基于三維掃描的耀州瓷數(shù)字化建模

劉洋?劉子建

對樣本進(jìn)行三維掃描得到表面三維數(shù)據(jù)的過程需要通過三維測量設(shè)備獲取表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云的獲取方式分為破壞式測量和非破壞式測量兩種。本實(shí)驗(yàn)采用非破壞式測量，測量儀器是基于三角法測量原理的主動式結(jié)構(gòu)光編碼測量技術(shù)的柯尼美能達(dá)公司的VIVID910三維掃描儀。

實(shí)物掃描

對于不規(guī)則的形體如果來說不易得到準(zhǔn)確的紋理映射效果，故本實(shí)驗(yàn)采用未上釉燒制后的耀州瓷倒流壺和上釉后燒制后的同款耀州瓷倒流壺進(jìn)行測量，完成模型建立后將兩個模型進(jìn)行疊加并分別賦予不同的材質(zhì)（近似白坯的材質(zhì)和橄欖色玻璃質(zhì)材質(zhì)），模擬耀州瓷的真實(shí)效果。

首先需要進(jìn)行對焦，對焦有兩種方式，手動對焦和自動對焦。本實(shí)驗(yàn)采用先自動對焦后才通過手動對焦進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。對焦之后，將旋轉(zhuǎn)臺與電腦連接，本實(shí)驗(yàn)采用SHOT-602旋轉(zhuǎn)臺，設(shè)定旋轉(zhuǎn)角度為60°，共需要進(jìn)行6次掃描。每次單幅掃描的得到的全部數(shù)據(jù)為一個元素（Element），所有的元素構(gòu)成一個場景（Scene），最終得到6個元素，共58萬個點(diǎn)。

對上釉后的耀州瓷倒流壺同樣采用上述流程進(jìn)行測量，本文不再做贅述。

擬合

Geomagic Studio軟件是美國雨滴（Raindrop）公司出品的逆向工程和三維檢測軟件，它可根據(jù)物體掃描所得的點(diǎn)陣模型創(chuàng)建出良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，并將他們轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。該軟件主要特點(diǎn)是支持多種掃描儀的文件格式的讀取和轉(zhuǎn)換、海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。智能化NURBS構(gòu)面等等。它采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采樣精簡算法，克服了其他同類軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作時，軟件進(jìn)行圖形的拓?fù)溥\(yùn)算速度慢、顯示慢等弊端。相對于其他逆向軟件Geomagic更加易用、便捷、高效。

1.點(diǎn)云階段

掃面后由于六幅點(diǎn)云存在位置偏差，首先需要進(jìn)行對齊操作。點(diǎn)云的對齊方法有手動對齊和自動對齊兩種，本實(shí)驗(yàn)利用使用geomagic中的全局注冊命令對六個元素進(jìn)行自動對齊。由于倒流壺形態(tài)以曲面為主，統(tǒng)一采樣選擇“曲率優(yōu)先”。

2.多邊形階段

在Geomagic中執(zhí)行封裝命令，即可將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為多邊形，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角網(wǎng)格化。在掃描過程中，由于倒裝壺形態(tài)較為復(fù)雜，相互造成一定遮擋，使得掃描過程得不到完整數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行手動填充。

由于底部的地面沒有被掃描，底部邊緣呈現(xiàn)鋸齒形需要進(jìn)行處理保證模型的完整性，故采用一刀切的方式進(jìn)行剪裁，剪裁整齊后的邊緣再使用平面截面工具并選擇封口即可獲得底面。

3.形狀階段

多邊形階段處理完成后即進(jìn)入形狀階段，對模型進(jìn)行區(qū)域劃紋而后合成NURBS曲面。首先進(jìn)行輪廓線的提取，即根據(jù)耀州瓷壺表面的特點(diǎn)通過輪廓線劃分其表面區(qū)域，區(qū)域劃分完成后進(jìn)行構(gòu)建曲面片，初始構(gòu)建的去面片一般擬合曲面時會出現(xiàn)問題，需要對輪廓線以及去面片進(jìn)行編輯修改，對輪廓線的編輯一般是移動控制點(diǎn)的位置，或?qū)⑵渖A或降階，而對曲面片的編輯一般是將各個去面片內(nèi)部的網(wǎng)格劃得比較均勻。將構(gòu)建的網(wǎng)格進(jìn)行格柵化，將網(wǎng)格固定在格柵內(nèi)，更好地進(jìn)行曲面擬合。錯誤的格柵將以紅色顯示，可以對格柵進(jìn)行修改。最終對格柵化后的曲面進(jìn)行擬合。

對于進(jìn)行了上釉燒制的耀州瓷倒流壺數(shù)據(jù)采集后的擬合步驟同上，本文不再做詳述。

材質(zhì)的賦予及渲染

將兩個模型導(dǎo)入Keyshot渲染軟件中，調(diào)整好相對位置后分別賦予接近未上釉的效果材質(zhì)和橄欖色半透明玻璃材質(zhì)，最終獲得的效果如圖：

結(jié)語

結(jié)合耀州瓷的特點(diǎn)提出了將其分為未上釉燒制后和上釉燒制后兩個階段的模型進(jìn)行逆向，采用VIVID910三維掃描儀獲得其點(diǎn)云數(shù)據(jù)并在geomagic環(huán)境中進(jìn)行了擬合，并通過賦予不同的材質(zhì)進(jìn)行疊加，模擬出真實(shí)的耀州瓷材質(zhì)分層，獲得更好的還原效果。

（作者單位：陜西科技大學(xué)）