3D数字化与3D打印：用“虚拟”再造“现实”

话题背景

近年来，我们经常能听到“3D”这个名词。3D之所以被认为神奇，很大程度上归因于我们通过高科技数字化的手段，使得客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建(3D扫描)、自由编辑(3D设计)、真实感高清展示(3D显示)，乃至重新返回至客观世界(3D打印)。

3D打印，是快速成型技术的一种，它是一种以3D数字化模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印、迭加成型的方式来增量构造物体的技术。3D数字化和3D打印是一对孪生兄弟，相辅相成。

3D数字化是实现3D打印的前提和基础，否则“巧妇难为无米之炊”;而3D打印使3D数字化“落到实处”。

什么是3D数字化

3D数字化就是利用计算机来生成数字化的3D图纸模型，以便输出到3D打印机。目前有两类方法进行3D数字化。第一类是使用3D设计软件，由设计师从无到有地设计3D数字化产品。目前常见的3D商业设计软件有：SolidWorks、AutoCAD、3dsMax、Maya、Rhino3D、Zbrush等。此外，还有多款各有特色的免费设计软件：Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等，其中很多还支持基于WebGL的网络在线编辑。

当然，并非人人都有能力自己设计3D形状，因此第二类3D数字化就是3D扫描(俗称3D照相)，基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的数字化重建。3D扫描技术分主动(Active)扫描与被动(Passive)扫描两种。

主动式扫描是对被测物体附加投射光，包括激光、可见白光、超声波与X射线等。其中激光线式的扫描，可以扫描大型的物体，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。而目前最新的基于结构白光的扫描设备，能同时测量物体的一个面，点云密度大、精度高，在快速采集物体三维表面信息方面具有独特优势。此外还有基于光照编码的扫描设备，如微软2010年发布的Kinect，具有实时性的特点。

被动式扫描对被测物体不发射任何光，而是通过采集被测物表面对环境光线的反射进行，因不需要规格特殊的硬件，所以成本非常便宜。被动式扫描重建技术，如Autodesk最新的123DCatch，通常基于计算机三维视觉的理论方法，如立体视觉法等。受环境光照对图像质量的影响，被动式扫描往往精度较低、噪声误差较大。

在获得3D扫描的原始数据后，往往还需对其进行复杂的处理，如将多个视角的形状片段进行对齐和拼接配准，以统一在同一个世界坐标系下。此外还需进行漏洞修补、噪声去除、三角化、重网格化等，以生成最终的高质量水密曲面。

目前还没有一种成熟的3D数字化技术能够对自然界的任意形状进行全自动地真实重建，如对于人体的头发等。因此在实际操作过程中，往往需要同时结合多种扫描技术，以及一定的手工编辑，以获得一个好的重建质量。

助力3D打印

3D打印诞生于上世纪80年代，用于将虚拟世界中复杂的3D数字化模型变成客观世界中真实存在的3D实体。与传统的“切削去除材料”的加工技术(如3D雕刻)不同，3D打印采用“逐层增加材料”的方式来生成3D实体。3D打印无需机械加工或任何模具，这样极大地减小了复杂产品的制造难度，缩短了研制周期。目前3D打印在电影制作、游戏动漫、医疗、教育、建筑、文物考古、生产制造业都发挥了独特的作用。

3D打印成为近年来的新闻热点，与2006年英国Reprap开源项目的发布不无关系。Reprap是3D桌面打印发展的基石，直接催生了包括Makerbot在内的一大批廉价普及型3D打印机，价格从几千到几万元人民币不等。

而在高精度大尺寸工业打印领域，美国3DSystems和Stratasys两大公司占据了大部分的市场份额。当然，在这个新技术竞争激烈的领域不乏挑战者，如Mcor公司2012年新推出的Iris全彩打印机，只需普通A4办公纸作为原材料，具有超低的成本优势和绿色环保的优势。在国内，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等科研机构和企业发起的中国3D打印技术产业联盟于2012年成立。