基于Kinect体感设备与D打印技术的D照相馆构建

【摘 要】对3D照相馆的工作流程、常用的三维扫描设备及3D打印设备进行调研，对扫描替代设备的工作原理和工作流程做了分析，提出以Kinect体感设备与Scanect扫描软件结合构建3D照相馆，并对实际操作流程进行了验证。

【关键词】3D照相馆；三维扫描；体感设备；3D打印

Construction of 3D Photo Studio Based on Kinect Somatosensory Device and 3D Printing Technology

FENG Zhi-wen CAI Yin-yin WU Hai-jiang CHEN Liang

（Electrical and Mechanical Engineering College， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou221000， China）

【Abstract】Analyse 3D photo studio work process and commonly used three-dimensional scanning and 3D printing equipment， analyzes the working principle and process of the alternative equipment of scanning equipment，propose 3d photo studio work process based on kinect somatosensory device and scanect software，and test and verify this concept.

【Key words】3D photo studio；Three-dimensional scanning；Somatosensory device；3D print

S着三维扫描和3D打印技术的发展，全球第一家3D照相馆于2012年下半年在日本原宿开设，2013年起以3D记梦馆、品啦造像馆等为代表的3D照相馆在我国西安、北京、上海、广州等大城市开始涌现。3D照相馆常用的获取人体三维数据的方法有手持式3D扫描仪、照片阵列或“固定式”扫描设备。[1]手持式3D扫描仪由于具有体积小便携、能够实时扫描与拼接、数据处理较快、无需固定安装位置和空间、扫描区域较大等优点最为常用。3D打印设备以石膏粉为材料的粉末层喷头3D打印为主，主要有Zcorporation公司的Z系列以及3DSYSTEMS公司的personal系列与professional系列；或者以普及型的ABS、PLA等为材料的FDM打印技术，但需要后期对打印模型抛光上色，较为繁琐。目前困扰3D照相馆发展的一个问题是扫描与打印设备成本太高，导致最终模型售价高，市场接受度低。针对这一问题，在对三维扫描与打印设备全面调研后，提出以Kinect体感设备与Scanect扫描软件配合完成人体三维扫描，以Meshlab软件修补三维数据，再结合目前普及的桌面型3D打印技术完成3D照相馆的构建。

1 3D照相馆工作流程与常用三维扫描、3D打印设备

1.1 3D照相馆工作流程

3D照相馆是指运用专业的3D扫描设备扫描人脸部和身体的三维信息，在经由3D打印机打印出一个逼真的立体人物塑像。3D照相馆的操作流程是扫描-数据处理-模型打印―后期处理―成品。

1.2 3D照相馆常用三维扫描设备

三维扫描仪产生于上个世纪七八十年代，分为接触式和非接触式。3D照相馆所用的三维扫描仪均为非接触式，主要有手持式3D扫描仪、相机阵列、“固定式”三维扫描。[1]

目前常见的手持式3D扫描仪有Artec Eva（美国）、 Creaform（加拿大）、Einscan-Pro（中国杭州）、OKIO-FreeScan X3（中国北京）等。相机阵列是通过安装在影棚上的多台（30～60）相机同时拍照，360度拍下被摄者同一瞬间的不同照片，然后通过专用软件形成3D数据文件。“固定式”人体三维扫描仪设备较大，需要一定的扫描空间，扫描时间快，仅需几秒就能完成。目前常用的此类扫描设备包括Cyberware（美国）、易尚3D+（深圳）、OKIO-BodyScan（中国北京）。

1.3 3D照相馆常用3D打印设备

3D打印技术发展到现在，价格从2000元至上百万元的打印机都有，打印尺寸越来越大，打印的材料越来越丰富，成型技术手段也在不断增强，可以说3D打印技术已经普及。

3D照相馆的成品要求是彩色的，能够完美再现人物的表情、服饰。所以一般采用以石膏粉为材料的粉末层喷头3D打印。也有采用热塑性塑料材质打印基本型，后期再上色；或者直接用多喷头的热塑性塑料材质进行打印（五喷头热塑性塑料打印机价格已经上50万），但是热塑性材料不能进行色彩融合，也就是说要对模型进行分解，颜色只能通过固定的颜色进行组合。

粉末层喷头3D打印工作原理：使用UV固化技术，石膏粉末铺设后由一彩色喷墨打印机喷出UV墨水，辅以紫外光照射，将石膏粘结起来，不同色彩的UV墨水构成了彩色打印（见图1）。[2]目前市场上的石膏粉打印机主要有Z corporation 公司的Z250、Z350、Z450、Z650系列以及3DSYSTEMS 公司的personal系列与professional系列，知名的如project660等。目前，Z corp公司已经被3DSYSTEMS 公司收购。

FDM是“Fused Deposition Modeling”的简写形式，即为熔融沉积成型。熔融沉积成型的原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.1mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。[2]

2 体感设备与三维扫描软件分析

2.1 体感设备分析

体感设备自2010年随Xbox 360游戏机上市，是连接到游戏主机上的机器，它可以通过感应器，接收玩家的动作或语音信息，从而可以完成游戏的转换。体感设备突破了传统意义上的游戏模式，让玩家可以丢掉手中的游戏控制手柄，即不通过直接接触的方式来进行交互。目前的体感设备有微软的Kinect、华硕的xtion、任天堂Wii 等。

