大唐盛世探秘,3D打印之旅——第一步,构建3D模型的艺术与科学

大唐盛世带你了解3D打印流程：第一步构建3D模型

3D打印的设计过程：先通过计算机建模软件进行建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面(即切片)，从而指导打印机逐层打印。

设计并构建3D打印模型有以下几种不同的方式：直接通过3D建模软件进行模型设计，使用相应的工具将2D图像转换为3D模型，使用3D扫描仪采集数据后设计并构建打印模型。

1.利用3D建模软件构建模型

目前，市场上有很多3D建模软件，包括SketchUp、Blender等开源的3D建模产品，以及CAD、3dsMax、Pro/E、Maya等商业软件。它们专注于不同领域，如CAD主要应用于工业设计，而Maya主要应用于动画、影视方面。

在使用3dsMax进行3D打印的模型制作时，首先要考虑两件事情，一是模型的密闭效果(不能有开放边)，二是面片的方向要一致。封闭的模型要求不能有开放的边，3D模型必须是一体的。如果把模型当作现实世界中的一个容器，里面装满水，那么漏水的区域一定就没有封闭的地方，建模时必须先要处理好这种未封闭的开放边。其次要考在进行3D打印时模型面片的分布是否合理，跨度太大的面片会影响模型打印的精度，需要分处理。

2.基于图像构建3D模型

基于建模软件的3D建模方法主要针对创新性事物的建模工作，要求操作人员具有丰富的专业知识，熟练地使用建模软件。

除了利用3D建模软件进行建模工作之外，还可以利用二维图像进行3D模型构建。这种建模方法需要提供一组物体不同角度的序列照片，利用计算机辅助工具，即可自动生成物体的3D模型。这种方法主要针对已有物体的3D建模工作，操作较为简单，自动化程度很高，成本低，真实感强。Autodesk123D就是一种基于图像的3D建模软件。

3.利用3D扫描仪构建3D模型

三维扫描仪(3DScanner)是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。

目前，3D扫描仪大体分为接触式三维扫描仪和非接触式三维扫描仪。其中接触式扫描仪的代表是三维坐标测量机，虽然精度达到微米量级(0.5mm)，但是由于体积巨大、造价高以及不能测量柔软的物体等缺点，使其应用领域受到限制。非接触式三维扫描仪又分为拍照式三维扫描仪和激光扫描仪。而拍照式三维扫描仪又有白光扫描仪或蓝光扫描仪等，激光扫描仪又有点激光、线激光、面激光的区别。

三维扫描仪主要有以下两方面的功能：①创建物体几何表面的点云(PointCloud)，这些点可用来插补成物体的表面形状，越密集的点云可以创建越精确的模型(这个过程称为三维重建)。若扫描仪能够取得表面颜色，则可进一步在重建的表面上粘贴材质贴图，即所谓的材质映射(TextureMapping)。②三维扫描仪可以模拟为照相机，它们的视线范围都呈圆锥状，信息的搜集皆限定在一定的范围内。两者不同之处在于照相机所抓取的是颜色信息，而三维扫描仪测量的是距离。3D扫描仪把物体的三维数据进行扫描后传入系统中，自动生成3D数据模型，如果不需要修改，则进行切片处理并生成打印机可以识别的格式后就可以进行3D打印了。

基于3D扫描仪构建3D模型的方法主要是利用3D扫描仪等设备来构建所需模型。通过对物体的3D扫描，获得物体表面每个采样点的3D空间坐标以及色彩信息，最终生成3D模型。其特点在于模型精度较高，一般适用于文物复原、工业生产等。其缺点在于对于物体表面的纹理特征多数仍需要辅助大量的手工工作才能完成，且设备操作较为复杂，价格较为昂贵。