三維掃描儀在當(dāng)代雕塑領(lǐng)域的應(yīng)用

摘 要：隨著中國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描儀在雕塑領(lǐng)域的運(yùn)用越來越多。由于三維激光掃描儀品種復(fù)雜多樣，因此用什么類型的三維掃描儀以及如何合理運(yùn)用到雕塑領(lǐng)域，是運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)促進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：三維掃描儀；雕塑造型；3D技術(shù)

幾年前，三維掃描儀在雕塑家眼里還是比較陌生東西，因為只有工業(yè)才用得上“三維坐標(biāo)儀”，至于掃描儀器設(shè)備，也只是在印刷、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有涉及。雖然也有業(yè)內(nèi)人士想把這個三維掃描技術(shù)用在雕塑領(lǐng)域，但也只是個設(shè)想，并不知道具體的概念。近年來，隨著三維技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維掃描儀、三維打印機(jī)等3D技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，特別是三維掃描技術(shù)，已經(jīng)非常成熟，精度越來越高，自身也越來越輕便。而且隨著技術(shù)的成熟，我們在雕塑的制作工程中，運(yùn)用了一些掃描設(shè)備，并總結(jié)出了一些經(jīng)驗與大家共享。

1 三維掃描儀的工作原理介紹

（1）三維掃描儀又叫3D掃描儀，之所以叫三維掃描是因為傳統(tǒng)掃描所測數(shù)據(jù)輸出都是二維的，以全站儀及GPS居多，在科學(xué)技術(shù)逐步發(fā)展的今天，三維技術(shù)已經(jīng)逐步替代二維技術(shù)，因為其長、寬、高的立體三維掃描數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)二維掃描數(shù)據(jù)更直觀。目前，我們所接觸的三維掃描儀的測量手段主要分為激光測量、電磁波測量、超聲波測量，其中三維激光掃描儀運(yùn)用得比較廣泛。

（2）三維激光掃描儀的工作原理介紹，是用條狀激光對掃描物體進(jìn)行掃描，使用CCD相機(jī)接受激光反射光束。再根據(jù)光速測距原理獲得與掃描物體之間的距離，在進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理。經(jīng)過軟件把相鄰的3個點連成三角面，有這些三角面組成許多面片組，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，面片組越多，細(xì)節(jié)就越多。從掃描形式上分為：棱鏡掃描、全息掃描。有些掃描要在掃描物體上貼反光點，有些要在特定的背景下掃描，有些不允許掃描物體挪動，少許震動都不行。有的可以手持掃描，掃描到哪里數(shù)據(jù)就合成到哪里。各種各樣五花八門。

2 在雕塑領(lǐng)域如何選擇三維掃描儀

2.1 了解雕塑造型的特點

根據(jù)雕塑造型的特點，結(jié)合三維掃描儀的工作原理，我們談?wù)勈裁礃拥膾呙鑳x適合雕塑掃描。首先，我們要了解工業(yè)造型和雕塑造型的區(qū)別，因為許多三維掃描儀是應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的。工業(yè)造型大多是光滑的曲面，而用特定的函數(shù)可以表達(dá)規(guī)則的曲面，因此，只要測出曲面轉(zhuǎn)折的關(guān)鍵幾點，就可以推算出整個表面。而雕塑的形體屬于不規(guī)則形體，造型復(fù)雜，除了抽象雕塑基本沒有規(guī)則表面可言，而且掃描的盲點也比較多，比如衣紋褶皺的內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折部分，骨骼肌肉的不規(guī)則形體如果用函數(shù)表達(dá)就會很龐大，有些雕塑表面保留坑洼的肌理效果，所以要掃描的地方比較復(fù)雜。從精確度上說，工業(yè)造型需要比較高的精度，而雕塑卻不需要很高的精度，因為零點幾毫米的誤差在雕塑上根本不是問題。

2.2 適合雕塑行業(yè)掃描的三維掃描儀的特點

（1）設(shè)備要求輕巧便攜，因為在雕塑工作室，材料和輔助設(shè)備比較多，環(huán)境比較惡劣，如果掃描設(shè)備笨重龐大，不適合工作環(huán)境，磕磕絆絆容易影響工作效率。

