六步实现3D打印的“扫描建模”

牟晓东 杨鑫芳

所谓的“3D扫描建模”，指的是借助三维扫描仪来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状与外观数据，然后将搜集到的数据进行三维重建计算，最终在计算机中创建与实际物体对应的数字模型。这种方式特别适合于将手边的小饰物进行3D打印复制，因为这样的实物手动建模难度大且比较耗时，网络下载可能找不到合适的模型文件，最好的选择就是进行3D“扫描建模”。

三维扫描仪能够创建现实物体的几何表面“点云”（Point Cloud），数目众多的点可以通过插补来形成物体的表面形状（点动成线、线动成面），点云越密集，创建的模型就越精确。另外，三维扫描仪还能够获取实物的表面颜色信息值，从而在重建的数字模型表面上進行材质UV映射（Texture Mapping）——给模型“穿”上对应的材质贴图。目前常见的三维扫描仪视线范围均呈圆锥状，信息的搜集被限定于一定的角度扫描范围内，因此需要变换三维扫描仪与实际物体的相对位置，或者是将物体放置于电动转盘经多次的旋转扫描来得到多个片面模型“拼凑”出的立体模型（图1）。

目前市场上的三维扫描仪产品比较丰富，但其工作原理及使用方法大同小异，现以先临三维EinScan-SE为例，操作步骤如下：

第一步：组装设备和安装软件

首先将扫描头小心地卡进托架（注意方向），扫描镜头要朝向转台位置，将螺丝拧紧固定好。接着将转台放入支架，注意其底部有个突起对位标记。然后支起标定板支架，放置于转台的正中位置。连接好线路，一是转台与扫描头的连接线，二是扫描头与电脑的USB线，三是扫描仪的电源线。注意：工作间的光线强度不能过强，最好避免强烈阳光照射;另外，要保证三维扫描仪放置于水平桌面上，周围无杂物遮挡干扰。

轻触扫描头背部电源键开机，在电脑中进行随机自带软件的安装，成功后运行EinScan-S series_v2.7.0.6程序即可。

第二步：扫描前的预备动作——“标定”

首次运行扫描软件后必须要进行“标定”操作，否则无法进入正式的扫描模式。“标定”指的是扫描仪通过相机拍摄带有固定间距图案阵列的标定板，然后再经过标定算法的计算来确定其物理尺寸及像素间的换算关系，降低镜头的畸变，使扫描图像与实物更接近，最终得出较为接近原型的几何模型。

软件会先提示选择设备类型，可根据自己的扫描仪进行确认（比如EinScan-SE）。点击“下一步”按钮进行在线激活，下载完许可证工具后再点击“下一步”按钮进入“选择工作模式”，保持默认的“标定”项再点击“下一步”按钮，准备开始进行标定操作（图2）。

此时要特别注意在标定采集信息过程中不要移动标定板，确保标定板放置平稳且正对扫描头，此时扫描仪的亮十字标志应该是对准标定板中心位置且保持清晰状态。第一次标定要按照提示保持标定板的三个水平白色标定点在下、第四个白色标定点在上。点击“采集”按钮，转台会自动定时带动标定板旋转，开始第一组A标定信息的采集。结束后提示将标定板逆时针旋转90度，原来的三个水平白色标定点为竖直状态，点击“采集”按钮进行第二组B标定信息的采集。结束后再将标定板逆时针旋转90度，点击“采集”按钮进行第三组C标定信息的采集（图3）。

注意：标定操作不是每次进行扫描之前都必须要执行的，只有初次使用扫描仪、运输过程中发生过严重的震动以及扫描过程中出现“拼接错误”“拼接失败”“数据不完整”等现象时才进行。

第三步：调节白平衡

标定结束之后再次进入“选择工作模式”，选择“固定扫描”项，点击“下一步”按钮后选择“新建工程”，设置好文件保存路径及文件名（如桌面01.fix_prj）。点击“保存”按钮后选择“纹理选择”中的“纹理扫描”项，再点击“应用”按钮，软件会提示“是否要继续做白平衡测试”，点击“是”按钮后再点击“开始白平衡”按钮进行白平衡测试调节。结束后进入“选择与物体明暗相近的设置”环节，根据实际情况选择“中”后点击“应用”按钮（图4）。

第四步：实物扫描过程

将待扫描的实物轻轻放置于转台的正中央位置（即之前进行标定的位置），勾选左侧的“使用转台”项并保持默认的扫描次数为“8”（否则进行的便是“单片扫描”）。然后点击右侧的“开始扫描”按钮，软件就会提示“扫描中请勿移动物体和设备”，此时转台就会定时逆时针转动22.5度（旋转一圈扫描8次）进行扫描。界面上会同步出现扫描头所正视的实物画面，同时在左下角还会有“点数：694，057 面片数：680，900”的数据信息。扫描结束后会在右下角出现绿色对号和红色叉号的选择提示，叉号表示删除当前扫描数据，一般情况下直接点击对号进行扫描数据的保存（图5）。

第五步：封装模型并进行数据保存

扫描结束后需要进行模型的封装操作，此处通常点击“封闭模型”项。接着设置细节程度（比如“中细节”），级别越高，生成模型的表面就越光滑，但需要的时间也越长。开始进行数据封装，底部进度条跑到100%之后出现数据后处理对话框，可对数据进行简化、补洞、平滑和锐化等操作，点击“应用”按钮后进入“保存/分享数据”环节，再点击右侧的“保存数据”按钮，设置好保存路径及文件名，此时最好是选择文件的保存类型为.obj，这样可以被绝大多数三维建模软件读取并进行二次修改。点击“保存”按钮之后，在弹出的对话框中保持默认的“缩放比例：100”不变，直接点击“缩放”按钮，进行最终的扫描数据的保存操作（图6）。

第六步：在专业建模软件中进行模型检测

3D扫描建模所得到的OBJ模型文件的数据信息是否正常，需要通过专业的三维建模软件来检测，以C4D R18为例，读取刚刚生成的Snanner.obj文件。刚刚导入的模型文件是默认的灰白色材质（无颜色）显示状态，需要在C4D左下区域处双击执行新建材质球操作，然后双击打开该材质球的“材质编辑器”窗口，切换至第一个“颜色”选项。点击“纹理”后的“…”，定位于刚刚生成OBJ文件时同步生成的一个同名的JPG图像文件，这个就是三维建模的UV贴图文件。再将这个材质拖至OBJ模型上，一个与实际物体几乎一模一样的三维模型非常完美地出现了，可点击鼠标中键切换视图，从各个角度来观察模型是否存在不完善的地方（图7）。

至此，3D扫描建模结束，可以继续在C4D中进行模型的修补与创造（比如添加帽子或按30%比例复制添加另外一个“子模型”）。接下来再使用相关的软件进行模型的检测与修复、切片等操作，最终在3D打印机中进行打印输出即可，大家不妨一试。