CN101544154A - 真人工艺品的手工制作与数控雕刻一体化制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真人工艺品手工制作与数控雕刻相结合的制作方法，即采用传统手工制作真人工艺品的身体和头发的最终模型；然后根据客户照片建立头部的三维模型后，对头部进行数控雕刻精加工；从而解决了传统手工制作方法中面部制作耗时并且相似度难于控制的难题；也解决了完全的三维建模和数控雕刻中建模困难、加工工作量大和成本高等问题。

Description

真人工艺品的手工制作与数控雕刻一体化制作方法

技术领域

本发明涉及一种真人工艺品的全身制作方法，特别是利用传统手工制作和数控雕刻加工的真人照片级人像工艺品全身制作方法。

背景技术

随着当今人们生活水平的提高，很多人希望长久留住青春或者为了纪念某些特殊意义的日子而定做他人或者自己的三维艺术品，比如舞蹈家想留下年轻时跳舞的某些优美动作、武术师想留下练武的某个动作、情侣留下彼此相爱的某个时刻等。因此，三维真人艺术品定做不仅是结婚、生日、寿诞、情人节、圣诞等喜庆节日的馈赠、纪念佳品，而且还可做室内摆设或装饰。常规的照相、摄影均只能产生平面效果，不够生动、真实，个性化定做真人雕像可以弥补这些缺点。然而，目前制作真人雕像有以下几个难点：一，人物雕像与照片的相似度决定于制作者的手工技艺，差异较大；二，完全的三维建模和数控雕刻中建模困难、加工工作量大和成本高。

基于计算机视觉原理获取物体表面三维信息是当今三维扫描仪的主流技术，美国Cyberware公司在这方面可称为先驱，它生产的3030系列(除了30308)扫描仪，不但可以获取人体三维轮廓数据，还能获取好的表面纹理。中国专利CN94103620.0号公开了一种“三维人像速成制作方法”，由环体人像摄制取得人体各侧面的特定曲线后，再由计算机中“电子立体成像软件”的控制下，取得数控信息，驱动数控机床，加工出精铸磨料坯，最后通过溶模精铸、铸件精修及表面处理等工艺获得与顾客体貌特征完全相仿的三维立体肖像。但是，这类扫描仪和该专利的缺点就是当事人必须亲自到场，这种方法势必给客户带来时间和费用上的浪费，从而难以推广。

中国专利CN200410086350号提出用三维摄像机定制三维雕像的方法，三维对象的三维复制本由已打磨的三维定制外形和二维图像复合而成。三维相机输出几何文本到计算机数控打磨机，打磨机切削打磨块形成定制的已打磨的三维外形，三维相机也输出二维文本到微机中。雕刻家在定制的已打磨的三维外形和二维图像完成完整的三维头像，完成的粘性头像经硬化后根据二维图像进行喷打着色，完整着色的头像安装到预置的身体塑像上。这种方法的逼真程度在一定程度上取决于雕刻师的手艺。

中国专利CN200520081054号提出了一种“具有组合结构的三维人像”，三维人像包括一人像模型和一由快速成型机RP成型获得的脸部翻模，该人像模型的头部前面形成一被结合面，再与脸部翻模的背面结合，形成一完整的三维人像。这种制造方法，把人头劈成两部分做，在风俗上不合情理，很多顾客非常忌讳这种做法，从而也难以推广。

中国专利CN200610083493号公开了“一种三维人像系统及其实现方法”，利用顾客正面、侧面照片获得三维几何模型，再使用空间半色调方法将连续色调的纹理贴图灰度图像进行空间调制，通过激光雕刻机在人造水晶内部“打印”出一个在视觉观察效果上近似于原三维图像的二值图像，形成具有真实感的三维实体头像。该方法最后制作出的仅是“视觉”观察效果上近似于原三维图像的二值图像，对最终真实的三维模型的制作没有介绍，并且做出的效果仅是头像部分，没有对人体整体做考虑。

中国专利CN200720011658号公开了一种“由本人面部照片组合而成的娃娃”，该娃娃包括脸部是立体的脸盘和模型娃娃，脸盘上贴敷有柔性可伸缩的用电脑编辑好的人物面部的照片，模型娃娃的面孔部分设有用于安放脸盘的凹槽。此方法的最终效果很多程度上取决于照片的贴敷程度，娃娃面孔部分凹槽与真人的贴合程度，另外，身体是模型娃娃，没有根据客户照片制作，其整体逼真效果欠佳。

发明内容

针对现有技术中制作真人工艺品逼真程度低、制作效率低的现状，本发明的目的是在传统手工制作的基础上，利用目前先进的数控加工技术，提出一种能在比较短的时间内，根据顾客照片的形态特征快速逼真的制作出其三维真人工艺品的加工方法，该方法能提高加工全身真人工艺品的效率，大大降低加工成本。