体感设备借助红外线发射器发出一道“激光”覆盖整个Kinect的可视范围，摄像头组接收反射光线来识别物体。[3]红外摄像头识别图像的是一个“深度场”（Depth Field），其中每一像素的颜色代表了那一点物体到摄像头的距离。比如离摄像头近的身体呈亮红色、绿色等，而离摄像头远的物体则呈暗灰色，见图2。

2.2 三维扫描软件分析

常用的配合Kinect和 Xtion体感设备完成三维扫描的软件有：Skanect、Reconstruct Me、Artec Studio 9.2等。

Reconstruct Me是基于32位系统的，但是在64位操作系统下仍旧使用32位的kinect驱动以及ReconstructMe。用户可在扫描对象周围移动Kinect，这时ReconstructMe会自动将该物体从背景中分离出来。所生成的模型可导出为OBJ或STL格式。

Artec Studio原本是配合Artec Eva三维扫描仪使用的软件。可以M行后期处理，填补漏洞、清理数据、进行测量、导出数据。

Skanect所有权归ManCTL公司所有。功能同样强大，配合体感设备完成三维扫描后可以进行后期处理，如修复、填孔等。Skanect扫描和修复功能已经比较强大，只有扫描时有足够的耐心，基本能够满足打印模型的要求。

如果想要更加精确的修复，还需要运用另外的修复软件来实现。一个是意大利的开源免费英文软件Meshlab，一个是运用比较多的收费的且有简体中文界面的Geomagic。相比之下，Meshlab比Geomagic更加快速，且功能强大。

3 基于Kinect体感设备与Scanect扫描软件的3D照相馆构建

3.1 3D照相馆构建

基于Kinect体感设备与Scanect扫描软件的3D照相馆流程：扫描―数据处理―模型打印―后期处理―成品，见图3。

3.2 3D照相馆具体流程操作

扫描时，Scannect软件需要一些设置，如在图4（a）中红框部分关于扫描尺寸的设置，构建人体半身像的尺寸设置为：1m×1m×1m（图4b中的紫色立方体所示）。扫描时，扫描对象静坐不动，工作人员手持Kinect体感设备，距扫描对象距离为50-80cm的范围内展开扫描，围绕上、中、下三个层面进行扫描，见图4（b），针对一些细小的地方如发丝、衣服褶皱等可多次对准扫描，软件会自动记录、拼合，最终在Scanect扫描软件中的结果见图4（c）。

一般扫描完成后，都会存在破洞，如图5（a）所示。使用Scannect软件的修复功能，在Process菜单下，提供了网格修复、几何修复、颜色修复三种修复功能，如图5（a）所示。如果修复效果不满意，可在Meshlab软件中打开模型，使用Fill Hole（填孔）命令，修复模型有破洞的网面，如图5（b）蓝色部分所示。

修复完模型后，存储成Stl格式，可导入到其它三维软件如Rhino调整打印尺寸，最终导入桌面型3D打印机使用ABS耗材进行打印，见图6（a）。

图6 模型打印与丙酮熏蒸法打磨纹理

FDM打印成型的模型由于分层及支撑材料的存在，打印的模型会有一圈一圈的褶皱或分层痕迹，这就需要打磨处理。可以采用丙酮抛光法处理模型：利用ABS溶于丙酮的特性，加热液态丙酮成丙酮蒸汽熏蒸3D模型。[4]具体做法是：玻璃瓶盛液态丙酮，ABS模型倒挂在玻璃瓶上，放置于电磁炉上的容器内，容器内放水，见图6（b）。因为丙酮的沸点大约在56摄氏度，因此使用电磁炉把水加热到70摄氏度左右停止加热，玻璃瓶中的液态丙酮受热变为丙酮蒸汽，熏蒸5-7分钟即可，熏蒸前见图6（a），熏蒸后见图6（c）。

熏蒸完后喷补土，补土类似于汽车补漆的腻子，上补土是为了让颜料能够更好的附着在模型上，颜色会比较艳丽。同时，补土会让3D打印的“台阶纹”不那么明显。可用喷灌水补土（1000号），把模型放在小盒子里，喷灌离模型约30cm进行喷涂。喷涂的过程中要采取多次薄喷的处理方式，每次不要喷的太厚，等喷到模型表面出现液体凝集即可停止，等10-15分钟待补土干燥再换面喷涂，直到整个模型都补完土，喷完补土后的模型见图7（a）。模型补土完成后，就可以用丙烯颜料上色，[5]见图7（b）、（c）。

4 总结

基于Kinect体感设备的深度摄像头以及Scanect扫描软件的强大功能，基本可以完成三维人体的扫描过程，借助现有低成本的FDM打印成型技术，可以完成3D照相馆从扫描到打印的低成本构建。进一步的研究可从如何提高扫描精度上着手，或者使用其它更为简单的技术完成三维扫描过程。

【参考文献】

[1]张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.26-28.

[2]杨振贤，张磊，樊彬.3D打印：从全面了解到亲手制作[M].北京：化学工业出版社，2015.52-58.

[3]博伦斯坦.格物智知：3D图形与人机交互技术应用[M].北京：人民邮电出版社，2013.2-4.

[4]贺松林，姜勇，张泉.产品设计材料与工艺[M].北京：电子工业出版社，2014.86-88.

[5]抱熊氏.粘土手办基础教程[M].北京：人民邮电出版社，2015.2-64.