基于三维扫描数据的产品数字建模

万莉君 孙凤宇

摘要：随着网络、计算机技术的发展，产品的销售逐步从线下实体展示销售发展为线上虚拟展示销售，产品三维模型制作成为首要环节。本文阐述了如何应用三维扫描获取的模型数据完成产品数字模型的制作流程及方法。

关键词：虚拟展示;产品建模;Geomagic Studio

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0064-04

近年来电商和三维技术的发展，刺激着商品营销模式的不断变革创新。现今的大部分民用产品展示从传统的卖场、商场实景展示，二维图片展示逐步升级变更为在各类媒体平台上进行虚拟三维展示，其真实全面的表达能让消费者在充分了解产品特点的同时，更具代入性的感受实景效果。

尽管三维建模方法多样，但是对于一些造型复杂的产品，应用人工建模耗费时间较长，成本较高，例如家具类产品中普通一件欧式雕花床头柜，手工建模在2天左右，仅建模成本大致300-500元/件，产品展示成本大大增加。随着三维扫描技术的发展和设备价格下落，促使了三维扫描模型数据和三维手工建模在项目中的应用结合，本文主要阐述了在实际项目如何应用三维扫描数据进行产品模型制作。

1 传统展示方式和虚拟展示的对比分析

传统的产品展示以印刷二维图片和卖场、商场实景展示为主，实景展示：商家需要租用场地，装修布置，进行产品出样。由于场地限制等原因，商家很难展示所有产品，以及产品的各个细节特征。图片展示是最早在展销订货会上应用的展示方式，其制作成本低，展示便捷，曾是七八十年代主要的營销展示手段，但是产品角度比较单一，全面性不够，也逐步被替代。虚拟展示：是综合三维建模渲染技术，虚拟交互展示技术，多媒体平台发布等技术的一种全新的产品展示形式，消费者可以基于媒体平台，使用移动鼠标来控制选择观察的范围，可以采用定点360度旋转观察，也可以随意行进式观察，在展示产品的同时，可以感受到解产品使用环境，听到功能介绍等，为产品提供全方位体验。具体对比如表1所示。

2 三维建模方式对比分析

目前三维建模方式主要有手工建模、三维扫描建模两种，其中手工建模主要模型师依据图纸、图片等资料应用三维建模工具建立模型，适用于3D游戏、3D动画、3D电影，缺点是生产周期长、成本高，难以适用于大规模商品三维建模[1];第二种是三维扫描建模是采用扫描设备，扫描实体产品获取三维数据，生成的三维数据需要经过处理后应用于项目，其优点在于速度快，还原度高，但是模型面数较高，需后期处理。具体分析如表2。

3 基于三维扫描数据的产品数字模型制作流程及方法

三维建模技术在工业产品的设计，展示中应用已极为成熟，但是对于复杂结构的产品，手工建模效率低，成本高。因此此类产品三维模型数据主要通过前期三维扫描技术获取。而后在杰魔（Geomagic Studio）、3dmax、Zbrush、Photoshop中进行修复，减面，加材质灯光，最后输出提交下一交互制作环节使用。每个工作环节使的工具和主要工作内容如表3所示。

3.1 三维扫描、采集数据

使用杰魔公司扫描设备，首先在电脑中新建扫描数据存储文件夹，设定扫描对象的具体属性信息，例如被扫描对象的大小，光线强度，物体表面的复杂程度，所需时长等等。而后在产品的表面和转折处均匀的粘贴数据采集点，采集点的分布要均匀，转折处要比平面处分布的数据采集点更多。进行360度无死角扫描过程中速度要稳定，不可时快时慢，要注意凹凸转折结构和雕花部分的扫描。扫描完成后，可以通过Geomagic Studio 软件平台，得到扫描后的基本属性数据和样品。Geomagic Studio软件中打开预览获得的产品模型数据，如图1所示，对照预先输入的产品基本属性进行产品基本信息核对。在软件中旋转放大视图，仔细观察对比模型数据与产品照片及实体，找出需要后续软件修复处理的部分。

