浙大發(fā)明精準著色術 破解3D打印難題(圖)

6月18日，浙江大學周昆教授團隊研發(fā)出計算機“水轉(zhuǎn)印”技術，解決了為三維物體精準上色的難題，可“點對點”瞄準三維物體實現(xiàn)精確上色。這種著色技術可以解決3D彩色打印設備成本高、速度慢、精度低等缺點。圖為浙江大學周昆教授團隊的博士生張譯中在展示精準著色前和著色后的三維頭像模型。

3D打印可以復制一個任意比例的、單色維度的“你”，而一項新技術則提高了“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CAD&CG（計算機輔助設計與圖形學）國家重點實驗室獲悉，在一項與美國哥倫比亞大學合作的課題中，浙江大學長江學者周昆教授主持的課題組對傳統(tǒng)水轉(zhuǎn)印技術進行了革新，用計算的手段對這項傳統(tǒng)技術進行了“升級換代”，提出了全新的計算水轉(zhuǎn)印技術，在國際上首次解決了為三維物體進行精確上色的難題。

3D打印被視為引領工業(yè)4.0的新技術，近年來雖有較大進展，但要打印生產(chǎn)出具有復雜圖案、有個性化特征的全彩色三維物體仍然相當困難。盡管目前一些工業(yè)級3D打印機能夠支持彩色打印，但設備價格非常昂貴，打印成本高，速度慢，且只限于塑料和石膏等極少的材料。“我們希望能通過計算的手段，去解決三維打印生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的瓶頸問題。讓原來很困難的事情變得簡單�！敝芾ソ淌谡f。

簡單地說，這是一種新型印刷術—點對點“瞄準”三維物體精確上色。據(jù)了解，當前在工業(yè)上被廣泛應用的曲面上色方式為水轉(zhuǎn)印技術，但只能用于對精確性沒有要求的上色任務，比如迷彩、大理石等紋理。課題組通過計算機圖形學和計算機視覺技術，讓水轉(zhuǎn)印能夠“瞄準”，為三維物體穿上任意設計的彩色“外衣”。同時，這項計算水轉(zhuǎn)印技術的適用材料范圍極廣：金屬、塑料、木頭、陶瓷、橡膠可以“通吃”。

怎么實現(xiàn)？一個核心的科學問題是，需要計算機將三維設計“降維”成一個二維的“展開圖”。課題組在國際上第一次對水轉(zhuǎn)印過程中水轉(zhuǎn)印薄膜的形變進行了物理建模，這個物理模型可以精確模擬計算水轉(zhuǎn)印膜的形變，從而得到三維設計圖與膜上的每一個點的映射關系。在這一理論基礎上，課題組開發(fā)出一套用于實際著色的自動原理樣機。

課題組成員，博士研究生張譯中向我們演示了整個過程：設計師在電腦上完成一張人臉的3D紋樣設計后，課題組開發(fā)的軟件通過快速計算生成一個二維“展開圖”。之后，普通噴墨打印機就打印出一張印有“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，每一個圖案細節(jié)都和設計圖一一對應，絲毫不差，就像是一次完美精確的自動“貼膜”。整個過程用時不超過10分鐘。對于更為復雜的物體，課題組還設計了巧妙的多次上色方法來保證物體表面的每一處都被著色，同時不會發(fā)生疊色現(xiàn)象。

據(jù)了解，這項研究成果的相關論文已被國際計算機圖形學界的頂級會議ACM SIGGRAPH錄用，8月初課題組將赴美國洛杉磯作大會論文報告。該會議每年只錄用100余篇來自世界各國的論文，這些論文代表了計算機圖形學和交互技術的最前沿和最高水平成果。今年，浙江大學有4篇論文被該會議錄用。


相關視頻在Youtube上線后，立刻引起美國《連線》雜志、《每日科學》等國際權威專業(yè)媒體的報道，僅一個月點擊量已超過50萬次。三維打印機廠商、摩托車制造商、體育用品制造商等在內(nèi)的多家國際知名企業(yè)上門尋求合作，他們認為通過這項技術開發(fā)出個性化的、可定制的產(chǎn)品有望贏得更大市場。據(jù)了解，目前這項新技術已被南京一家陶瓷定制企業(yè)獲得授權，將小范圍應用于定制陶器產(chǎn)品中。

“這將是信息化和工業(yè)化深度融合，實現(xiàn)智能制造的一個范例。” 周昆認為，這項發(fā)明的出發(fā)點是解決3D打印中“黯然失色”的難題 ，但實際上它的應用范圍超越了3D打印的范疇，可以面向任意三維物體�！皬母�深層次說，這項技術的本質(zhì)，是如何將三維數(shù)字化模型表面上的一個點，精確對應到其物理模型表面上的點�！敝芾フJ為，有了這種從虛擬世界到物理世界的對應關系，未來的技術開發(fā)將有更大的想象空間。

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