話(huà)題背景
近年來(lái)，我們經(jīng)常能聽(tīng)到“3D”這個(gè)名詞。3D之所以被認(rèn)為神奇，很大程度上歸因于我們通過(guò)高科技數(shù)字化的手段，使得客觀世界中的3D實(shí)體能夠在虛擬世界中得以高精度重建（3D掃描）、自由編輯（3D設(shè)計(jì)）、真實(shí)感高清展示（3D顯示），乃至重新返回至客觀世界（3D打印）。
3D打印，是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以3D數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層打印、迭加成型的方式來(lái)增量構(gòu)造物體的技術(shù)。3D數(shù)字化和3D打印是一對(duì)孿生兄弟，相輔相成。
3D數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)3D打印的前提和基礎(chǔ)，否則“巧婦難為無(wú)米之炊”；而3D打印使3D數(shù)字化“落到實(shí)處”。
什么是3D數(shù)字化
3D數(shù)字化就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)生成數(shù)字化的3D圖紙模型，以便輸出到3D打印機(jī)。目前有兩類(lèi)方法進(jìn)行3D數(shù)字化。第一類(lèi)是使用3D設(shè)計(jì)軟件，由設(shè)計(jì)師從無(wú)到有地設(shè)計(jì)3D數(shù)字化產(chǎn)品。目前常見(jiàn)的3D商業(yè)設(shè)計(jì)軟件有：SolidWorks、AutoCAD、3ds Max、Maya、Rhino3D、Zbrush等。此外，還有多款各有特色的免費(fèi)設(shè)計(jì)軟件：Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等，其中很多還支持基于WebGL的網(wǎng)絡(luò)在線(xiàn)編輯。
當(dāng)然，并非人人都有能力自己設(shè)計(jì)3D形狀，因此第二類(lèi)3D數(shù)字化就是3D掃描（俗稱(chēng)3D照相），基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別與智能系統(tǒng)、光機(jī)電一體化控制等技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)存在的3D物體進(jìn)行掃描采集，以獲得逼真的數(shù)字化重建。3D掃描技術(shù)分主動(dòng)（Active）掃描與被動(dòng)（Passive）掃描兩種。
主動(dòng)式掃描是對(duì)被測(cè)物體附加投射光，包括激光、可見(jiàn)白光、超聲波與X射線(xiàn)等。其中激光線(xiàn)式的掃描，可以?huà)呙璐笮偷奈矬w，但是由于每次只能投射一條光線(xiàn)，所以?huà)呙杷俣嚷６壳白钚碌幕诮Y(jié)構(gòu)白光的掃描設(shè)備，能同時(shí)測(cè)量物體的一個(gè)面，點(diǎn)云密度大、精度高，在快速采集物體三維表面信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外還有基于光照編碼的掃描設(shè)備，如微軟2010年發(fā)布的Kinect，具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。
被動(dòng)式掃描對(duì)被測(cè)物體不發(fā)射任何光，而是通過(guò)采集被測(cè)物表面對(duì)環(huán)境光線(xiàn)的反射進(jìn)行，因不需要規(guī)格特殊的硬件，所以成本非常便宜。被動(dòng)式掃描重建技術(shù)，如Autodesk最新的123D Catch，通?；谟?jì)算機(jī)三維視覺(jué)的理論方法，如立體視覺(jué)法等。受環(huán)境光照對(duì)圖像質(zhì)量的影響，被動(dòng)式掃描往往精度較低、噪聲誤差較大。
在獲得3D掃描的原始數(shù)據(jù)后，往往還需對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的處理，如將多個(gè)視角的形狀片段進(jìn)行對(duì)齊和拼接配準(zhǔn)，以統(tǒng)一在同一個(gè)世界坐標(biāo)系下。此外還需進(jìn)行漏洞修補(bǔ)、噪聲去除、三角化、重網(wǎng)格化等，以生成最終的高質(zhì)量水密曲面。
目前還沒(méi)有一種成熟的3D數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)ψ匀唤绲娜我庑螤钸M(jìn)行全自動(dòng)地真實(shí)重建，如對(duì)于人體的頭發(fā)等。因此在實(shí)際操作過(guò)程中，往往需要同時(shí)結(jié)合多種掃描技術(shù)，以及一定的手工編輯，以獲得一個(gè)好的重建質(zhì)量。
助力3D打印
