一种三维人像智能雕刻装置的设计研究

孙华雨　张靖

摘 要：通过图像传感器捕捉设备投射到人体表面的光在人体上形成的图像，从而能够快速获取人体表面密集三维坐标点（点云），实现对人体的三维数字化，自动雕刻系统能够直接从三维扫描系统获取人体点云数据，进行精确人像雕刻，实现雕刻自动化作业。

关键词：三维人像；智能；雕刻机

1 引言

针对国内市场上的三维人像雕刻装置进行了一次全面的调研，认真分析了产品特性及市场需求，了解到市场上存在的人像雕刻装置，存在结构复杂、配置安装不便、精度低、价格昂贵、雕刻材料单一、雕刻系统的自由度为二维半（只能实现浮雕）、在数据传输过程中未能实现全自动化等问题，市场上还未出现三维人像扫描与雕刻一体化的成套装置。[1]本研究从解决老产品存在的不足入手，并结合实际应用现场情况，初步设计了三维人像智能雕刻装置技术方案，生产出样机一套，并对生产出的样机进行反复实验，并对实验结果与设计要求相比较，进行了近一步地改进和完善，使其达到设计要求。[2]

2 总体结构设计

三维人像智能雕刻装置是一个集现代光机电技术为一体的复杂装置，该装置是一种能够装载数控雕刻程序自动控制雕刻工艺运行的加工系统，由三维激光扫描装置、雕刻程序和控制系统组成。通过图像传感器捕捉设备投射到人体表面的光在人体上形成的图像，从而能够快速获取人体表面密集三维坐标点（点云），实现对人体的三维数字化，自动雕刻系统能够直接从三维扫描系统获取人体点云数据，进行精确人像雕刻，实现雕刻自动化作业。

在比较国内外现有技术的基础上，综合考虑成本、开发时间等因素，我们确定了系统装置的总体方案。三维人像智能雕刻装置主要有两大部分组成：三维人像扫描系统和自动雕刻系统，其结构组成如图1所示。

1、三维人像扫描系统设计

本扫描系统采用通过非直接接触的途径获取对象表面点在三维空间的坐标信息和色彩信息。它包括硬件及其控制、定标技术、空间三维信息及色彩信息的获取、光栅投影成像重建技术、网格简化技术等。

（1）系统硬件的功能：数值运算、实时彩色图象拍摄、采集并数字化、存贮、显示及控制等功能。

（2）空间三維信息及色彩信息的获取：基于无接触测量，利用可见外壳重建的思想，通过处理从不同角度拍摄的真实物体的多副图像进而获取人体表面三维几何信息，并且可以将物体表面的立体信息和彩色信息一次性扫描和恢复到计算机中，通过将VTK嵌入到软件系统，生成人体表面的三维模型。

（3）光栅投影成像重建系统：其软件构成主要包括以下几个模块：预处理模块，匹配块，编码模块，纠错模块，解码模块，重建模块，显示模块。如图2所示。

（4）网格简化：本系统的空间数据压缩方法采用基于点云的数据精简方法。该方法直接对点云进行压缩，不需要记录网格点的关联信息，运算更简单，提高了三维人体建模的效率。算法不仅能够快速完成数据点云的精简，而且较好地保持了原有对象的特征。

2、自动雕刻系统设计

自动雕刻系统包括硬件和软件两大部分。

（1）硬件部分：包括总体布局的型式、有效雕刻区域、滚珠丝杠的结构型式和参数、直线导轨的结构型式和参数、主电机的结构型式和参数、步进电机的结构型式和参数、主运动和进给运动的传递方式和转速范围等。

（2）软件部分：包括基于ARM的嵌入式控制、动态显示和故障诊断等模块。自动雕刻体系控制模块的流程如图2所示。

3 结论

本产品集成了精密机械、光学、计算机视觉、数字图像处理、数字信号处理、计算机图形学、自动控制、传感测试和软件编程等技术，属于目前国内领先的雕刻设备。

1、采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测人体上，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出视区内像素点的三维坐标。

2、针对人像扫描的特点，扫描软件采用一种新的算法，开发了一套完整的扫描数据的后处理工艺，并开发了配套软件功能，如样品的变形、数据的调平、大数据模型的表面降噪等。

3、以先进的简指令微处理器ARM（Advanced RISC Machines）作为CPU，它在功耗、数据传送、数据处理速度以及DSP功能方面处于领先水平，以ARM7微处理器作为雕刻系统的控制核心，实现复杂的数字增量插补、速度前瞻预处理、自动升降速处理。

4、整机采用超强“钢”框架结构，铝铸造工艺，钢性更强，长时间使用不变形，运行平稳；采用线性直线导轨，导轨硬度高，刚性好；三轴均用原装进口滚珠丝杠，运行平稳，传动间隙小，确保雕刻机的高精度；智能保护工作台面，防止误操作或软件错误等可能造成的台面损坏，智能加工越界保护，防止设计版面超过加工幅面引起的机械碰撞现象。

参考文献

[1]张昱，刘志峰.经济型三维机械雕刻机的开发.机械制造与研究[J].2006（4）.

[2]王党利，祁立军，宁生科.基于MACH软件三维雕刻机控制系统设计与实现[J].应用天地2010（1）.

作者简介

孙华雨（1981-），女，河南扶沟人，硕士研究生。