基于逆向工程的大型雕塑制作方案

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

雕塑樣稿的數據采集數據采集

作逆向反求技術中的第一環節，是后續數據處理、特征提取及模型重建的基礎［5］。目前采集的方式主要有三種:一是傳統的接觸式測量法;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、采集數據密度低，不適用于測量形體復雜且體積較大的雕塑樣品。針對大型雕塑不易搬動、數據采集量大，且表面細節多、特征復雜的特點，本文采用近景攝影測量技術與外差式多頻相移三維光學面掃描技術相結合的方法，來快速、高效、準確的完成雕塑樣稿的全尺寸數據采集。

1.建立全局坐標點

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志點。得到這些點的空間三維坐標是后續點云數據采集的基礎。針對大型雕塑幅面大、局部特征復雜的特點，此處采用西安交通大學機械工程學院信息機電研究所研制的三維光學攝影測量系統———XJTUDP(如圖4所示)來完成全局點位置的測量，測量精度應該可達到0．1mm/m。該系統是基于數字圖像處理技術和數字近景攝影測量技術，來實現物體表面結構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志點(包括編碼點和非編碼點)和標尺，通過數字相機從不同的角度和位置對物體進行拍攝，獲得一定數量的照片;然后采用基于最小二乘擬合的亞像素提取技術進行圖像處理，得到標志點的編號和其中心的圖像坐標;再利用單向空間后方交會和三維重建相關算法實現圖像匹配和標志點的三維重建;最后采用光束平差算法來優化結果，以得到更高精度的物體特征點三維坐標［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)對被測物進行表面處理。考慮到物體表面材質、色彩及反光透光等都會對后期光學面掃描產生影響，因此，首先對泥塑雕像進行表面噴涂處理:注意適當距離均勻噴涂，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地方進行自然風干。(2)進行現場布局。根據測量需求，在雕塑樣稿表面粘貼一系列編碼和非編碼標志點，并放置標準比例尺。受雕塑尺寸較大的影響，應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)利用系統所配高精度數碼相機從各個角度、不同高度拍攝上百張樣稿照片，將所獲圖片導入到XJTUDP系統中，以計算出標志點的三維空間坐標。并利用XJTUDP系統中321坐標變換模塊將所獲點集的三維坐標{Gi}統一調整到所需坐標系下。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圓點。(4)將測量結果導出并保存，以作為后期使用XJTUOM系統時的全局拼接基準。

2.點云數據采集

為了快速、準確的完成雕塑樣稿表面數據采集，這里采用西安交通大學信息機電研究所研制的三維光學面掃描系統———XJTUOM，該系統的測量精度可達0．05mm。如圖6所示，XJTUOM系統依據外插式多頻相移技術原理，結合計算機立體視覺，通過光柵投影裝置投影數幅特定編碼的結構光到待測物體表面，并由成一定夾角的兩個攝像機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，由相位調制函數求得;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為相機和投影儀間的距離;l為相機和投影儀所在直線與該點之間的距離。再經立體匹配和三維重建計算出兩相機公共視區內點的三維坐標，從而實現被測物體的三維信息數字化。鑒于被測雕塑幅面較大，同時又兼有造型復雜的細節，本文采用分區域掃描的方法，最后根據本區域 內的全局坐標點，將所獲點云自動拼接到統一的坐標系下。具體流程如下。(1)區域劃分。此處按雕塑表面細節的復雜程度分為頭部、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三維光學面掃描系統進行區域掃描。按照所劃分區域，分別建立5個xjtuom工程;每個工程進行掃描之前，要先導入xjtudp所獲的全局點，以作為多幅局部掃描數據的拼接基準，后利用xjtuom系統一次掃描300mm×400mm區域的密集點云，自動注冊到全局點所確定的坐標系下;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部分點云數據合并到一起。因每部分數據都注冊在全局點所確定坐標系下，所以最終合并后的點云位于統一的坐標系下。該坐標系以雕塑底面作為xy平面，以鼻尖到底面的垂線作為Z軸。此外，針對局部缺失的細節，須再利用掃描設備進行補充掃描。最后將合并后的點云數據導出并保存為*ply格式。

三維數據處理

首先利用逆向設計軟件Geomagicstudio對掃描獲得的雕塑點云數據進行處理［8］，包括點云數據處理、三角化和剖面線截取3個階段。(1)點云數據處理階段將掃描所獲的最終點云以*ply格式導入Geomagicstudio軟件中，由于在測量過程中不可避免的引入了噪聲，同時采集數據時會出現掃描區域重合的現象，因而要對所獲點云數據進行降噪、融合處理。之后在不影響建模精度的前提下，對海量點云數據進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行封裝后，即切換到了Geomagicstudio的三角化階段。在此階段主要進行缺失數據補充、移除相交三角面片、網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）。數據處理完畢，按照工程實際要求，要將虛擬造型進行等比例放大成型。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的截線功能創建雕塑模型的平行輪廓線。截線數目越多，雕塑的細節位置形態就越明顯，但是這會增加后期制作和數控加工的工作量，因此要根據具體情況計算出最佳的截面線數目。考慮到雕塑的頭部及手部細節多而復雜的特點，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坐標命名，后將每條剖面線移動到相應的坐標圖層下，再于當前圖層畫控制網格，如圖11所示。最后分圖層輸出數據。為避免后期出現裝配錯誤，將每個剖切面的截線和控制網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坐標進行單獨命名。