3D打印誕生于上世紀(jì)80年代，用于將虛擬世界中復(fù)雜的3D數(shù)字化模型變成客觀世界中真實(shí)存在的3D實(shí)體。與傳統(tǒng)的“切削去除材料”的加工技術(shù)（如3D雕刻）不同，3D打印采用“逐層增加材料”的方式來(lái)生成3D實(shí)體。3D打印無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，這樣極大地減小了復(fù)雜產(chǎn)品的制造難度，縮短了研制周期。目前3D打印在電影制作、游戲動(dòng)漫、醫(yī)療、教育、建筑、文物考古、生產(chǎn)制造業(yè)都發(fā)揮了獨(dú)特的作用。
3D打印成為近年來(lái)的新聞熱點(diǎn)，與2006年英國(guó)Reprap開(kāi)源項(xiàng)目的發(fā)布不無(wú)關(guān)系。Reprap是3D桌面打印發(fā)展的基石，直接催生了包括Makerbot在內(nèi)的一大批廉價(jià)普及型3D打印機(jī)，價(jià)格從幾千到幾萬(wàn)元人民幣不等。
而在高精度大尺寸工業(yè)打印領(lǐng)域，美國(guó)3D Systems和Stratasys兩大公司占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額。當(dāng)然，在這個(gè)新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域不乏挑戰(zhàn)者，如Mcor公司2012年新推出的Iris全彩打印機(jī)，只需普通A4辦公紙作為原材料，具有超低的成本優(yōu)勢(shì)和綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)內(nèi)，由亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)發(fā)起的中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟于2012年成立。
目前，3D打印機(jī)已經(jīng)能夠使用各式各樣的新材料（液體、粉末、塑料絲、金屬、沙子、紙張甚至巧克力、人體干細(xì)胞等），通過(guò)噴墨沉積、熔融沉積成型、激光燒結(jié)、立體光刻等工藝將三維數(shù)字模型變成實(shí)物，從玩具、工具，到廚房用品、建筑、時(shí)尚衣服應(yīng)有盡有，甚至還可直接打印具備觸感的人造耳朵、人體骨骼、人造假牙、鮮肉，以及槍支、跑車(chē)、無(wú)人飛機(jī)等。
3D打印技術(shù)目前面臨著以下幾個(gè)主要問(wèn)題亟待解決：
首先，與傳統(tǒng)切削加工技術(shù)相比，產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量相差較大，產(chǎn)品性能還達(dá)不到許多高端金屬結(jié)構(gòu)件的要求。其次是大批量生產(chǎn)效率還比較低，不能完全滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域的需求。最后，3D打印的設(shè)備和耗材成本仍然很高，如基于金屬粉末的打印成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)制造。
由此可見(jiàn)，3D打印技術(shù)雖然是對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)的一次革命性突破，但它卻不可能完全取代切削、鑄鍛等傳統(tǒng)制造技術(shù)，兩者之間應(yīng)是一種相互支持與補(bǔ)充，共同完善與發(fā)展的良性合作關(guān)系。
3D數(shù)字化與3D打印技術(shù)相結(jié)合所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，不僅在于通過(guò)復(fù)制手段真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)世界，還可以在3D數(shù)字化的基礎(chǔ)之上，通過(guò)再設(shè)計(jì)工作，創(chuàng)造出一個(gè)更加美好的世界。
以電影《阿凡達(dá)》為例，很多美輪美奐的場(chǎng)景都無(wú)法從現(xiàn)實(shí)中直接拍攝。而通過(guò)數(shù)字化的藝術(shù)設(shè)計(jì)，再使用3D打印機(jī)直接打印出來(lái)，這樣不僅免去了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的手工制作，而且獲得了超越現(xiàn)實(shí)的逼真效果。3D數(shù)字化與3D打印的完美結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)用“虛擬”再造“現(xiàn)實(shí)”的嶄新境界。
（作者系中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所副研究員）
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