实现以上发明目的的技术解决方案为：一种具有照片级的真人工艺品的手工制作与数控雕刻的一体化制作方法，其特征在于，集传统手工制作与数控雕刻加工于一体，三维真人工艺品的身体和服饰的最终模型由传统手工制作，头部最终模型由数控雕刻机或者雕铣机雕刻加工。其中主要包括以下工艺过程：1.客户提供普通数码照相机拍摄的正面、侧面照片；2.根据客户提供的照片，采用常用的DIY制作材料(如软陶材料)，手工制作出真人工艺品的身体的最终模型；3.采用计算机视觉算法和专业人像处理系统，根据客户提供的正面、侧面照片生成头部三维几何模型；4.利用专业编程软件(如MasterCAM软件)生成头部仿真加工文件；5.采用数控雕刻机或者雕铣机雕刻出头部几何模型，材料可以是DIY材料、树脂、有机玻璃等材料；6.根据客户照片手工制作发型，并给工艺品面部补妆。7.组合身体和头部模型，把整个模型拍照反馈给客户，待客户满意后，用烤箱烘烤整个工艺品模型，烘烤温度100～150℃，烘烤时间5～10分钟，使模型定型。

中国是有着深厚文化底蕴的文明古国，有很多优秀的传统文化艺术，应更好的继承和发扬。在本发明提出的真人工艺品制作与数控雕刻的一体化制作方法中，三维真人工艺品的身体和头发均利用传统手工制作的优势，可以根据客户照片或者客户需求快速制作出工艺品的体型(如胖瘦、高矮)、服装的不同款式、各种时髦发型。之所以要采用传统手工方法制作身体和头发模型，是因为一方面，真人工艺品对体型、服饰和发型的加工有很大的个性化需求特征，而这些部位的加工要求可以稍微放宽，只要达到“形似”便可；另一方面，传统手工制作方法的优势就是其高效性，在加工要求相对较低的情况下，手工制作可以快速的制作和修改这些部位的模型，若整个模型用数控雕刻或者雕铣加工则工艺品整体加工效率反而降低，要创建或者修改服饰和发型三维数据文件也相当困难。因此，本工艺品身体和发型的制作完全可以充分利用传统手工制作方法的优势。

同时，要提高工艺品的相似度，主要在于面部特征的加工。本发明提出的真人工艺品制作方法，其面部数据是根据客户提供的正面、侧面照片，采用计算机视觉算法、专业的人像处理软件以及利用先进的数控加工技术，面部的最终模型相似度能达到90％～95％。

附图说明

图1为面部三维数据。

图2为面部刀具路径仿真结果。

图3为真人工艺品最终模型和照片的对比效果图：(a)是客户提供的原始照片，(b)是利用该专利提供的方法制作的最终模型，(c)是全部用手工制作的模型。

具体实施方式

下面结合一具体实例对本发明进行进一步说明。

某客户提供用普通数码相机照的一张正面照片和侧面照片，要求制作出照片上的真人工艺品三维模型。

1.具体制作步骤

该客户的真人工艺品制作步骤如下所述：

①生成客户身体的最终模型

根据客户提供的正面照片，利用DIY材料，按照照片的身体比例和颜色手工制作出客户身体的最终模型。

②生成头部三维数据

根据客户提供的正面和侧面照片，利用计算机视觉算法和专业人像处理系统生成客户的头部三维几何数据，再利用Geomagic Studio软件生成头部的三维曲面模型，图1为生成的客户头部最终三维数据模型。

③仿真头部加工刀具路径并数控雕铣加工

本案例用的是三轴精雕机，分面部和头后部两次加工，每次加工分粗加工和精加工。利用MasterCAM软件生成客户面部数据的刀具路径，部分G代码如下：

％

O0000(FACE)

(DATE＝DD-MM-YY-07-04-09 TIME＝HH:MM-10:25)

(MCX FILE-C:\DOCUMENTS AND SETTINGS\ADMINISTRATOR\桌面\FAC E.MCX)

(NC FILE-D:\MASTERCAM\MILL\NC\FACE.NC)

(MATERIAL-ALUMINUM MM-2024)

(T1||H0|XY STOCK TO LEAVE-.5|Z STOCK TO LEAVE-0.)

(T3||H0)

N100 G21

N102 G0 G17 G40 G49 G80 G90

N104 T1 M6

N106 G0 G90 G54 X-27.511 Y-18.267 S6000 M3

N108 G43 H0 Z123.5 M8

N110 Z44.5

N112 G1 Z23.5 F300.

N114 G3 X-32.489 Y-21.617 Z23.006 I-2.489 J-1.675

N116 X-27.511 Y-18.267 Z22.512 I2.489 J1.675

N118 X-32.489 Y-21.617 Z22.018 I-2.489 J-1.675

N120 X-27.511 Y-18.267 Z21.524 I2.489 J1.675

N122 X-32.489 Y-21.617 Z21.03 I-2.489 J-1.675

N124 X-32.121 Y-22.064 Z21.I2.489 J1.675

N126 G1 X-35.Y-24.942 F10000.

