3D打印数字人像快速成型技术的研究与实现

董 文

（武汉城市职业学院，湖北 武汉 430070）

自动获取人像三维数据并能高精度重建是三维人脸识别的研究热点，在信息保密、安全认证、刑侦系统等领域都有较高的应用前景，3D打印在国内外从出现到逐步走向成熟,已经在各个行业获得越来越广泛的应用，三维造型设计快速成型加工等具有较高的应用价值和市场前景。

一、3D打印技术的扼要介绍

3D打印这一概念是在19世纪末的美国被提出来，随着对其研究的不断深入，在20世纪80年代中期被恩里科·迪尼发明，在后期能够实现三维打印的打印机被成功地研制出来，并开始投入市场。3D打印机其实就是一种累积制造技术，在打印过程中可以在信息设备中预设好三维立体模型，然后就能够成功地打印出来，3D打印机的具体使用内容有两项，第一需要在想要成型的位置铺设专用的胶水；第二，匀称的铺设粉末，当粉末碰到胶水之后，就会快速凝结，但是在没有胶水的位置粉末还是维持着疏松的样子，反复进行这些步骤至预设好的三维立体模型被成功打印出来。因为这个反复重复加工的步骤非常类似于喷墨打印机，所以这种技术就被叫作“打印机”。

二、3D打印技术的发展前景

3D打印技术已经朝向多样化和创新性发展，不仅在传统的行业中发挥着巨大的作用，甚至在人们生活的方方面面中也在发挥着其作用，在我国，人民大众都在热切地关注3D打印技术，并且对其的研究也在不断深入，对此我们可以从三分内容来具体分析其发展前景。3D打印技术主要朝着下面三个方向发展：

（一）3D打印技术的速度和效能会得到明显的提高

目前在国内和国际都在不断深入对其进行研究，使用各种材料和工艺技术希望能够提高其打印的速度和效能，所以在未来3D打印技术非常有可能会提高其速度和效能。

（二）3D打印技术使用的材料将会更多元

3D打印技术的发展，以及材料的革新，各种新型材料的不断出现，例如纳米材料、稀土永磁材料、无机功能材料以及高性能纤维等都有可能会作为3D打印技术的材料。

（三）3D打印技术会面向人民大众

以前由于3D打印机价格昂贵，使得许多群众望而却步，但是随着3D打印技术的研究深入，有些不太大的3D打印机制造厂家也逐渐开始在市场中投入低于一万美元的3D打印机。自从3D打印技术被发明出来，从最开始在航天工业、机械制造业、医疗和建筑工程中用于模型制造，现在正在逐渐完善，应用的行业和范围也越来越多，例如高新技术产业、生物领域。根据专家预测，3D打印技术经过不断发展，以后人类的日常生活用品，例如牙刷等都有可能来自于3D打印机[1]。

三、3D打印技术的核心技术探究

下文主要探究的3D打印技术的核心技术，怎样实现从二维至三维的精确转变和重构精确的三维曲面。其中快速成型是一种最新的高科技制造技术，利用分层反复成型的方式来进行加工成型，通过这项技术不管多么复杂的三维事物都能够被构建出来[2]。

（一）收集人像资料

现在收集3D图像大多数都是通过三维扫描仪，一般使用的光学扫描措施包括光栅扫描法和激光扫描法。文中探究手机的人像三视图为单反拍摄，将会使用其作为之后处理的原始资料，再放入相关的软件来构建三维曲面并处理。通过数据计算能够得到人像上各个区域的像素点曲率值，然后再以其曲率值的大小来划分网格，曲率变化大的部分使用小网格，能够有效地预防资料遗失，曲率变化稳定的部分使用大网格，能够缩减曲面构成和重建的预算数据。

（二）导入人像资料

将收集的人像资料导入MAYA软件中，通过专业的工具和特定的功能来明确人像界限。这个软件是使用相对广泛的非常有名的三维建模和动画设计制作软件，在动画设计、三维样式、模型组建等方面应用规模较大，并且其强大的功能能够有效地开展数字和三维构建。

（三）区分人像网格

可以通过划分网格曲率来进行，随便选取三个邻近的像素点作为中心，然后拟定其坐标，通过MAYA软件能够得知各个点的详细坐标，再以这三个点为基础来明确一个圆，通过这三个点能够求出圆心坐标。收集三维资料的最终的最重要的目的就是构建人像三维模型，构建人像三维模型，第一就是要将人像进行曲面拟合，利用网格来划分人像，然后再以划分结果开展曲面拟合。

（四）通过MAYA软件来重构人像三维曲面和三维模型

先在x-y平面中选取图-图像作为平面，然后放入人像前视图，并以此为参照来开展绘图。构建一个多边形的基础模型，再通过调整来得到和图形类似的大小。再通过多边形切分功能来绘制头部和眼睛的相关细节，使模型层次更明显，得到的模型结构以及较为完整，初步实现了网格的精确划分。人像的头部模型也基本完成。再调整网格，使其更加精确，完善MAYA软件制造的模型。

（五）通过相关的软件完成人像曲面构建和三维构造

通过软件的笔刷功能，来构建人像的鼻子和嘴巴，将人像的特征更加精确化，并且对棱角突出的地方可以进行平滑处理。

四、3D打印数字人像快速成型技术

3D打印数字人像快速成型技术的硬件部分由主机和电控系统构成，主机包括系统外层、主框架、电控系统、XY扫描系统等。下面探究用的3D打印机使用的3D打印数字人像快速成型技术为熔融挤压快速成型技术。

（1）3D打印数字人像快速成型技术工作步骤。3D打印数字人像快速成型技术工作步骤见图1。

（2）3D打印三维人像。通过MAYA软件得到的面片图形还不是三维实体模型，不能够交由3D打印数字人像快速成型系统进行成型，必须要对其进行有效处理，变为三维实体模型，才能够进三维打印。将MAYA软件得到的曲面模型及三维数字人像放入专业软件进行相关处理完成数控加工，利用其有效功能导出相关数据。通过曲面经雕刻和设置走刀方法等有关功能，提高加工精确值。得到的打印路径也就是刀路图构建成了3D模型，刀路图就是根据打印喷头的路线，最终刀路图构成了一个三维人像，通过模仿实践中3D打印成型的步骤。所以，刀路就是三维人像，在实践中，这是3D打印的其中一个方法。再将做好的三维实体模型放入成型机加工软件里，这个软件的名称叫Magics，是由马瑞斯三维打印技术有限公司所研发的用于3D打印的一个软件，通过这个软件能够更便利地设置打印数据，除此之外其还能够和其他3D打印设备实现完美对接进行打印服务，最后得到良好的打印效果[3]。

五、总结

文章分析了三维打印数字人像快速成型的技术，其可以完成人像资料的收集、数据的首要处理、曲面构造、三维模型构成及三维打印，并且分析了采用了具有创新能力和创新技术的措施来进行三维模型构造和网格划分的内容，这些技术可以给予三维人像快速成型理论知识和实践经验，不仅可操作性强，而且在构建三维人像模型、设计三维模型、人像快速成型加工等各个内容中还具有非常良好的应用作用和市场展望价值。

图1 3D 打印数字人像快速成型技术工作步骤