基于逆向工程的大型雕塑制作方案

為了改變這一傳統(tǒng)設(shè)計方法，滿足大型雕塑創(chuàng)作中的某些特殊需求，本文將逆向技術(shù)理念引入到雕塑創(chuàng)作的過程中，利用三維虛擬設(shè)計、物理和虛擬空間匹配技術(shù)與傳統(tǒng)雕塑技術(shù)相結(jié)合。此處以某大型雕塑為例，詳細(xì)闡述利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行大型雕塑制作的步驟和方法。如圖2所示（圖略），本文采用工業(yè)數(shù)字近景攝影測量技術(shù)［3］和XJTUOM三維光學(xué)密集點云測量系統(tǒng)［4］相結(jié)合的方法獲取樣件表面點云數(shù)據(jù);針對大型雕塑樣件點云數(shù)據(jù)量大、表面特征復(fù)雜的特點，采用專用逆向工程軟件Geomagic和計算機(jī)輔助軟件AutoCAD進(jìn)行三維點云處理及面片整理工作，最后運(yùn)用切片堆疊式機(jī)械加工和手工創(chuàng)作結(jié)合的手段快速、準(zhǔn)確的完成雕塑制作成型。

雕塑樣稿的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集

作逆向反求技術(shù)中的第一環(huán)節(jié)，是后續(xù)數(shù)據(jù)處理、特征提取及模型重建的基礎(chǔ)［5］。目前采集的方式主要有三種:一是傳統(tǒng)的接觸式測量法;二是非接觸測量法;三是逐層掃描測量法;如圖3所示。其中接觸式測量法精度高，但測量速度慢、采集數(shù)據(jù)密度低，不適用于測量形體復(fù)雜且體積較大的雕塑樣品。針對大型雕塑不易搬動、數(shù)據(jù)采集量大，且表面細(xì)節(jié)多、特征復(fù)雜的特點，本文采用近景攝影測量技術(shù)與外差式多頻相移三維光學(xué)面掃描技術(shù)相結(jié)合的方法，來快速、高效、準(zhǔn)確的完成雕塑樣稿的全尺寸數(shù)據(jù)采集。

1.建立全局坐標(biāo)點

所謂全局點就是在被測物體表面黏貼的用來輔助定位的標(biāo)志點。得到這些點的空間三維坐標(biāo)是后續(xù)點云數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。針對大型雕塑幅面大、局部特征復(fù)雜的特點，此處采用西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院信息機(jī)電研究所研制的三維光學(xué)攝影測量系統(tǒng)———XJTUDP(如圖4所示)來完成全局點位置的測量，測量精度應(yīng)該可達(dá)到0．1mm/m。該系統(tǒng)是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)字近景攝影測量技術(shù)，來實現(xiàn)物體表面結(jié)構(gòu)特征點的精確三維重建的;即在物體的表面及其周圍放置標(biāo)志點(包括編碼點和非編碼點)和標(biāo)尺，通過數(shù)字相機(jī)從不同的角度和位置對物體進(jìn)行拍攝，獲得一定數(shù)量的照片;然后采用基于最小二乘擬合的亞像素提取技術(shù)進(jìn)行圖像處理，得到標(biāo)志點的編號和其中心的圖像坐標(biāo);再利用單向空間后方交會和三維重建相關(guān)算法實現(xiàn)圖像匹配和標(biāo)志點的三維重建;最后采用光束平差算法來優(yōu)化結(jié)果，以得到更高精度的物體特征點三維坐標(biāo)［6］。V=A×X1+B×X2+C×X3－L(1)全局點測量流程如圖5所示，具體測量過程如下。(1)對被測物進(jìn)行表面處理。考慮到物體表面材質(zhì)、色彩及反光透光等都會對后期光學(xué)面掃描產(chǎn)生影響，因此，首先對泥塑雕像進(jìn)行表面噴涂處理:注意適當(dāng)距離均勻噴涂，盡量避免噴涂不均所帶來的厚度偏差。噴涂完畢后放在通風(fēng)地方進(jìn)行自然風(fēng)干。(2)進(jìn)行現(xiàn)場布局。根據(jù)測量需求，在雕塑樣稿表面粘貼一系列編碼和非編碼標(biāo)志點，并放置標(biāo)準(zhǔn)比例尺。受雕塑尺寸較大的影響，應(yīng)在泥塑周圍也均勻布置編碼點，以用來完成局部測量圖片的全局匹配。(3)利用系統(tǒng)所配高精度數(shù)碼相機(jī)從各個角度、不同高度拍攝上百張樣稿照片，將所獲圖片導(dǎo)入到XJTUDP系統(tǒng)中，以計算出標(biāo)志點的三維空間坐標(biāo)。并利用XJTUDP系統(tǒng)中321坐標(biāo)變換模塊將所獲點集的三維坐標(biāo){Gi}統(tǒng)一調(diào)整到所需坐標(biāo)系下。此處以雕塑周圍的地面邊緣作為作為xy平面，以鼻尖到底面的垂線作為Z軸，軸和xy平面的交點作為整個雕塑的坐標(biāo)圓點。(4)將測量結(jié)果導(dǎo)出并保存，以作為后期使用XJTUOM系統(tǒng)時的全局拼接基準(zhǔn)。

