一種三維人像智能雕刻裝置的設(shè)計(jì)研究

孫華雨　張靖

摘 要：通過圖像傳感器捕捉設(shè)備投射到人體表面的光在人體上形成的圖像，從而能夠快速獲取人體表面密集三維坐標(biāo)點(diǎn)（點(diǎn)云），實(shí)現(xiàn)對人體的三維數(shù)字化，自動(dòng)雕刻系統(tǒng)能夠直接從三維掃描系統(tǒng)獲取人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確人像雕刻，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化作業(yè)。

關(guān)鍵詞：三維人像；智能；雕刻機(jī)

1 引言

針對國內(nèi)市場上的三維人像雕刻裝置進(jìn)行了一次全面的調(diào)研，認(rèn)真分析了產(chǎn)品特性及市場需求，了解到市場上存在的人像雕刻裝置，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配置安裝不便、精度低、價(jià)格昂貴、雕刻材料單一、雕刻系統(tǒng)的自由度為二維半（只能實(shí)現(xiàn)浮雕）、在數(shù)據(jù)傳輸過程中未能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化等問題，市場上還未出現(xiàn)三維人像掃描與雕刻一體化的成套裝置。[1]本研究從解決老產(chǎn)品存在的不足入手，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場情況，初步設(shè)計(jì)了三維人像智能雕刻裝置技術(shù)方案，生產(chǎn)出樣機(jī)一套，并對生產(chǎn)出的樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相比較，進(jìn)行了近一步地改進(jìn)和完善，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。[2]

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維人像智能雕刻裝置是一個(gè)集現(xiàn)代光機(jī)電技術(shù)為一體的復(fù)雜裝置，該裝置是一種能夠裝載數(shù)控雕刻程序自動(dòng)控制雕刻工藝運(yùn)行的加工系統(tǒng)，由三維激光掃描裝置、雕刻程序和控制系統(tǒng)組成。通過圖像傳感器捕捉設(shè)備投射到人體表面的光在人體上形成的圖像，從而能夠快速獲取人體表面密集三維坐標(biāo)點(diǎn)（點(diǎn)云），實(shí)現(xiàn)對人體的三維數(shù)字化，自動(dòng)雕刻系統(tǒng)能夠直接從三維掃描系統(tǒng)獲取人體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確人像雕刻，實(shí)現(xiàn)雕刻自動(dòng)化作業(yè)。

在比較國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮成本、開發(fā)時(shí)間等因素，我們確定了系統(tǒng)裝置的總體方案。三維人像智能雕刻裝置主要有兩大部分組成：三維人像掃描系統(tǒng)和自動(dòng)雕刻系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1、三維人像掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本掃描系統(tǒng)采用通過非直接接觸的途徑獲取對象表面點(diǎn)在三維空間的坐標(biāo)信息和色彩信息。它包括硬件及其控制、定標(biāo)技術(shù)、空間三維信息及色彩信息的獲取、光柵投影成像重建技術(shù)、網(wǎng)格簡化技術(shù)等。

（1）系統(tǒng)硬件的功能：數(shù)值運(yùn)算、實(shí)時(shí)彩色圖象拍攝、采集并數(shù)字化、存貯、顯示及控制等功能。

（2）空間三維信息及色彩信息的獲取：基于無接觸測量，利用可見外殼重建的思想，通過處理從不同角度拍攝的真實(shí)物體的多副圖像進(jìn)而獲取人體表面三維幾何信息，并且可以將物體表面的立體信息和彩色信息一次性掃描和恢復(fù)到計(jì)算機(jī)中，通過將VTK嵌入到軟件系統(tǒng)，生成人體表面的三維模型。

（3）光柵投影成像重建系統(tǒng)：其軟件構(gòu)成主要包括以下幾個(gè)模塊：預(yù)處理模塊，匹配塊，編碼模塊，糾錯(cuò)模塊，解碼模塊，重建模塊，顯示模塊。如圖2所示。

（4）網(wǎng)格簡化：本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)壓縮方法采用基于點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精簡方法。該方法直接對點(diǎn)云進(jìn)行壓縮，不需要記錄網(wǎng)格點(diǎn)的關(guān)聯(lián)信息，運(yùn)算更簡單，提高了三維人體建模的效率。算法不僅能夠快速完成數(shù)據(jù)點(diǎn)云的精簡，而且較好地保持了原有對象的特征。

2、自動(dòng)雕刻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)雕刻系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。

（1）硬件部分：包括總體布局的型式、有效雕刻區(qū)域、滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、主電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)、主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳遞方式和轉(zhuǎn)速范圍等。

（2）軟件部分：包括基于ARM的嵌入式控制、動(dòng)態(tài)顯示和故障診斷等模塊。自動(dòng)雕刻體系控制模塊的流程如圖2所示。

3 結(jié)論

本產(chǎn)品集成了精密機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、自動(dòng)控制、傳感測試和軟件編程等技術(shù)，屬于目前國內(nèi)領(lǐng)先的雕刻設(shè)備。

1、采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。測量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測人體上，然后對圖象進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理，解算出視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2、針對人像掃描的特點(diǎn)，掃描軟件采用一種新的算法，開發(fā)了一套完整的掃描數(shù)據(jù)的后處理工藝，并開發(fā)了配套軟件功能，如樣品的變形、數(shù)據(jù)的調(diào)平、大數(shù)據(jù)模型的表面降噪等。

3、以先進(jìn)的簡指令微處理器ARM（Advanced RISC Machines）作為CPU，它在功耗、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理速度以及DSP功能方面處于領(lǐng)先水平，以ARM7微處理器作為雕刻系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字增量插補(bǔ)、速度前瞻預(yù)處理、自動(dòng)升降速處理。

4、整機(jī)采用超強(qiáng)“鋼”框架結(jié)構(gòu)，鋁鑄造工藝，鋼性更強(qiáng)，長時(shí)間使用不變形，運(yùn)行平穩(wěn)；采用線性直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌硬度高，剛性好；三軸均用原裝進(jìn)口滾珠絲杠，運(yùn)行平穩(wěn)，傳動(dòng)間隙小，確保雕刻機(jī)的高精度；智能保護(hù)工作臺(tái)面，防止誤操作或軟件錯(cuò)誤等可能造成的臺(tái)面損壞，智能加工越界保護(hù)，防止設(shè)計(jì)版面超過加工幅面引起的機(jī)械碰撞現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]張昱，劉志峰.經(jīng)濟(jì)型三維機(jī)械雕刻機(jī)的開發(fā).機(jī)械制造與研究[J].2006（4）.

[2]王黨利，祁立軍，寧生科.基于MACH軟件三維雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用天地2010（1）.

作者簡介

孫華雨（1981-），女，河南扶溝人，碩士研究生。