三维扫描仪在当代雕塑领域的应用

摘 要：随着中国工业技术的发展，三维激光扫描仪在雕塑领域的运用越来越多。由于三维激光扫描仪品种复杂多样，因此用什么类型的三维扫描仪以及如何合理运用到雕塑领域，是运用现代科学技术促进传统技术进步的关键。

关键词：三维扫描仪；雕塑造型；3D技术

几年前，三维扫描仪在雕塑家眼里还是比较陌生东西，因为只有工业才用得上“三维坐标仪”，至于扫描仪器设备，也只是在印刷、医学领域有涉及。虽然也有业内人士想把这个三维扫描技术用在雕塑领域，但也只是个设想，并不知道具体的概念。近年来，随着三维技术的迅猛发展，三维扫描仪、三维打印机等3D技术应运而生，特别是三维扫描技术，已经非常成熟，精度越来越高，自身也越来越轻便。而且随着技术的成熟，我们在雕塑的制作工程中，运用了一些扫描设备，并总结出了一些经验与大家共享。

1 三维扫描仪的工作原理介绍

（1）三维扫描仪又叫3D扫描仪，之所以叫三维扫描是因为传统扫描所测数据输出都是二维的，以全站仪及GPS居多，在科学技术逐步发展的今天，三维技术已经逐步替代二维技术，因为其长、宽、高的立体三维扫描数据比传统二维扫描数据更直观。目前，我们所接触的三维扫描仪的测量手段主要分为激光测量、电磁波测量、超声波测量，其中三维激光扫描仪运用得比较广泛。

（2）三维激光扫描仪的工作原理介绍，是用条状激光对扫描物体进行扫描，使用CCD相机接受激光反射光束。再根据光速测距原理获得与扫描物体之间的距离，在进行数据化处理。经过软件把相邻的3个点连成三角面，有这些三角面组成许多面片组，结构越复杂，面片组越多，细节就越多。从扫描形式上分为：棱镜扫描、全息扫描。有些扫描要在扫描物体上贴反光点，有些要在特定的背景下扫描，有些不允许扫描物体挪动，少许震动都不行。有的可以手持扫描，扫描到哪里数据就合成到哪里。各种各样五花八门。

2 在雕塑领域如何选择三维扫描仪

2.1 了解雕塑造型的特点

根据雕塑造型的特点，结合三维扫描仪的工作原理，我们谈谈什么样的扫描仪适合雕塑扫描。首先，我们要了解工业造型和雕塑造型的区别，因为许多三维扫描仪是应用到工业领域的。工业造型大多是光滑的曲面，而用特定的函数可以表达规则的曲面，因此，只要测出曲面转折的关键几点，就可以推算出整个表面。而雕塑的形体属于不规则形体，造型复杂，除了抽象雕塑基本没有规则表面可言，而且扫描的盲点也比较多，比如衣纹褶皱的内侧转折部分，骨骼肌肉的不规则形体如果用函数表达就会很庞大，有些雕塑表面保留坑洼的肌理效果，所以要扫描的地方比较复杂。从精确度上说，工业造型需要比较高的精度，而雕塑却不需要很高的精度，因为零点几毫米的误差在雕塑上根本不是问题。

2.2 适合雕塑行业扫描的三维扫描仪的特点

（1）设备要求轻巧便携，因为在雕塑工作室，材料和辅助设备比较多，环境比较恶劣，如果扫描设备笨重庞大，不适合工作环境，磕磕绊绊容易影响工作效率。

（2）对扫描精度要求不高，但对扫描分辨率要求高。因为在雕塑作品中，分辨率的要求比精度要求重要，比如一个杯子，对杯子上下圆口的轴心误差，和平行度误差要求，雕塑里并不高，但是杯子表面的肌理效果却很重要，所以扫描雕塑的激光扫描仪必须具有比较高的分辨率，但是对扫描精度要求却没那么高。

（3）扫描物体尺寸要求，一些扫描仪只能扫描体积比较小的物体，这对雕塑扫描应用上是个局限。最好扫描范围大到3米左右，小到拳头大小的雕塑即可。这样可以扫描等大人体及大多数雕塑展览作品，至于能扫描大楼的三维设备价格太过昂贵，不适合用于雕塑扫描。

（4）方便拼合数据，手提式扫描仪在扫描过程中能自动闭合数据，自动拼合扫描点云，虽然会有误差，但是有益于后期数据整理。数据软件拼合修复的好坏，直接影响最后模型的效果，有些依靠软件拼合的三维扫描仪，只要操作简单也可以采纳。

（5）扫描速度要求，这里要探讨扫描真人模特所遇到的问题。因为扫描一个人体需要扫描几十次才能完成。而让一个人保持几十分钟不动，几乎是不可能的。据我所知，扫描人体有三种方式：一种是运用多台扫描仪进行同时扫描一个人体，但是联机的扫描仪不是同时扫描，因为扫描仪不能区分其他扫描仪的反射光速。所以需要多人多台电脑，按顺序扫描，这样能缩短扫描时间。第二种就是做一个人体固定支架，用于固定人体姿势，减轻模特负担，扫描时连同人体支架一起扫描，之后在后期处理的时候把支架修掉。第三种是模特后面放一张镜子，扫描时把模特连同镜子里的数据一起扫描，这样能够得到模特背后的数据，有关视频资料可以证明。符合以上条件的扫描仪比较适合雕塑领域的扫描，价格适中的可以考虑选用，不同型号不同领域的扫描仪各有所长，要找适合自己领域特点的设备扬长避短，才能物有所值。

