基于三維掃描數(shù)據(jù)的產(chǎn)品數(shù)字建模

萬莉君 孫鳳宇

摘要：隨著網(wǎng)絡、計算機技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的銷售逐步從線下實體展示銷售發(fā)展為線上虛擬展示銷售，產(chǎn)品三維模型制作成為首要環(huán)節(jié)。本文闡述了如何應用三維掃描獲取的模型數(shù)據(jù)完成產(chǎn)品數(shù)字模型的制作流程及方法。

關(guān)鍵詞：虛擬展示;產(chǎn)品建模;Geomagic Studio

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0064-04

近年來電商和三維技術(shù)的發(fā)展，刺激著商品營銷模式的不斷變革創(chuàng)新。現(xiàn)今的大部分民用產(chǎn)品展示從傳統(tǒng)的賣場、商場實景展示，二維圖片展示逐步升級變更為在各類媒體平臺上進行虛擬三維展示，其真實全面的表達能讓消費者在充分了解產(chǎn)品特點的同時，更具代入性的感受實景效果。

盡管三維建模方法多樣，但是對于一些造型復雜的產(chǎn)品，應用人工建模耗費時間較長，成本較高，例如家具類產(chǎn)品中普通一件歐式雕花床頭柜，手工建模在2天左右，僅建模成本大致300-500元/件，產(chǎn)品展示成本大大增加。隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展和設備價格下落，促使了三維掃描模型數(shù)據(jù)和三維手工建模在項目中的應用結(jié)合，本文主要闡述了在實際項目如何應用三維掃描數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品模型制作。

1 傳統(tǒng)展示方式和虛擬展示的對比分析

傳統(tǒng)的產(chǎn)品展示以印刷二維圖片和賣場、商場實景展示為主，實景展示：商家需要租用場地，裝修布置，進行產(chǎn)品出樣。由于場地限制等原因，商家很難展示所有產(chǎn)品，以及產(chǎn)品的各個細節(jié)特征。圖片展示是最早在展銷訂貨會上應用的展示方式，其制作成本低，展示便捷，曾是七八十年代主要的營銷展示手段，但是產(chǎn)品角度比較單一，全面性不夠，也逐步被替代。虛擬展示：是綜合三維建模渲染技術(shù)，虛擬交互展示技術(shù)，多媒體平臺發(fā)布等技術(shù)的一種全新的產(chǎn)品展示形式，消費者可以基于媒體平臺，使用移動鼠標來控制選擇觀察的范圍，可以采用定點360度旋轉(zhuǎn)觀察，也可以隨意行進式觀察，在展示產(chǎn)品的同時，可以感受到解產(chǎn)品使用環(huán)境，聽到功能介紹等，為產(chǎn)品提供全方位體驗。具體對比如表1所示。

2 三維建模方式對比分析

目前三維建模方式主要有手工建模、三維掃描建模兩種，其中手工建模主要模型師依據(jù)圖紙、圖片等資料應用三維建模工具建立模型，適用于3D游戲、3D動畫、3D電影，缺點是生產(chǎn)周期長、成本高，難以適用于大規(guī)模商品三維建模[1];第二種是三維掃描建模是采用掃描設備，掃描實體產(chǎn)品獲取三維數(shù)據(jù)，生成的三維數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理后應用于項目，其優(yōu)點在于速度快，還原度高，但是模型面數(shù)較高，需后期處理。具體分析如表2。

3 基于三維掃描數(shù)據(jù)的產(chǎn)品數(shù)字模型制作流程及方法

三維建模技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品的設計，展示中應用已極為成熟，但是對于復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，手工建模效率低，成本高。因此此類產(chǎn)品三維模型數(shù)據(jù)主要通過前期三維掃描技術(shù)獲取。而后在杰魔（Geomagic Studio）、3dmax、Zbrush、Photoshop中進行修復，減面，加材質(zhì)燈光，最后輸出提交下一交互制作環(huán)節(jié)使用。每個工作環(huán)節(jié)使的工具和主要工作內(nèi)容如表3所示。

3.1 三維掃描、采集數(shù)據(jù)

使用杰魔公司掃描設備，首先在電腦中新建掃描數(shù)據(jù)存儲文件夾，設定掃描對象的具體屬性信息，例如被掃描對象的大小，光線強度，物體表面的復雜程度，所需時長等等。而后在產(chǎn)品的表面和轉(zhuǎn)折處均勻的粘貼數(shù)據(jù)采集點，采集點的分布要均勻，轉(zhuǎn)折處要比平面處分布的數(shù)據(jù)采集點更多。進行360度無死角掃描過程中速度要穩(wěn)定，不可時快時慢，要注意凹凸轉(zhuǎn)折結(jié)構(gòu)和雕花部分的掃描。掃描完成后，可以通過Geomagic Studio 軟件平臺，得到掃描后的基本屬性數(shù)據(jù)和樣品。Geomagic Studio軟件中打開預覽獲得的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，如圖1所示，對照預先輸入的產(chǎn)品基本屬性進行產(chǎn)品基本信息核對。在軟件中旋轉(zhuǎn)放大視圖，仔細觀察對比模型數(shù)據(jù)與產(chǎn)品照片及實體，找出需要后續(xù)軟件修復處理的部分。

