基于Kinect體感設(shè)備與D打印技術(shù)的D照相館構(gòu)建

馮志文　采銀銀　吳海江　陳亮

【摘 要】對(duì)3D照相館的工作流程、常用的三維掃描設(shè)備及3D打印設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，對(duì)掃描替代設(shè)備的工作原理和工作流程做了分析，提出以Kinect體感設(shè)備與Scanect掃描軟件結(jié)合構(gòu)建3D照相館，并對(duì)實(shí)際操作流程進(jìn)行了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】3D照相館；三維掃描；體感設(shè)備；3D打印

Construction of 3D Photo Studio Based on Kinect Somatosensory Device and 3D Printing Technology

FENG Zhi-wen CAI Yin-yin WU Hai-jiang CHEN Liang

（Electrical and Mechanical Engineering College， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou221000， China）

【Abstract】Analyse 3D photo studio work process and commonly used three-dimensional scanning and 3D printing equipment， analyzes the working principle and process of the alternative equipment of scanning equipment，propose 3d photo studio work process based on kinect somatosensory device and scanect software，and test and verify this concept.

【Key words】3D photo studio；Three-dimensional scanning；Somatosensory device；3D print

隨著三維掃描和3D打印技術(shù)的發(fā)展，全球第一家3D照相館于2012年下半年在日本原宿開設(shè)，2013年起以3D記夢(mèng)館、品啦造像館等為代表的3D照相館在我國(guó)西安、北京、上海、廣州等大城市開始涌現(xiàn)。3D照相館常用的獲取人體三維數(shù)據(jù)的方法有手持式3D掃描儀、照片陣列或“固定式”掃描設(shè)備。[1]手持式3D掃描儀由于具有體積小便攜、能夠?qū)崟r(shí)掃描與拼接、數(shù)據(jù)處理較快、無需固定安裝位置和空間、掃描區(qū)域較大等優(yōu)點(diǎn)最為常用。3D打印設(shè)備以石膏粉為材料的粉末層噴頭3D打印為主，主要有Zcorporation公司的Z系列以及3DSYSTEMS公司的personal系列與professional系列；或者以普及型的ABS、PLA等為材料的FDM打印技術(shù)，但需要后期對(duì)打印模型拋光上色，較為繁瑣。目前困擾3D照相館發(fā)展的一個(gè)問題是掃描與打印設(shè)備成本太高，導(dǎo)致最終模型售價(jià)高，市場(chǎng)接受度低。針對(duì)這一問題，在對(duì)三維掃描與打印設(shè)備全面調(diào)研后，提出以Kinect體感設(shè)備與Scanect掃描軟件配合完成人體三維掃描，以Meshlab軟件修補(bǔ)三維數(shù)據(jù)，再結(jié)合目前普及的桌面型3D打印技術(shù)完成3D照相館的構(gòu)建。

1 3D照相館工作流程與常用三維掃描、3D打印設(shè)備

1.1 3D照相館工作流程

3D照相館是指運(yùn)用專業(yè)的3D掃描設(shè)備掃描人臉部和身體的三維信息，在經(jīng)由3D打印機(jī)打印出一個(gè)逼真的立體人物塑像。3D照相館的操作流程是掃描-數(shù)據(jù)處理-模型打印—后期處理—成品。

1.2 3D照相館常用三維掃描設(shè)備

三維掃描儀產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)七八十年代，分為接觸式和非接觸式。3D照相館所用的三維掃描儀均為非接觸式，主要有手持式3D掃描儀、相機(jī)陣列、“固定式”三維掃描。[1]

目前常見的手持式3D掃描儀有Artec Eva（美國(guó)）、 Creaform（加拿大）、Einscan-Pro（中國(guó)杭州）、OKIO-FreeScan X3（中國(guó)北京）等。相機(jī)陣列是通過安裝在影棚上的多臺(tái)（30～60）相機(jī)同時(shí)拍照，360度拍下被攝者同一瞬間的不同照片，然后通過專用軟件形成3D數(shù)據(jù)文件。“固定式”人體三維掃描儀設(shè)備較大，需要一定的掃描空間，掃描時(shí)間快，僅需幾秒就能完成。目前常用的此類掃描設(shè)備包括Cyberware（美國(guó)）、易尚3D+（深圳）、OKIO-BodyScan（中國(guó)北京）。

1.3 3D照相館常用3D打印設(shè)備

3D打印技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，價(jià)格從2000元至上百萬元的打印機(jī)都有，打印尺寸越來越大，打印的材料越來越豐富，成型技術(shù)手段也在不斷增強(qiáng)，可以說3D打印技術(shù)已經(jīng)普及。

