給三維物體穿“彩衣” 新型印刷術(shù)讓3D打印活起來

最近，一段“酷炫”的網(wǎng)絡(luò)視頻火了：一個(gè)剛剛3D打印出的白色獵豹模型，緩緩浸入飄著彩色薄膜的水池，當(dāng)它再次浮出水面，身上竟“長”出色彩逼真的皮毛、眼睛、耳朵、尾巴。如今，視頻的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)擊量已經(jīng)超過50萬次，“圍觀”的科技媒體紛紛“點(diǎn)贊”，稱這是一項(xiàng)“瘋狂的”、“不可思議的”發(fā)明。

　　這個(gè)奇幻的發(fā)明出自浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。據(jù)介紹，視頻中展示的是一種新型印刷術(shù)——點(diǎn)對(duì)點(diǎn)“瞄準(zhǔn)”三維物體精確上色。

　　給三維物體穿“彩衣”

　　主持該項(xiàng)研究的浙江大學(xué)周昆教授說，面向個(gè)性化定制的3D打印，在花紋、顏色實(shí)現(xiàn)方面始終“個(gè)性”不起來。盡管一些工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)能夠支持彩色打印，但設(shè)備價(jià)格昂貴，打印成本高、速度慢，而且只限于極少的材料。

　　與美國哥倫比亞大學(xué)的一項(xiàng)合作課題中，周昆教授主持的團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)水轉(zhuǎn)印技術(shù)進(jìn)行了革新，提出了全新的計(jì)算水轉(zhuǎn)印刷技術(shù)，解決了為三維物體進(jìn)行精確上色的難題。

　　“水轉(zhuǎn)印是當(dāng)前在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用的曲面上色技術(shù)，但只能用于對(duì)精確性沒有要求的上色任務(wù)。我們通過計(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’。”周昆說。

　　這一技術(shù)的核心是通過計(jì)算機(jī)將三維設(shè)計(jì)稿“降維”成一個(gè)二維的“展開圖”。為此，課題組在國際上首次對(duì)水轉(zhuǎn)印過程中水轉(zhuǎn)印薄膜的形變進(jìn)行了物理建模，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)。

　　精確計(jì)算完美“貼膜”

　　課題組成員、博士生張譯中對(duì)打印全程做了演示：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)的軟件會(huì)快速計(jì)算生成一個(gè)二維“展開圖”。之后，噴墨打印機(jī)打出一張印有“展開圖”的水轉(zhuǎn)印薄膜。將薄膜放在靜止的水面上，將需要上色的人臉模型浸入水中，神奇的現(xiàn)象發(fā)生了：薄膜逐漸包裹住了人臉模型，顏料完美附著、絲毫不差。

　　“這是一種完美精確的自動(dòng)‘貼膜’。”周昆說，對(duì)于更為復(fù)雜的物體，課題組還設(shè)計(jì)了多次上色方法，保證物體表面上每一處都被著色，避免疊色現(xiàn)象。

　　浙大機(jī)械與工程學(xué)院賀永副教授認(rèn)為，3D“造物”，必須同時(shí)解決好“形”與“色”的問題。有了顏色和紋理，它的表現(xiàn)力才會(huì)增強(qiáng)，這項(xiàng)發(fā)明的重大價(jià)值就是解決了圖像的精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。

　　各種材料一概“通吃”

　　斑馬、茶杯、汽車、地球儀……在實(shí)驗(yàn)室，記者看到了許多經(jīng)計(jì)算水轉(zhuǎn)印技術(shù)上色的3D模型。據(jù)了解，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、橡膠等一概“通吃”。

　　雖說這項(xiàng)發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是解決3D打印“黯然無色”的難題 ，但它的應(yīng)用范圍實(shí)際上超越了3D打印的范疇，可以面向任意的三維物體，即使不是3D打印出來的。

　　據(jù)悉，這項(xiàng)研究成果的相關(guān)論文已被國際計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界的頂級(jí)會(huì)議錄用。周昆認(rèn)為，有了這種從虛擬世界到物理世界的對(duì)應(yīng)關(guān)系，未來的技術(shù)開發(fā)將有更大的想象空間。“著色，也許只是其中的一項(xiàng)應(yīng)用。”