......

N186 X-22.145 Y13.492

N188 G0 Z21.

N190 Z100.

N192 M5

N194 G91 G28 Z0.

N196 G28 X0.Y0.

N198 M30

％

头部仿真过程图如图2所示。

④制作客户头发，并上妆

在步骤③制作的三维头部模型基础上，根据客户提供的照片制作客户的头发模型，然后给面部上妆，主要是加强眉毛、眼睛和嘴唇的颜色。

⑤烘烤整个模型

把步骤①制作的身体模型和步骤④制作的带有头发的三维模型组合好后，用普通数码相机拍摄后发给客户确认，若客户有异议，可做修改，待客户满意后，用普通烤箱烘烤5～10分钟，温度100～150℃，模型定型。

2.与传统手工制作方法的对比

主要参数说明：

T：加工一件工艺品总共所用时间；

C：加工工艺品的成本；

S：工艺品最终加工模型与照片的相似度；

T_body：加工工艺品身体和服饰所用时间；

T_head：加工工艺品头部所用时间；

T_hair：加工工艺品头发所用时间；

T_computer：根据照片用专业人像处理软件生成头部三维数据的计算时间；

T_model：用Geomagic Studio等软件生成三维曲面模型的时间；

T_simulate：用MasterCAM等软件生产仿真加工文件的时间；

T_{manufacturing}：用雕刻机数控雕刻成模型的加工时间；

工艺品全身利用传统手工制作方法(下文简称为方法1)的时间T₁＝T_body1+T_head1+T_hair1

利用专利提出的手工制作与数控雕刻的一体化制作方法(下文简称为方法2)的时间T₂＝T_body2+T_head2+T_hair2，其中，T_body1＝T_body2，T_hair2＝T_hair1，T_head1在很大程度上取决于雕刻师的水平，比较精炼的雕刻师(相似度能达到50％)至少也要4h，而一般的雕刻师所用时间远不只4h，而T_head2＝T_computer+T_model+T_simulate+T_{manufacturing}＝10min+10min+15min+70min＝1.75h，显然，T₂<T₁。

方法1与方法2的材料成本相同，而方法1头部手工制作的成本很大程度取决于雕刻师的手工费，而这个成本显示比用机加工加工头部的成本高，即C₂<C₁。

真人工艺品与真人是否相似主要取决于工艺品脸部数据与客户照片的相似程度，方法2的脸部数据采用计算机视觉算法和专业的人像处理系统，计算出的模型可以达到照片级的神似效果，相似度可以高达90～95％，因最后给脸部上妆可能会降低相似度，但最终模型一般都可以达到80～90％的相似度，本相似度数据是根据所调查的100人所打分数的统计结果。因S₁在很大程度上取决于雕刻师的手艺水平，并且手工制作的脸部质量比较粗糙，一般都会超出客户照片的实际年龄，因此S₁远比S₂小。图3是两种方法的最终模型效果对比，(a)是客户提供的原始照片，(b)是利用专利提供的方法制作的最终模型，(c)是工艺品整体用传统手工制作的模型，(d)是(a)、(b)、(c)脸部放大对比图。由图3可得：S₂>S₁。

表1总结了本案例用传统手工制作和用该专利提供的制作方法制作头部的三个主要参数的对比情况。

表1 两种方法制作的工艺品头部主要参数对比

据表1的数据对比可见，本发明所提出的真人工艺品手工制作与数控雕刻的一体化制作方法，一方面其继承了传统手工制作方法的优势，另一方面集成了计算机数据算法、专业人像处理技术和先进制造各方面的技术，在工艺品的全身制作的周期、成本和相似度方面有了大大改善，从而解决了传统手工制作方法中面部制作耗时并且相似度难于控制的难题；也解决了完全的三维建模和数控雕刻中建模困难、加工工作量大和成本高等问题，为真人工艺品的全身制作提出了一种新方法。

Claims (2)

1.真人工艺品的手工制作与数控雕刻一体化制作方法，其特征在于，采用传统手工制作真人工艺品的身体和头发的最终模型；然后根据客户照片建立头部的三维模型后，对头部进行数控雕刻精加工。

2.根据权利要求1所述的真人工艺品的手工制作与数控雕刻一体化制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)客户提供普通数码照相机拍摄的正面、侧面照片或者只要正面照片；

(2)采用DIY材料用传统手工制作方法制作客户身体的最终模型；

(3)采用计算机视觉算法和专业人像处理系统生成头部三维几何模型；

(4)利用专业编程软件生成头部仿真加工文件；

(5)采用三轴或者三轴以上的数控雕铣机或者雕刻机进行头部雕刻精加工；

(6)根据客户照片或客户要求手工制作头发，并给工艺品面部补妆；

(7)组合身体和头部模型，并用烤箱硬化整个模型。

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