3D照相館的成品要求是彩色的，能夠完美再現(xiàn)人物的表情、服飾。所以一般采用以石膏粉為材料的粉末層噴頭3D打印。也有采用熱塑性塑料材質(zhì)打印基本型，后期再上色；或者直接用多噴頭的熱塑性塑料材質(zhì)進(jìn)行打?。ㄎ鍑婎^熱塑性塑料打印機(jī)價(jià)格已經(jīng)上50萬），但是熱塑性材料不能進(jìn)行色彩融合，也就是說要對(duì)模型進(jìn)行分解，顏色只能通過固定的顏色進(jìn)行組合。

粉末層噴頭3D打印工作原理：使用UV固化技術(shù)，石膏粉末鋪設(shè)后由一彩色噴墨打印機(jī)噴出UV墨水，輔以紫外光照射，將石膏粘結(jié)起來，不同色彩的UV墨水構(gòu)成了彩色打?。ㄒ妶D1）。[2]目前市場(chǎng)上的石膏粉打印機(jī)主要有Z corporation 公司的Z250、Z350、Z450、Z650系列以及3DSYSTEMS 公司的personal系列與professional系列，知名的如project660等。目前，Z corp公司已經(jīng)被3DSYSTEMS 公司收購。

FDM是“Fused Deposition Modeling”的簡(jiǎn)寫形式，即為熔融沉積成型。熔融沉積成型的原理如下：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層大約0.1mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。[2]

2 體感設(shè)備與三維掃描軟件分析

2.1 體感設(shè)備分析

體感設(shè)備自2010年隨Xbox 360游戲機(jī)上市，是連接到游戲主機(jī)上的機(jī)器，它可以通過感應(yīng)器，接收玩家的動(dòng)作或語音信息，從而可以完成游戲的轉(zhuǎn)換。體感設(shè)備突破了傳統(tǒng)意義上的游戲模式，讓玩家可以丟掉手中的游戲控制手柄，即不通過直接接觸的方式來進(jìn)行交互。目前的體感設(shè)備有微軟的Kinect、華碩的xtion、任天堂Wii 等。

體感設(shè)備借助紅外線發(fā)射器發(fā)出一道“激光”覆蓋整個(gè)Kinect的可視范圍，攝像頭組接收反射光線來識(shí)別物體。[3]紅外攝像頭識(shí)別圖像的是一個(gè)“深度場(chǎng)”（Depth Field），其中每一像素的顏色代表了那一點(diǎn)物體到攝像頭的距離。比如離攝像頭近的身體呈亮紅色、綠色等，而離攝像頭遠(yuǎn)的物體則呈暗灰色，見圖2。

2.2 三維掃描軟件分析

常用的配合Kinect和 Xtion體感設(shè)備完成三維掃描的軟件有：Skanect、Reconstruct Me、Artec Studio 9.2等。

Reconstruct Me是基于32位系統(tǒng)的，但是在64位操作系統(tǒng)下仍舊使用32位的kinect驅(qū)動(dòng)以及ReconstructMe。用戶可在掃描對(duì)象周圍移動(dòng)Kinect，這時(shí)ReconstructMe會(huì)自動(dòng)將該物體從背景中分離出來。所生成的模型可導(dǎo)出為OBJ或STL格式。

Artec Studio原本是配合Artec Eva三維掃描儀使用的軟件。可以進(jìn)行后期處理，填補(bǔ)漏洞、清理數(shù)據(jù)、進(jìn)行測(cè)量、導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

Skanect所有權(quán)歸ManCTL公司所有。功能同樣強(qiáng)大，配合體感設(shè)備完成三維掃描后可以進(jìn)行后期處理，如修復(fù)、填孔等。Skanect掃描和修復(fù)功能已經(jīng)比較強(qiáng)大，只有掃描時(shí)有足夠的耐心，基本能夠滿足打印模型的要求。

如果想要更加精確的修復(fù)，還需要運(yùn)用另外的修復(fù)軟件來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)是意大利的開源免費(fèi)英文軟件Meshlab，一個(gè)是運(yùn)用比較多的收費(fèi)的且有簡(jiǎn)體中文界面的Geomagic。相比之下，Meshlab比Geomagic更加快速，且功能強(qiáng)大。