（2）對掃描精度要求不高，但對掃描分辨率要求高。因為在雕塑作品中，分辨率的要求比精度要求重要，比如一個杯子，對杯子上下圓口的軸心誤差，和平行度誤差要求，雕塑里并不高，但是杯子表面的肌理效果卻很重要，所以掃描雕塑的激光掃描儀必須具有比較高的分辨率，但是對掃描精度要求卻沒那么高。

（3）掃描物體尺寸要求，一些掃描儀只能掃描體積比較小的物體，這對雕塑掃描應(yīng)用上是個局限。最好掃描范圍大到3米左右，小到拳頭大小的雕塑即可。這樣可以掃描等大人體及大多數(shù)雕塑展覽作品，至于能掃描大樓的三維設(shè)備價格太過昂貴，不適合用于雕塑掃描。

（4）方便拼合數(shù)據(jù)，手提式掃描儀在掃描過程中能自動閉合數(shù)據(jù)，自動拼合掃描點云，雖然會有誤差，但是有益于后期數(shù)據(jù)整理。數(shù)據(jù)軟件拼合修復(fù)的好壞，直接影響最后模型的效果，有些依靠軟件拼合的三維掃描儀，只要操作簡單也可以采納。

（5）掃描速度要求，這里要探討掃描真人模特所遇到的問題。因為掃描一個人體需要掃描幾十次才能完成。而讓一個人保持幾十分鐘不動，幾乎是不可能的。據(jù)我所知，掃描人體有三種方式：一種是運(yùn)用多臺掃描儀進(jìn)行同時掃描一個人體，但是聯(lián)機(jī)的掃描儀不是同時掃描，因為掃描儀不能區(qū)分其他掃描儀的反射光速。所以需要多人多臺電腦，按順序掃描，這樣能縮短掃描時間。第二種就是做一個人體固定支架，用于固定人體姿勢，減輕模特負(fù)擔(dān)，掃描時連同人體支架一起掃描，之后在后期處理的時候把支架修掉。第三種是模特后面放一張鏡子，掃描時把模特連同鏡子里的數(shù)據(jù)一起掃描，這樣能夠得到模特背后的數(shù)據(jù)，有關(guān)視頻資料可以證明。符合以上條件的掃描儀比較適合雕塑領(lǐng)域的掃描，價格適中的可以考慮選用，不同型號不同領(lǐng)域的掃描儀各有所長，要找適合自己領(lǐng)域特點的設(shè)備揚(yáng)長避短，才能物有所值。

3 掃描實例簡介

3.1 等大人體掃描

掃描設(shè)備：美能達(dá)掃描儀。掃描格式：STL三角面片格式。該設(shè)備特點是輕巧，屬于旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描技術(shù)，掃描的速度是每次3～6秒，掃描范圍50cm見方，因此等大泥稿需要多方位掃描，而且泥稿表面激光反射性不強(qiáng)，接受反射數(shù)據(jù)不全。加上泥稿的支架也要掃描進(jìn)去，這樣后期就會有許多數(shù)據(jù)補(bǔ)充工作要做。泥稿由于笨重?zé)o法反轉(zhuǎn)，因此，掃描也會出現(xiàn)許多掃不到的地方，數(shù)據(jù)出現(xiàn)漏洞。因此，最好是掃描玻璃鋼稿，因為激光反射好，而且重量輕，可以翻轉(zhuǎn)，這樣掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量就會更好。

3.2 大型佛像掃描

掃描設(shè)備：萊卡ScanStation2掃描儀。掃描格式：STL三角面片格式。這個佛像高1.8米，需要遠(yuǎn)程掃描儀，萊卡ScanStation2掃描儀功能非常強(qiáng)大，用電腦和網(wǎng)線連接，現(xiàn)場用了很長的一根數(shù)據(jù)線，雖然掃描比較麻煩，但是掃描數(shù)據(jù)非常精細(xì)。從圖上可以看到數(shù)據(jù)點很密，激光掃描圖案很細(xì)致，連佛頭上佛像的底座都掃描出來了，佛像的佛光圖案清晰可見，掃描數(shù)據(jù)達(dá)到幾百萬張，圖形后期工作量很大。整理數(shù)據(jù)花了一周時間才結(jié)束，整個掃描花了半個月時間。endprint

