浙大發(fā)明精準(zhǔn)著色術(shù) 破解3D打印難題(圖)

本帖最后由太極熊于 2015-6-19 09:31 編輯

6月18日，浙江大學(xué)周昆教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出計(jì)算機(jī)“水轉(zhuǎn)印”技術(shù)，解決了為三維物體精準(zhǔn)上色的難題，可“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”瞄準(zhǔn)三維物體實(shí)現(xiàn)精確上色。這種著色技術(shù)可以解決3D彩色打印設(shè)備成本高、速度慢、精度低等缺點(diǎn)。圖為浙江大學(xué)周昆教授團(tuán)隊(duì)的博士生張譯中在展示精準(zhǔn)著色前和著色后的三維頭像模型。

3D打印可以復(fù)制一個(gè)任意比例的、單色維度的“你”，而一項(xiàng)新技術(shù)則提高了“你”的“色彩分辨率”，甚至連發(fā)梢的燙染色也能區(qū)分。今天，記者從浙江大學(xué)CAD&CG（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)）國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲悉，在一項(xiàng)與美國(guó)哥倫比亞大學(xué)合作的課題中，浙江大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)者周昆教授主持的課題組對(duì)傳統(tǒng)水轉(zhuǎn)印技術(shù)進(jìn)行了革新，用計(jì)算的手段對(duì)這項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了“升級(jí)換代”，提出了全新的計(jì)算水轉(zhuǎn)印技術(shù)，在國(guó)際上首次解決了為三維物體進(jìn)行精確上色的難題。

3D打印被視為引領(lǐng)工業(yè)4.0的新技術(shù)，近年來(lái)雖有較大進(jìn)展，但要打印生產(chǎn)出具有復(fù)雜圖案、有個(gè)性化特征的全彩色三維物體仍然相當(dāng)困難。盡管目前一些工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)能夠支持彩色打印，但設(shè)備價(jià)格非常昂貴，打印成本高，速度慢，且只限于塑料和石膏等極少的材料�！拔覀兿Ｍ芡ㄟ^(guò)計(jì)算的手段，去解決三維打印生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的瓶頸問(wèn)題。讓原來(lái)很困難的事情變得簡(jiǎn)單�！敝芾ソ淌谡f(shuō)。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是一種新型印刷術(shù)—點(diǎn)對(duì)點(diǎn)“瞄準(zhǔn)”三維物體精確上色。據(jù)了解，當(dāng)前在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的曲面上色方式為水轉(zhuǎn)印技術(shù)，但只能用于對(duì)精確性沒有要求的上色任務(wù)，比如迷彩、大理石等紋理。課題組通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，讓水轉(zhuǎn)印能夠“瞄準(zhǔn)”，為三維物體穿上任意設(shè)計(jì)的彩色“外衣”。同時(shí)，這項(xiàng)計(jì)算水轉(zhuǎn)印技術(shù)的適用材料范圍極廣：金屬、塑料、木頭、陶瓷、橡膠可以“通吃”。

怎么實(shí)現(xiàn)？一個(gè)核心的科學(xué)問(wèn)題是，需要計(jì)算機(jī)將三維設(shè)計(jì)“降維”成一個(gè)二維的“展開圖”。課題組在國(guó)際上第一次對(duì)水轉(zhuǎn)印過(guò)程中水轉(zhuǎn)印薄膜的形變進(jìn)行了物理建模，這個(gè)物理模型可以精確模擬計(jì)算水轉(zhuǎn)印膜的形變，從而得到三維設(shè)計(jì)圖與膜上的每一個(gè)點(diǎn)的映射關(guān)系。在這一理論基礎(chǔ)上，課題組開發(fā)出一套用于實(shí)際著色的自動(dòng)原理樣機(jī)。

課題組成員，博士研究生張譯中向我們演示了整個(gè)過(guò)程：設(shè)計(jì)師在電腦上完成一張人臉的3D紋樣設(shè)計(jì)后，課題組開發(fā)的軟件通過(guò)快速計(jì)算生成一個(gè)二維“展開圖”。之后，普通噴墨打印機(jī)就打印出一張印有“展開圖”的水轉(zhuǎn)印薄膜，這種水轉(zhuǎn)印薄膜的造價(jià)低，也很常見。將薄膜放在靜止的水面上，將需要上色的人臉模型緩緩浸入水中，神奇的現(xiàn)象發(fā)生了：薄膜靈巧地逐漸包裹住了人臉模型，沒有一處發(fā)生皺裂。顏料完美附著，每一個(gè)圖案細(xì)節(jié)都和設(shè)計(jì)圖一一對(duì)應(yīng)，絲毫不差，就像是一次完美精確的自動(dòng)“貼膜”。整個(gè)過(guò)程用時(shí)不超過(guò)10分鐘。對(duì)于更為復(fù)雜的物體，課題組還設(shè)計(jì)了巧妙的多次上色方法來(lái)保證物體表面的每一處都被著色，同時(shí)不會(huì)發(fā)生疊色現(xiàn)象。

據(jù)了解，這項(xiàng)研究成果的相關(guān)論文已被國(guó)際計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界的頂級(jí)會(huì)議ACM SIGGRAPH錄用，8月初課題組將赴美國(guó)洛杉磯作大會(huì)論文報(bào)告。該會(huì)議每年只錄用100余篇來(lái)自世界各國(guó)的論文，這些論文代表了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和交互技術(shù)的最前沿和最高水平成果。今年，浙江大學(xué)有4篇論文被該會(huì)議錄用。

相關(guān)視頻在Youtube上線后，立刻引起美國(guó)《連線》雜志、《每日科學(xué)》等國(guó)際權(quán)威專業(yè)媒體的報(bào)道，僅一個(gè)月點(diǎn)擊量已超過(guò)50萬(wàn)次。三維打印機(jī)廠商、摩托車制造商、體育用品制造商等在內(nèi)的多家國(guó)際知名企業(yè)上門尋求合作，他們認(rèn)為通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出個(gè)性化的、可定制的產(chǎn)品有望贏得更大市場(chǎng)。據(jù)了解，目前這項(xiàng)新技術(shù)已被南京一家陶瓷定制企業(yè)獲得授權(quán)，將小范圍應(yīng)用于定制陶器產(chǎn)品中。

“這將是信息化和工業(yè)化深度融合，實(shí)現(xiàn)智能制造的一個(gè)范例�！� 周昆認(rèn)為，這項(xiàng)發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是解決3D打印中“黯然失色”的難題，但實(shí)際上它的應(yīng)用范圍超越了3D打印的范疇，可以面向任意三維物體�！皬母顚哟握f(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的本質(zhì)，是如何將三維數(shù)字化模型表面上的一個(gè)點(diǎn)，精確對(duì)應(yīng)到其物理模型表面上的點(diǎn)�！敝芾フJ(rèn)為，有了這種從虛擬世界到物理世界的對(duì)應(yīng)關(guān)系，未來(lái)的技術(shù)開發(fā)將有更大的想象空間。