三维扫描仪在当代雕塑领域的有效运用

陈尚俭 王江峰

摘 要：三维激光扫描技术是随着CAD/CAM技术的发展应运而生的，近年来在逆向工程领域中的应用愈发广泛，但雕塑的制作流程、制作要求与工业造型不同，三维扫描技术的应用也有所差异。本文探讨了雕塑领域中三维扫描仪的应用。

关键词：雕塑;三维扫描仪;原理;应用

尽管三维扫描技术在医学、印刷、工业等领域有所涉及，但将这一技术应用于雕塑领域中，对于很多雕塑艺术家而言，只是一个设想而已。然而，近年来随着科学、技术的飞速发展以及三维技术的完善，曾经的设想已经落实。

1.三维扫描仪概述

1.1类型

三维扫描仪可分为两大类：一种是接触式三维扫描仪，另一种是非接触式三维扫描仪。后者又包括激光扫描仪、拍照式三维扫描仪，其中，前者分为点激光、面激光、线激光三种类型;后者可细分为白光扫描、蓝光扫描等。

拍照式三维扫描仪的工作方式是非接触式的，采用白光光栅扫描，能够全自动拼接。优势是解析度高、效率高、精度高、使用寿命长，非常适合在复杂且自由的曲面逆向建模中使用，是RE、逆向设计、三维检测CAV、逆向扫描等逆向工程以及快速成型、三维立体扫描、三维设计、三维数字化等产品研发设计的重要设备，更是开发产品、检测产品质量必不可少的工具。使用拍照式三维扫描仪时，不会直接与物体接触，可以一边测量一边转动物体，不仅能够360°高精度测量，还能全自动拼接。系统获取物体表面的三维数据后，并提取纹理信息，获得真实的三维立体模型。

继GPS技术后，三维激光扫描是又一次技术创新，通过高速激光扫描以及大面积的高分辨率，能够迅速测量物体表面的三维坐标信息，获得大量采集空间的点位信息，为构建物体的三维模型提供了技术支持。三维激光扫描技术具有主动性、自动化、无接触、高密度、实时性、数字化、动态性、穿透性等特点，一经推广，便受到各行业领域的高度关注。

1.2原理

三维扫描技术融合了多种技术类型，比如机电、光、信息等，可扫描物体的外形与色彩，测量物体表面的空间坐标数据。技术原理为：利用条状激光扫描物体，通过CCD相机接收激光的反射光束。根据光速测距来获得光束和物体之间的距离，使用专业软件将相邻的三个点连成三角形的面，然后再将三角面连接成若干面片组，面片组的数量越多、结构越复杂，扫描细节就越多。三维扫描技术有全系扫描与棱镜扫描两种形式，部分扫描需要将反光点贴在物体表面，还有些扫描有特殊要求，比如需要物体保持绝对的静止，任何轻微的振动都不允许。

2.雕塑领域三維扫描仪的选择

工业造型中，要求曲面光洁且规则，而且可通过特点函数来表达曲面，所以只需要测量函数表达的部分点即可，之后再推算出物体的整个表面。比如，在已知表面是标准球体的前提下，只需要测量四个点，便可以推算出球面。与工业造型相比，雕塑造影更加复杂，扫描盲点更多，比如纹理皱褶、臂弯等部位。如果用函数曲面表达这些表面，则需要庞大的数据量，而且雕塑造型更多情况下需要保留物体表面原本的纹理效果，所以要求扫描仪能够测量边边角角、各个角度的数据。工业造型对测量精度的要求较高，相对的，雕塑造型不需要抬高的测量精度，因此，在三维扫描仪的选择上，可以考虑：

