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行业资讯

为三维物体披上五彩“外衣”——浙大课题组攻克3D打印新技术引国际关注

发布时间: 2015-06-23 作者: 浙江大学校友总会

  

      最近,一段酷炫视频在美国YouTube网站火了:一个刚刚3D打印成型的白色猎豹模型,缓缓浸入漂着彩色薄膜的水池,当它再次浮出水面,身上便“长”出逼真的皮毛、眼睛、耳朵、尾巴,处处栩栩如生。这段视频诞生于浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室。5月中旬,它被放到YouTube视频网站,至今点击已经超过50万次。众多“围观”的科技媒体称赞,这是一项“疯狂的”、“不可思议”的发明。

    简单的说,这是一种新型印刷术——点对点“瞄准”三维物体精确上色。主持该项研究的浙江大学长江学者周昆教授说,3D打印技术近年来有了很大的进展,但要打印生产出具有复杂图案的全彩色三维物体仍然相当困难。这使得本来面向个性化定制的3D打印,在花纹、颜色实现方面始终“个性”不起来,十分单调。这一直是工业界,也是科学界的一个难题。

    尽管目前一些工业级3D打印机能够支持彩色打印,但设备价格非常昂贵,打印成本高,打印速度很慢,而且只限于塑料和石膏等极少的材料。“我们希望能通过计算的手段,去解决三维打印生产环节中的瓶颈问题。让原来很困难的事情,变得简单。”

计算机中的设计原型(小)与上色后的真实三维模型(大)

 三维完美“贴膜”

    在一项和美国哥伦比亚大学合作的课题中,周昆教授主持的团队对传统水转印技术进行了革新,用计算的手段对这项传统技术进行了“升级换代”,提出了全新的计算水转印刷技术,解决了为三维物体进行精确上色的难题。“水转印是当前在工业上被广泛应用的曲面上色技术,但只能用于对精确性没有要求的上色任务,比如迷彩、大理石等纹理。我们通过计算机图形学和计算机视觉技术,让水转印能够‘瞄准’,为三维物体穿上任意设计的彩色‘外衣’。”周昆说。

    怎么实现?一个核心的科学问题是,需要计算机将三维设计稿“降维”成一个二维的“展开图”。课题组在国际上第一次对水转印过程中水转印薄膜的形变进行了物理建模,这个物理模型可以精确模拟计算水转印膜的形变,从而得到三维设计图与膜上的每一个点的映射关系。在这一理论基础上,课题开发出一套用于实际着色的自动原理样机。

  

  

计算机水转印过程图

  

      课题组成员、博士研究生张译中对打印全程做了演示。设计师在电脑上完成一张人脸的3D纹样设计后,课题组开发的软件会快速计算生成一个二维“展开图”。之后,普通喷墨打印机就打印出一张印有“展开图”的水转印薄膜,这种水转印薄膜的造价低,也很常见。将薄膜放在静止的水面上,将需要上色的人脸模型缓缓浸入水中,神奇的现象发生了:薄膜灵巧地逐渐包裹住了人脸模型,没有一处发生皱裂。颜料完美附着,每一个图案细节都和设计图一一对应,丝毫不差。“通俗的说,这像是一种完美精确的自动‘贴膜’。”周昆说。对于更为复杂的物体,课题组还设计了巧妙的多次上色方法来保证物体表面上每一处都被着色,同时不会发生叠色现象。

“形”与“色”,缺一不可

    据了解,这项研究成果的相关论文已被国际计算机图形学界的顶级会议ACM SIGGRAPH录用,8月初课题组将赴美国洛杉矶做大会论文报告。该会议每年只录用100余篇来自世界各国的论文,这些论文代表了计算机图形学和交互技术的最前沿和最高水平成果。2015年,浙江大学一共有四篇论文被该会议录用。

    相关视频在Youtube上线后,立刻激起了众多科技媒体和科学记者的兴趣。美国《连线》杂志以《Crazy Way to Add Intricate Color to 3-D Printed Creations》为题、美国《每日科学》以《New computational technique advances color 3D printing process》为题进行了报道。

   “这个发明很赞!”长期从事3D打印装备研发的浙大机械与工程学院贺永副教得知这一进展后说,“实现三维结构表面的复杂颜色与纹理是绝大部分3D打印工艺的痛点,周昆老师的发明正好可用在这方面。”他认为,3D“造物”,必须 “形”与“色”的问题都能解决,“光有‘形’,物体的表现力是不够的,有了颜色,有了纹理,它的表现力才会增强。而周昆这项发明的重大价值,就是在于解决了三维结构上图像的精准对应。这也正好是从事图形图像研究的科学家所擅长的。”

    许多知名制造企业也纷纷“闻风而动”。包括三维打印机厂商、摩托车制造商、体育用品制造商等在内的多家国际知名企业,都陆续找到周昆课题组。周昆的理解是,个性化制造是工业4.0的核心要素之一,这些企业希望能开发出个性化的、可定制的产品从而赢得更大市场,这项发明正好能实现他们的期望。周昆说,“这将是信息化和工业化深度融合,实现智能制造的一个范例。”

多种材质,任意曲面

    斑马、豹子、人脸面具、茶杯、汽车、地球仪……在计算机辅助设计与图形学国家重点实验室,记者看到了许多经计算水转印技术上色的3D模型。它们有的是木制的,有的则是陶瓷的,有的是塑料的。据了解,这项计算水转印技术的适用材料范围极广:金属、塑料、木头、陶瓷、橡胶“通吃”。

而且,虽说这项发明的出发点是解决3D打印的“黯然失色”的难题 ,但实际上它的应用范围其实超越了3D打印的范畴,可以面向任意三维物体,即使这些物体不是3D打印制造出来的。“从更深层次说,这项技术的本质,是如何将三维数字化模型表面上的一个点,精确对应到其物理模型表面上的点。”周昆认为,有了这种从虚拟世界到物理世界的对应关系,未来的技术开发将有更大的想象空间。“着色,也许只是其中的一项应用。”

(来源:浙江大学新闻办)

  

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