2.點云數(shù)據(jù)采集

為了快速、準(zhǔn)確的完成雕塑樣稿表面數(shù)據(jù)采集，這里采用西安交通大學(xué)信息機(jī)電研究所研制的三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)———XJTUOM，該系統(tǒng)的測量精度可達(dá)0．05mm。如圖6所示，XJTUOM系統(tǒng)依據(jù)外插式多頻相移技術(shù)原理，結(jié)合計算機(jī)立體視覺，通過光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體表面，并由成一定夾角的兩個攝像機(jī)同步采集光柵條紋圖像，然后利用條紋莫爾特性的解相方法對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，其中投影光柵上某一點的物體上的偏移距離b由下面公式求得:b=p2πΔφ(2)式中:Δφ為相位差，由相位調(diào)制函數(shù)求得;p為條紋周期。由三角形測量法求出物體表面上該點的高度值z:z=blD+b=pl2πDΔφ(3)式中:D為相機(jī)和投影儀間的距離;l為相機(jī)和投影儀所在直線與該點之間的距離。再經(jīng)立體匹配和三維重建計算出兩相機(jī)公共視區(qū)內(nèi)點的三維坐標(biāo)，從而實現(xiàn)被測物體的三維信息數(shù)字化。鑒于被測雕塑幅面較大，同時又兼有造型復(fù)雜的細(xì)節(jié)，本文采用分區(qū)域掃描的方法，最后根據(jù)本區(qū)域 內(nèi)的全局坐標(biāo)點，將所獲點云自動拼接到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。具體流程如下。(1)區(qū)域劃分。此處按雕塑表面細(xì)節(jié)的復(fù)雜程度分為頭部、左手部、右手部、雕塑腰部以上、雕塑腰部以下5個部分。(2)采用XJTUOM三維光學(xué)面掃描系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域掃描。按照所劃分區(qū)域，分別建立5個xjtuom工程;每個工程進(jìn)行掃描之前，要先導(dǎo)入xjtudp所獲的全局點，以作為多幅局部掃描數(shù)據(jù)的拼接基準(zhǔn)，后利用xjtuom系統(tǒng)一次掃描300mm×400mm區(qū)域的密集點云，自動注冊到全局點所確定的坐標(biāo)系下;多次掃描完成雕塑外形輪廓的密集點云采集，如圖7所示（圖略）。(3)將上述5部分點云數(shù)據(jù)合并到一起。因每部分?jǐn)?shù)據(jù)都注冊在全局點所確定坐標(biāo)系下，所以最終合并后的點云位于統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。該坐標(biāo)系以雕塑底面作為xy平面，以鼻尖到底面的垂線作為Z軸。此外，針對局部缺失的細(xì)節(jié)，須再利用掃描設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充掃描。最后將合并后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存為*ply格式。

三維數(shù)據(jù)處理

首先利用逆向設(shè)計軟件Geomagicstudio對掃描獲得的雕塑點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［8］，包括點云數(shù)據(jù)處理、三角化和剖面線截取3個階段。(1)點云數(shù)據(jù)處理階段將掃描所獲的最終點云以*ply格式導(dǎo)入Geomagicstudio軟件中，由于在測量過程中不可避免的引入了噪聲，同時采集數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)掃描區(qū)域重合的現(xiàn)象，因而要對所獲點云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、融合處理。之后在不影響建模精度的前提下，對海量點云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀以提高處理速度，如圖8所示。(2)三角化階段將最終處理完畢的點云進(jìn)行封裝后，即切換到了Geomagicstudio的三角化階段。在此階段主要進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)充、移除相交三角面片、網(wǎng)格平滑和修改邊界特征等，最終得到理想的多邊形模型。如圖9所示（圖略）。數(shù)據(jù)處理完畢，按照工程實際要求，要將虛擬造型進(jìn)行等比例放大成型。此處利用Geomagicstudio的縮放功能將原始模型放大到最大高度5m。(3)剖面線截取利用Geomagicstudio的截線功能創(chuàng)建雕塑模型的平行輪廓線。截線數(shù)目越多，雕塑的細(xì)節(jié)位置形態(tài)就越明顯，但是這會增加后期制作和數(shù)控加工的工作量，因此要根據(jù)具體情況計算出最佳的截面線數(shù)目。考慮到雕塑的頭部及手部細(xì)節(jié)多而復(fù)雜的特點，在頭部和手部截面線剖切的密度大些，如圖10所示。以底面作為剖切0面，沿Z軸正方向以一定間隔(頭部和手部截線間隔要變小)依次剖切完畢后，輸出剖切截面曲線并保存為IGS格式。將所有剖面線導(dǎo)入到AutoCAD2012中，利用軟件的圖層功能建立多個圖層并以剖切截面線的Z坐標(biāo)命名，后將每條剖面線移動到相應(yīng)的坐標(biāo)圖層下，再于當(dāng)前圖層畫控制網(wǎng)格，如圖11所示。最后分圖層輸出數(shù)據(jù)。為避免后期出現(xiàn)裝配錯誤，將每個剖切面的截線和控制網(wǎng)格同時輸出為可以用于工程加工的二維圖紙，每張二維圖紙按照它的Z坐標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)命名。