①携带方便：很多情况下，需要在脏乱、拥挤、狭窄的环境下扫描雕塑，如果扫描设备庞大、笨重，则会浪费大量时间，而且操作十分不便。

②扫描迅速：拍摄时间越快，越能捕捉到动态物体的细节。比如扫描真人模特，要想扫描完整的人体显然是不现实的，因为人体需要数十次才能扫描完成，每扫描一次，保存数据与移动镜头的时间便需要1min，这需要模特在几十分钟内保持纹丝不动，客观上很难实现。据笔者所知，扫描真人模特有三种方式：一是使用多台扫描仪来缩短扫描时间，但无法同时扫描，因为扫描仪无法分辨激光光斑是否来自于自身发出激光的反馈。即使是配套扫描软件，也很难实现多台设备同时扫描，这就需要多名工作人员来操作电脑，需要投入较高的人力资源成本。二是扫描之前固定人体，将模特的肢体固定在架子上，减轻模特负担，人与架子一起扫描，后期处理时修掉架子的数据。三是将镜子放在模特身后，人与镜子一同扫描，以获得模特背后的扫描数据。

③高分辨率：指的是扫描出的点要密集。比如扫描圆杯，尽管直径、内外壁圆柱体的中心轴、杯口和杯底平面会有误差，这些对于雕塑造型而言无伤大雅。但杯子上微凸的文字应该清晰扫描出来，这就需要扫描仪极高的分辨率。

④便于拼合数据：手提式的扫描仪在扫描时会自动拼合点云，尽管有一些误差，但为后期的数据处理提供了方便。还有一些扫描仪需要依靠专业软件拼合，尽管比较麻烦，但也在接受范围内。数据的拼合效果与扫描精度、模型表面呈现的效果密切相关，在选择扫描设备时应考虑这一因素。

⑤扫描尺寸：部分扫描仪无法扫描大体积的物体，在雕塑领域的应用受到限制。尽管远程扫描仪能够弥补这一缺陷，但价格十分昂贵，如果用来扫描等大人体十分浪费。所以，扫描尺寸方便，可以扫描到拳头大小即可，如果物体较大，后期可用软件拼合，如果设备能够轻松扫描等大人体或者3m稿，则建议选择。

3.三维扫描仪的应用实例

现阶段，所有3D软件都能导入扫描数据，但很多人认为，扫描数据在雕塑领域的应用，仅限于渲染、出效果图，可谓大材小用。但在放大雕塑泥稿的过程中，扫描数据却能很好的弥补传统套圈放大的缺陷，尤其是在大型佛像雕塑、大型组雕中，可利用扫描数据将雕塑分为几块，同时施工。

3.1等大人体扫描

美能达扫描仪，设备轻便，拥有旋转棱镜扫描技术，采用STL三角面片格式扫描。扫描速度为3～6次/s、扫描范围在50cm左右。等大的泥稿需要扫描各个方位，泥稿表面的激光反射性较弱，无法全面接受反射数据。泥稿支架也要扫描，后期需要补充大量数据。而且泥稿无法随意移动，很多地方扫描不到，数据不全。因此建议扫描玻璃钢稿，激光反射效果较好，重量比泥稿轻，便于翻转移动，扫描各个角度。

3.2大型佛像扫描

莱卡ScanStation2扫描仪，拥有强大的扫描功能，采用STL扫描面格式扫描。佛像高度为1.8米，扫描现场需要连接电脑和网线，尽管扫描过程比较繁复，但获取的扫描数据精准，分辨率高，数据点密集，扫描图案十分精细，佛光图案清晰可见，即使是佛像底座都能扫描完整，扫描数据多达数百万张，整个扫描工作持续半月有余，后期处理数据耗时1周。

3.3石膏头像扫描

TDV-500扫描仪，价格实惠、精度良好;采用点云，ASC格式扫描。扫描路径较为复杂，要求操作人员有一定的熟练度。扫描仪的体积较大，相对笨重，携带略有不便，而且操作性不强，同时还需要扫描校准，否则左右扫描镜头将会不同步，最终成像无法对称。

结束语

综上所述，在科技高速发展的信息时代，形状与形象信息的获取也逐渐朝着三维扫描的趋势发展，对于促进雕塑领域的技术革新具有重要意义。

参考文献：

[1]刘馨潞，刘奕博.基于激光扫描仪的仿真雕塑三维形体自动测量方法[J].自动化与仪器仪表，2020（10）：157-160.

[2]孙伟华.三维扫描仪在当代雕塑领域的应用[J].艺术科技，2014，27（04）：3+11.