3.2 掃描數(shù)據(jù)加工處理

（1）清理無用模型：三維數(shù)據(jù)掃描對所有感應點周邊的實物數(shù)據(jù)進行采集，因此導出的模型數(shù)據(jù)中會有多余面，第一階段主要在杰魔軟件中對此類無用的三維模型數(shù)據(jù)進行清理。首先要把主體模型拆分出來，把一些無用模型和主體模型之間的連接面選中刪除，而后利用“選擇”中的“有界組件”把與主體模型分離的無用模型一次性選中刪除，由此清理出主體模型。

（2）模型細節(jié)處理：掃描獲取模型數(shù)據(jù)十分真實，一方面實際中的瑕疵破損等細節(jié)會被捕獲，其次由于掃描采集過程中，實物中凹凸褶皺度較高的部分，數(shù)據(jù)采集會出遺漏，這些都需要在軟件中進一步修復處理。處理方法主要有兩種：其一，沙發(fā)模型表面一些孔洞和連接部分模型數(shù)據(jù)缺失，如圖2所示。對于此類情況可以利用計算機自動分析識別缺失部分前后銜接模型數(shù)據(jù)，自動進行填充，搭橋建模。在杰魔軟件中運用“填充單個孔—切線—內(nèi)部孔/邊界孔/搭橋”命令，點擊需求填充的地方即可填補該邊界孔。其二，對于產(chǎn)品中包含的重復結(jié)構(gòu)，可以通過選取一個相對最完整的模型數(shù)據(jù)，而后在zbrush中進行復制合成。重復部分的選擇可以通過遮罩選取。

（3）根據(jù)材質(zhì)拆分模型：大部分家具由多個材質(zhì)組合，為了后期在3DMax中方便為各部分賦材質(zhì)，前期需要在Geomagic Studio中將各個部分拆分出來。拆分模型主要使用“裁剪—用曲線裁剪”，沿著需拆分部分的外輪廓繪制，把需要拆分的部分以閉合線框選[2]，如圖3，最后輸出。一般保存可反復修改的工程文件*.wrp格式，而后存儲導入到下一步操作的*.obj格式。

3.3 模型減面處理

因為三維掃描得到的模型面數(shù)較多，在后期項目應用時會極大提高軟件的運算量，影響用戶體驗，所以需要對修補完的模型進行減面處理，在實際項目中根據(jù)產(chǎn)品體量大小及后續(xù)使用需求，會設定減面要求，例如在家具展示中一般項目要求一個成品家具模型面數(shù)不得超過100萬面。

減面工具主要使用三維插件PolygonCruncher。安裝插件后，可以在三維軟件的插件選項中查找此插件并打開。該插件會自動計算模型總面數(shù)。用戶可以通過對面數(shù)或定點數(shù)的控制來達到模型減面的效果。

3.4 模型合成、材質(zhì)設置、打包輸出

（1）模型合成：完成數(shù)據(jù)處理、修復、拆分、減面后的模型需要導入max中進行合成工作。由于大部分產(chǎn)品模型存在結(jié)構(gòu)對稱的情況，因此工作中會采用單邊制作的方式去建模，而后在max中主要進行鏡像復制合成。還有一部分是需要把三維掃描部分和手工部分進行合成拼裝。在制作上可大量節(jié)省時間，提高工作效率。如圖4為手工模型與掃描模型組合完成模型結(jié)構(gòu)圖。

（2）模型合成模型材質(zhì)設置：模型的材質(zhì)主要采用vray材質(zhì)完成，在項目中是采用預先調(diào)試好大部分常規(guī)材質(zhì)后調(diào)用，例如玻璃、不銹鋼、布料、塑料、大理石、金屬等，既加快項目制作速度，又保證同一項目同一材質(zhì)效果一致。

（3）文件打包輸出：模型完成以上處理后需打包提交下一步工作，打包文件主要包含以下四類：渲染小圖，白模文件、帶貼圖帶材質(zhì)模型文件、所有使用到的貼圖文件。最終模型從掃描數(shù)據(jù)到三維模型過程如圖5、圖6、圖7所示。

5G時代的到來、電商的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的線上展示，交互設計體驗等必定是產(chǎn)品銷售展示主要途徑[3]，而產(chǎn)品模型的建立是實現(xiàn)三維展示的基礎，本文提出的基于三維掃描數(shù)據(jù)的建模方法在實際工作達到了高效率，高還原度，應用效果好的目標，為大規(guī)模產(chǎn)品三維建模提供了一種更為有效的解決途徑。

參考文獻

[1] 魏巍，袁君.基于三維重建的3D打印產(chǎn)品定制化建模研究[J].工業(yè)設計，2020（2）：26-27.

[2] 李志彥.基于Geomagic Studio的點云數(shù)據(jù)處理與三維建模技術(shù)[J].科技資訊，2019，17（21）：13-14.

[3] 張飛.基于Unity 3D的家具虛擬設計——以新中式家具設計為例[D].長沙：中南林業(yè)科技大學，2018.