基于三维成像技术的激光内雕加工研究

张鑫　张延开　张莹莹　高扬

摘要：本文结合世界经济发展和结构优化升级的状态下，结合了国际上集中先进、流行的玻璃内雕刻工艺加工方法，最终对水晶内雕技术进行研究。此研究不仅会对该技术进行一些探讨。还为日后的玻璃加工方法奠定了基础。

关键词：水晶内雕 工作参数 内容及方法

一、引言

由于世界经济发展和结构优化升级，我国工艺品出口增长迅猛，并逐渐成为全球最具竞争力的工艺品贸易中心。随着人们的消费程度越来越高，工艺品市场需求变化越来越快，工艺品掀起了一股时尚的潮流。作为目前国际上最先进、最流行的玻璃内雕刻工艺加工方法，水晶内雕技术不仅能将三维图像完美、清晰的呈现于水晶内部，并且制得的水晶工艺品图像栩栩如生且永不变色，可持久保存，极具个性化和纪念意义。为体现我校教学与科研并重、理论与实践结合、建设与特色共举的发展理念与市场需求，更好地对学校良好育人氛围进行宣传，本项目拟采用三维扫描仪与激光内雕机两者相结合的方法，完成本校楼宇建筑系列水晶工艺品的雕刻。此外，所制得的工艺品还可以作为礼物赠送给校友或者毕业生，这不仅是一份礼物，更是推动社会发展的一份力量。更重要的是，学生可以借此提高认知，赢得机遇，掌握市场。

二、项目研究目标

水晶激光内雕工艺品市场需求大，投资回报高，如若找寻出此设备的应用规律并将其归为“系统”乃至形成专利，那么市场前景将十分可观，同时也为激光器在我国内雕行业中的应用带来了强大的动力。根据我校先进设备实验室的根本状况，本项目拟采用三维成像技术与三维建模设计软件将校园建筑进行三维建模及渲染，所得立体图形经格式转换及修正后，传输至激光内雕刻机，激光内雕刻机通过改变参数，如点阵数量，激光能量值大小等，突破水晶炸裂问题，确定水晶炸裂阈值，此外，通过数以百计的实验找出参数设置规律及调整经验值，从而实现三维图形在水晶内部雕刻的最佳效果。为了保证项目进行的顺利性，我们需要着手解决如下关键问题：

（1）如何将楼宇等大型建筑物的实体通过逆向工程设备导入三维软件。（2）计算机与内雕机图像传输、文件格式转换及手工修正规律探寻。（3）如何实验以确定水晶的损伤阈值、各类图案加工时的最佳参数。

（一）逆向输入。用三维扫描仪对校园建筑进行逆向扫描，并分析其几何构造与外观数据，将搜集到的数据输入计算机内部并进行三维重建计算，在虚拟世界中创建校园建筑的数字模型，再将其转换格式并手工修正，输出给激光内雕机。

（二）项目实施手段及方法。通过在激光雕刻机的算点软件及雕刻软件中进行参数设置，控制发射的激光束在水晶的内部精确聚焦产生能量，使水晶内部发生局部爆炸，产生白色微小点单元，根据转换好的校园建筑三维数据轨迹移动激光焦点位置，在水晶内部雕刻出图案。

（三）确定参数。通过适当实验方法，反复调节每个环节的参数以确定水晶破坏的阈值，使雕刻的图案以最佳的三维形态在水晶内部展现。

三、拟采用的研究方法，技術路线及实验方案

（一）研究方法。本项目设计采用控制变量法、实验对比分析法，通过控制电流、电压、生成点云的点，线，面密度、平行面的面积及间距、打标点的集中度，来观察水晶是否出现爆裂的现象。单一改变内雕机内某一参数，找出不同类型三维图形的最佳参数标定组，实现水晶内雕实物加工的完整性。

（二）技术路线。方案的设计一工作参数的设定一制作时的数据控制一完成作品一真实操作下的对比一形成相关报告

（三）实验方案。本项目拟采用半闭环试验方案：采集楼宇的三维图像信息一编辑并建立虚拟三维模型一导入内雕算点软件一试验多组算点参数一试验多组雕刻参数一将得到的多组内雕成品与原始三维模型、真实楼宇进行比对一整理比对信息一反馈至参数组设定环节。

四、过程中的关键点阐述

（一）数据的采集。利用三维扫描仪配合着数码相机、GPS定位装置等附件，分析预雕刻校内建筑物的几何构造与外观数据，将搜集到的数据用来进行三维重建计算，创建物体几何表面的点云。由三维激光扫描仪直接与数码相机、GPS定位装置、升降台、旋转平台、应用软件以及其他附件相结合。以本团队之前使用过的RiegILMS-Z420i三维激光扫描仪为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服计步马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。

（二）数据的传递。通过三维相机或三维扫描仪获取的图像信息，利用计算机进行格式转换并进一步手工调整，从而传递给激光内雕机。下图表示以三维扫描仪为例的扫描及传输过程。

（三）确定各项参数。反复试验多组算点参数、雕刻参数。采用控制变量法，分别对电流、电压、生成点密度、平行面的面积及间距、打标点的集中度，进行逐一单一变量控制，单一改变内雕机工作的环境，来观察水晶是否出现爆裂的现象，找出最合适的条件，实现水晶内雕实物加工的完整性。加工出三维扫描仪预置形状的水晶工艺品。

（四）项目的实施。通过聚焦，使激光的能量密度在到达要加工区域之前低于水晶的破坏阈值，而在希望加工的区域则超过这一临界值。脉冲激光的能量可以在瞬间使水晶受热炸裂，从而产生微米至毫米数量级的微裂纹，由于微裂纹对光的散射而呈白色。通过已经设定好的计算机程序控制在水晶内部雕刻出特定的形状，水晶的其余部分则保持原样。

（五）整理。将得到的水晶工艺品与原始三维模型、真实楼宇进行比对，整理数据并分析，得出最佳参数，获得最完美的水晶工艺品。

五、结语

伴随着现代工艺品市场需要逐步扩大，水晶内雕技术已经越来越受欢迎，本项目就是研究这一项新技术，不仅会推动工艺品产业的发展，而且还能让学生增加一些课外的技能和动手能力；此外，通过数以百计的实验找出参数设置规律及调整经验值，从而实现三维图形在水晶内部雕刻的最佳效果。通过找寻工作过程中的各项参数，来确定最终适宜的工况。