3 扫描实例简介

3.1 等大人体扫描

扫描设备：美能达扫描仪。扫描格式：STL三角面片格式。该设备特点是轻巧，属于旋转棱镜扫描技术，扫描的速度是每次3～6秒，扫描范围50cm见方，因此等大泥稿需要多方位扫描，而且泥稿表面激光反射性不强，接受反射数据不全。加上泥稿的支架也要扫描进去，这样后期就会有许多数据补充工作要做。泥稿由于笨重无法反转，因此，扫描也会出现许多扫不到的地方，数据出现漏洞。因此，最好是扫描玻璃钢稿，因为激光反射好，而且重量轻，可以翻转，这样扫描数据质量就会更好。

3.2 大型佛像扫描

扫描设备：莱卡ScanStation2扫描仪。扫描格式：STL三角面片格式。这个佛像高1.8米，需要远程扫描仪，莱卡ScanStation2扫描仪功能非常强大，用电脑和网线连接，现场用了很长的一根数据线，虽然扫描比较麻烦，但是扫描数据非常精细。从图上可以看到数据点很密，激光扫描图案很细致，连佛头上佛像的底座都扫描出来了，佛像的佛光图案清晰可见，扫描数据达到几百万张，图形后期工作量很大。整理数据花了一周时间才结束，整个扫描花了半个月时间。endprint

3.3 石膏头像扫描

扫描设备：深圳产特得为TDV-500扫描仪。扫描格式：点云。ASC格式。这个设备特点是精度比较好，设备价钱不高。但是操作路径比较复杂，如果操作者设置路径不够熟悉的话，扫描就会很困难。而且这个设备体积相对笨重了些，携带不方便，操作性不强，还有此设备需要扫描校准，不然左右扫描镜头不同步，成像不对称，到时候只能用一般的数据，影响工作质量。

4 激光扫描数据的应用

目前所有3D软件都可以导入扫描的数据，在雕塑领域，大多数人以为扫描数据只会运用到渲染领域，出效果图用。但如果只用到这个领域那真是大材小用了。目前，扫描数据在雕塑泥稿的放大过程中大大改善了传统套圈的放大方法。大型佛像雕塑，及大型组雕可以通过扫描数据分开几块同时施工。比如，广州美术学院院长黎明教授创作的“青年毛泽东雕塑”的制作，就应用了扫描数据分块制作技术。雕塑高19m，长83m，宽4m，首先以扫描仪进行扫描，以10cm的间隔距离对小稿进行横向纵向的切割，在电脑中形成数万多个剖切小块，并建立各个部分的三维坐标，这些坐标成为分块制作组装的科学依据。雕塑的形体外形比较复杂，精确地外形分开比对技术，保证了雕塑内部的钢架和外部干挂组件的完美吻合。

随着3D打印技术的逐渐成熟，把电子数据虚拟数据变成现实的东西已经能轻松地实现。英国就用3D打印机做出了一把手枪，并成功的打了几发子弹。还有数控机床的发展，各种精雕机器应运而生，使得大型浮雕的制作脱离了泥稿放大的步骤，我们可以把扫描的雕塑数据在电脑中放大，然后上雕刻机器，这个目前市场应用很多。

随着科学技术的发展，3D技术逐渐成熟。在电影和IT业应用越来越多，三维技术将成为主流。正如数码相机技术的发明对胶卷相机的冲击一样，三维扫描技术也将对传统雕塑技术形成有力冲击。虽然不少人持否定态度，但是我个人认为，科技改变人们的生活，三维扫描技术可以对雕塑的制作和创新，带来一定的便利。他给雕塑家提供了个生产自动化的途径。就像现在开车，有些人开自动挡的汽车有些人开手动挡的汽车，效果都是一样的，但是自动挡的车比手动换挡的车操作上快捷，在城市拥堵的交通下，自动挡的汽车更有优势。当前，电脑可以把图片处理成“版画”“油画”的效果，通过彩色打印机实现成现实的作品。那雕塑我相信也会用三维扫描技术、电脑后期处理技术实现虚拟设计，在通过3D打印技术做出真实的作品，这样就省去了传统雕塑烦琐的翻制环节和不可修改的弊端。

参考文献：

[1] 刘伟军.3D逆向工程技术[M].中国计量出版社.

[2] 王霄.逆向工程技术及其应用[M].四川人民出版社.

[3] 刘伟军.快速成型技术及其应用[M].机械工业出版社.

作者简介：孙伟华（1977—），男，吉林长春人，硕士，湖北文理学院美术学院讲师，研究方向：城市雕塑与公共艺术研究。endprint