3.3 石膏頭像掃描

掃描設(shè)備：深圳產(chǎn)特得為TDV-500掃描儀。掃描格式：點云。ASC格式。這個設(shè)備特點是精度比較好，設(shè)備價錢不高。但是操作路徑比較復(fù)雜，如果操作者設(shè)置路徑不夠熟悉的話，掃描就會很困難。而且這個設(shè)備體積相對笨重了些，攜帶不方便，操作性不強(qiáng)，還有此設(shè)備需要掃描校準(zhǔn)，不然左右掃描鏡頭不同步，成像不對稱，到時候只能用一般的數(shù)據(jù)，影響工作質(zhì)量。

4 激光掃描數(shù)據(jù)的應(yīng)用

目前所有3D軟件都可以導(dǎo)入掃描的數(shù)據(jù)，在雕塑領(lǐng)域，大多數(shù)人以為掃描數(shù)據(jù)只會運(yùn)用到渲染領(lǐng)域，出效果圖用。但如果只用到這個領(lǐng)域那真是大材小用了。目前，掃描數(shù)據(jù)在雕塑泥稿的放大過程中大大改善了傳統(tǒng)套圈的放大方法。大型佛像雕塑，及大型組雕可以通過掃描數(shù)據(jù)分開幾塊同時施工。比如，廣州美術(shù)學(xué)院院長黎明教授創(chuàng)作的“青年毛澤東雕塑”的制作，就應(yīng)用了掃描數(shù)據(jù)分塊制作技術(shù)。雕塑高19m，長83m，寬4m，首先以掃描儀進(jìn)行掃描，以10cm的間隔距離對小稿進(jìn)行橫向縱向的切割，在電腦中形成數(shù)萬多個剖切小塊，并建立各個部分的三維坐標(biāo)，這些坐標(biāo)成為分塊制作組裝的科學(xué)依據(jù)。雕塑的形體外形比較復(fù)雜，精確地外形分開比對技術(shù)，保證了雕塑內(nèi)部的鋼架和外部干掛組件的完美吻合。

隨著3D打印技術(shù)的逐漸成熟，把電子數(shù)據(jù)虛擬數(shù)據(jù)變成現(xiàn)實的東西已經(jīng)能輕松地實現(xiàn)。英國就用3D打印機(jī)做出了一把手槍，并成功的打了幾發(fā)子彈。還有數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，各種精雕機(jī)器應(yīng)運(yùn)而生，使得大型浮雕的制作脫離了泥稿放大的步驟，我們可以把掃描的雕塑數(shù)據(jù)在電腦中放大，然后上雕刻機(jī)器，這個目前市場應(yīng)用很多。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D技術(shù)逐漸成熟。在電影和IT業(yè)應(yīng)用越來越多，三維技術(shù)將成為主流。正如數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)明對膠卷相機(jī)的沖擊一樣，三維掃描技術(shù)也將對傳統(tǒng)雕塑技術(shù)形成有力沖擊。雖然不少人持否定態(tài)度，但是我個人認(rèn)為，科技改變?nèi)藗兊纳?，三維掃描技術(shù)可以對雕塑的制作和創(chuàng)新，帶來一定的便利。他給雕塑家提供了個生產(chǎn)自動化的途徑。就像現(xiàn)在開車，有些人開自動擋的汽車有些人開手動擋的汽車，效果都是一樣的，但是自動擋的車比手動換擋的車操作上快捷，在城市擁堵的交通下，自動擋的汽車更有優(yōu)勢。當(dāng)前，電腦可以把圖片處理成“版畫”“油畫”的效果，通過彩色打印機(jī)實現(xiàn)成現(xiàn)實的作品。那雕塑我相信也會用三維掃描技術(shù)、電腦后期處理技術(shù)實現(xiàn)虛擬設(shè)計，在通過3D打印技術(shù)做出真實的作品，這樣就省去了傳統(tǒng)雕塑煩瑣的翻制環(huán)節(jié)和不可修改的弊端。

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作者簡介：孫偉華（1977—），男，吉林長春人，碩士，湖北文理學(xué)院美術(shù)學(xué)院講師，研究方向：城市雕塑與公共藝術(shù)研究。endprint