽命長，非常適合在復雜且自由的曲面逆向建模中使用，是RE、逆向設計、三維檢測CAV、逆向掃描等逆向工程以及快速成型、三維立體掃描、三維設計、三維數字化等產品研發設計的重要設備，更是開發產品、檢測產品質量必不可少的工具。使用拍照式三維掃描儀時，不會直接與物體接觸，可以一邊測量一邊轉動物體，不僅能夠360°高精度測量，還能全自動拼接。系統獲取物體表面的三維數據后，并提取紋理信息，獲得真實的三維立體模型。

繼GPS技術后，三維激光掃描是又一次技術創新，通過高速激光掃描以及大面積的高分辨率，能夠迅速測量物體表面的三維坐標信息，獲得大量采集空間的點位信息，為構建物體的三維模型提供了技術支持。三維激光掃描技術具有主動性、自動化、無接觸、高密度、實時性、數字化、動態性、穿透性等特點，一經推廣，便受到各行業領域的高度關注。

1.2原理

三維掃描技術融合了多種技術類型，比如機電、光、信息等，可掃描物體的外形與色彩，測量物體表面的空間坐標數據。技術原理為：利用條狀激光掃描物體，通過CCD相機接收激光的反射光束。根據光速測距來獲得光束和物體之間的距離，使用專業軟件將相鄰的三個點連成三角形的面，然后再將三角面連接成若干面片組，面片組的數量越多、結構越復雜，掃描細節就越多。三維掃描技術有全系掃描與棱鏡掃描兩種形式，部分掃描需要將反光點貼在物體表面，還有些掃描有特殊要求，比如需要物體保持絕對的靜止，任何輕微的振動都不允許。

2.雕塑領域三維掃描儀的選擇

工業造型中，要求曲面光潔且規則，而且可通過特點函數來表達曲面，所以只需要測量函數表達的部分點即可，之后再推算出物體的整個表面。比如，在已知表面是標準球體的前提下，只需要測量四個點，便可以推算出球面。與工業造型相比，雕塑造影更加復雜，掃描盲點更多，比如紋理皺褶、臂彎等部位。如果用函數曲面表達這些表面，則需要龐大的數據量，而且雕塑造型更多情況下需要保留物體表面原本的紋理效果，所以要求掃描儀能夠測量邊邊角角、各個角度的數據。工業造型對測量精度的要求較高，相對的，雕塑造型不需要抬高的測量精度，因此，在三維掃描儀的選擇上，可以考慮：

①攜帶方便：很多情況下，需要在臟亂、擁擠、狹窄的環境下掃描雕塑，如果掃描設備龐大、笨重，則會浪費大量時間，而且操作十分不便。

②掃描迅速：拍攝時間越快，越能捕捉到動態物體的細節。比如掃描真人模特，要想掃描完整的人體顯然是不現實的，因為人體需要數十次才能掃描完成，每掃描一次，保存數據與移動鏡頭的時間便需要1min，這需要模特在幾十分鐘內保持紋絲不動，客觀上很難實現。據筆者所知，掃描真人模特有三種方式：一是使用多臺掃描儀來縮短掃描時間，但無法同時掃描，因為掃描儀無法分辨激光光斑是否來自于自身發出激光的反饋。即使是配套掃描軟件，也很難實現多臺設備同時掃描，這就需要多名工作人員來操作電腦，需要投入較高的人力資源成本。二是掃描之前固定人體，將模特的肢體固定在架子上，減輕模特負擔，人與架子一起掃描，后期處理時修掉架子的數據。三是將鏡子放在模特身后，人與鏡子一同掃描，以獲得模特背后的掃描數據。

③高分辨率：指的是掃描出的點要密集。比如掃描圓杯，盡管直徑、內外壁圓柱體的中心軸、杯口和杯底平面會有誤差，這些對于雕塑造型而言無傷大雅。但杯子上微凸的文字應該清晰掃描出來，這就需要掃描儀極高的分辨率。

④便于拼合數據：手提式的掃描儀在掃描時會自動拼合點云，盡管有一些誤差，但為后期的數據處理提供了方便。還有一些掃描儀需要依靠專業軟件拼合，盡管比較麻煩，但也在接受范圍內。數據的拼合效果與掃描精度、模型表面呈現的效果密切相關，在選擇掃描設備時應考慮這一因素。

⑤掃描尺寸：部分掃描儀無法掃描大體積的物體，在雕塑領域的應用受到限制。盡管遠程掃描儀能夠彌補這一缺陷，但價格十分昂貴，如果用來掃描等大人體十分浪費。所以，掃描尺寸方便，可以掃描到拳頭大小即可，如果物體較大，后期可用軟件拼合，如果設備能夠輕松掃描等大人體或者3m稿，則建議選擇。

3.三維掃描儀的應用實例

現階段，所有3D軟件都能導入掃描數據，但很多人認為，掃描數據在雕塑領域的應用，僅限于渲染、出效果圖，可謂大材小用。但在放大雕塑泥稿的過程中，掃描數據卻能很好的彌補傳統套圈放大的缺陷，尤其是在大型佛像雕塑、大型組雕中，可利用掃描數據將雕塑分為幾塊，同時施工。

3.1等大人體掃描

美能達掃描儀，設備輕便，擁有旋轉棱鏡掃描技術，采用STL三角面片格式掃描。掃描速度為3～6次/s、掃描范圍在50cm左右。等大的泥稿需要掃描各個方位，泥稿表面的激光反射性較弱，無法全面接受反射數據。泥稿支架也要掃描，后期需要補充大量數據。而且泥稿無法隨意移動，很多地方掃描不到，數據不全。因此建議掃描玻璃鋼稿，激光反射效果較好，重量比泥稿輕，便于翻轉移動，掃描各個角度。

3.2大型佛像掃描

萊卡ScanStation2掃描儀，擁有強大的掃描功能，采用STL掃描面格式掃描。佛像高度為1.8米，掃描現場需要連接電腦和網線，盡管掃描過程比較繁復，但獲取的掃描數據精準，分辨率高，數據點密集，掃描圖案十分精細，佛光圖案清晰可見，即使是佛像底座都能掃描完整，掃描數據多達數百萬張，整個掃描工作持續半月有余，后期處理數據耗時1周。

3.3石膏頭像掃描

TDV-500掃描儀，價格實惠、精度良好;采用點云，ASC格式掃描。掃描路徑較為復雜，要求操作人員有一定的熟練度。掃描儀的體積較大，相對笨重，攜帶略有不便，而且操作性不強，同時還需要掃描校準，否則左右掃描鏡頭將會不同步，最終成像無法對稱。

結束語

綜上所述，在科技高速發展的信息時代，形狀與形象信息的獲取也逐漸朝著三維掃描的趨勢發展，對于促進雕塑領域的技術革新具有重要意義。

參考文獻：

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[2]孫偉華.三維掃描儀在當代雕塑領域的應用[J].藝術科技，2014，27（04）：3+11.