3.2 扫描数据加工处理

（1）清理无用模型：三维数据扫描对所有感应点周边的实物数据进行采集，因此导出的模型数据中会有多余面，第一阶段主要在杰魔软件中对此类无用的三维模型数据进行清理。首先要把主体模型拆分出来，把一些无用模型和主体模型之间的连接面选中删除，而后利用“选择”中的“有界组件”把与主体模型分离的无用模型一次性选中删除，由此清理出主体模型。

（2）模型细节处理：扫描获取模型数据十分真实，一方面实际中的瑕疵破损等细节会被捕获，其次由于扫描采集过程中，实物中凹凸褶皱度较高的部分，数据采集会出遗漏，这些都需要在软件中进一步修复处理。处理方法主要有两种：其一，沙发模型表面一些孔洞和连接部分模型数据缺失，如图2所示。对于此类情况可以利用计算机自动分析识别缺失部分前后衔接模型数据，自动进行填充，搭桥建模。在杰魔软件中运用“填充单个孔—切线—内部孔/边界孔/搭桥”命令，点击需求填充的地方即可填补该边界孔。其二，对于产品中包含的重复结构，可以通过选取一个相对最完整的模型数据，而后在zbrush中进行复制合成。重复部分的选择可以通过遮罩选取。

（3）根据材质拆分模型：大部分家具由多个材质组合，为了后期在3DMax中方便为各部分赋材质，前期需要在Geomagic Studio中将各个部分拆分出来。拆分模型主要使用“裁剪—用曲线裁剪”，沿着需拆分部分的外轮廓绘制，把需要拆分的部分以闭合线框选[2]，如图3，最后输出。一般保存可反复修改的工程文件*.wrp格式，而后存储导入到下一步操作的*.obj格式。

3.3 模型减面处理

因为三维扫描得到的模型面数较多，在后期项目应用时会极大提高软件的运算量，影响用户体验，所以需要对修补完的模型进行减面处理，在实际项目中根据产品体量大小及后续使用需求，会设定减面要求，例如在家具展示中一般项目要求一个成品家具模型面数不得超过100万面。

减面工具主要使用三维插件PolygonCruncher。安装插件后，可以在三维软件的插件选项中查找此插件并打开。该插件会自动计算模型总面数。用户可以通过对面数或定点数的控制来达到模型减面的效果。

3.4 模型合成、材质设置、打包输出

（1）模型合成：完成数据处理、修复、拆分、减面后的模型需要导入max中进行合成工作。由于大部分产品模型存在结构对称的情况，因此工作中会采用单边制作的方式去建模，而后在max中主要进行镜像复制合成。还有一部分是需要把三维扫描部分和手工部分进行合成拼装。在制作上可大量节省时间，提高工作效率。如图4为手工模型与扫描模型组合完成模型结构图。

（2）模型合成模型材质设置：模型的材质主要采用vray材质完成，在项目中是采用预先调试好大部分常规材质后调用，例如玻璃、不锈钢、布料、塑料、大理石、金属等，既加快项目制作速度，又保证同一项目同一材质效果一致。

（3）文件打包输出：模型完成以上处理后需打包提交下一步工作，打包文件主要包含以下四类：渲染小图，白模文件、带贴图带材质模型文件、所有使用到的贴图文件。最终模型从扫描数据到三维模型过程如图5、图6、图7所示。

5G时代的到来、电商的发展，基于互联网的线上展示，交互设计体验等必定是产品销售展示主要途径[3]，而产品模型的建立是实现三维展示的基础，本文提出的基于三维扫描数据的建模方法在实际工作达到了高效率，高还原度，应用效果好的目标，为大规模产品三维建模提供了一种更为有效的解决途径。

参考文献

[1] 魏巍，袁君.基于三维重建的3D打印产品定制化建模研究[J].工业设计，2020（2）：26-27.

[2] 李志彦.基于Geomagic Studio的点云数据处理与三维建模技术[J].科技资讯，2019，17（21）：13-14.

[3] 张飞.基于Unity 3D的家具虚拟设计——以新中式家具设计为例[D].长沙：中南林业科技大学，2018.