3 基于Kinect體感設(shè)備與Scanect掃描軟件的3D照相館構(gòu)建

3.1 3D照相館構(gòu)建

基于Kinect體感設(shè)備與Scanect掃描軟件的3D照相館流程：掃描—數(shù)據(jù)處理—模型打印—后期處理—成品，見圖3。

3.2 3D照相館具體流程操作

掃描時(shí)，Scannect軟件需要一些設(shè)置，如在圖4（a）中紅框部分關(guān)于掃描尺寸的設(shè)置，構(gòu)建人體半身像的尺寸設(shè)置為：1m×1m×1m（圖4b中的紫色立方體所示）。掃描時(shí)，掃描對(duì)象靜坐不動(dòng)，工作人員手持Kinect體感設(shè)備，距掃描對(duì)象距離為50-80cm的范圍內(nèi)展開掃描，圍繞上、中、下三個(gè)層面進(jìn)行掃描，見圖4（b），針對(duì)一些細(xì)小的地方如發(fā)絲、衣服褶皺等可多次對(duì)準(zhǔn)掃描，軟件會(huì)自動(dòng)記錄、拼合，最終在Scanect掃描軟件中的結(jié)果見圖4（c）。

一般掃描完成后，都會(huì)存在破洞，如圖5（a）所示。使用Scannect軟件的修復(fù)功能，在Process菜單下，提供了網(wǎng)格修復(fù)、幾何修復(fù)、顏色修復(fù)三種修復(fù)功能，如圖5（a）所示。如果修復(fù)效果不滿意，可在Meshlab軟件中打開模型，使用Fill Hole（填孔）命令，修復(fù)模型有破洞的網(wǎng)面，如圖5（b）藍(lán)色部分所示。

修復(fù)完模型后，存儲(chǔ)成Stl格式，可導(dǎo)入到其它三維軟件如Rhino調(diào)整打印尺寸，最終導(dǎo)入桌面型3D打印機(jī)使用ABS耗材進(jìn)行打印，見圖6（a）。

圖6 模型打印與丙酮熏蒸法打磨紋理

FDM打印成型的模型由于分層及支撐材料的存在，打印的模型會(huì)有一圈一圈的褶皺或分層痕跡，這就需要打磨處理?？梢圆捎帽獟伖夥ㄌ幚砟Ｐ停豪肁BS溶于丙酮的特性，加熱液態(tài)丙酮成丙酮蒸汽熏蒸3D模型。[4]具體做法是：玻璃瓶盛液態(tài)丙酮，ABS模型倒掛在玻璃瓶上，放置于電磁爐上的容器內(nèi)，容器內(nèi)放水，見圖6（b）。因?yàn)楸姆悬c(diǎn)大約在56攝氏度，因此使用電磁爐把水加熱到70攝氏度左右停止加熱，玻璃瓶中的液態(tài)丙酮受熱變?yōu)楸羝?-7分鐘即可，熏蒸前見圖6（a），熏蒸后見圖6（c）。

熏蒸完后噴補(bǔ)土，補(bǔ)土類似于汽車補(bǔ)漆的膩?zhàn)?，上補(bǔ)土是為了讓顏料能夠更好的附著在模型上，顏色會(huì)比較艷麗。同時(shí)，補(bǔ)土?xí)?D打印的“臺(tái)階紋”不那么明顯?？捎脟姽嗨a(bǔ)土（1000號(hào)），把模型放在小盒子里，噴灌離模型約30cm進(jìn)行噴涂。噴涂的過程中要采取多次薄噴的處理方式，每次不要噴的太厚，等噴到模型表面出現(xiàn)液體凝集即可停止，等10-15分鐘待補(bǔ)土干燥再換面噴涂，直到整個(gè)模型都補(bǔ)完土，噴完補(bǔ)土后的模型見圖7（a）。模型補(bǔ)土完成后，就可以用丙烯顏料上色，[5]見圖7（b）、（c）。

4 總結(jié)

基于Kinect體感設(shè)備的深度攝像頭以及Scanect掃描軟件的強(qiáng)大功能，基本可以完成三維人體的掃描過程，借助現(xiàn)有低成本的FDM打印成型技術(shù)，可以完成3D照相館從掃描到打印的低成本構(gòu)建。進(jìn)一步的研究可從如何提高掃描精度上著手，或者使用其它更為簡(jiǎn)單的技術(shù)完成三維掃描過程。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張會(huì)霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.26-28.

[2]楊振賢，張磊，樊彬.3D打印：從全面了解到親手制作[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.52-58.

[3]博倫斯坦.格物智知：3D圖形與人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2013.2-4.

[4]賀松林，姜勇，張泉.產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料與工藝[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.86-88.

[5]抱熊氏.粘土手辦基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社，2015.2-64.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]