CN105479997B - 一种大型雕塑放样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种大型雕塑放样的方法，是综合利用三维数据扫描技术、数据处理技术和CNC泡沫加工技术为一体的大型雕塑放样方法，该方法可以解决大型雕塑的小样数据采集、处理和重建问题；解决大型雕塑与小样形态吻合问题；解决雕塑小样完成后，泡沫模型加工前，雕塑家对雕塑模型的再修改问题；解决虚拟数据转变为真实物体问题；该方法能够在较短时间内完成雕塑小样的放样，与传统的放样方式相比，节约了时间和人工成本，提高的放样的精度。

Description

一种大型雕塑放样方法

技术领域

本发明涉及一种大型雕塑放样方法，尤其是一种大型雕塑放样方法，属于技术领域。

背景技术

据申请人了解，目前大型雕塑的放样方法主要是套圈放样法。此法先根据泥塑的造型建立相应框架,在框架上进行塑制。上述方法存在许多缺陷：1.建立框架问题；首先，进行大型雕像的塑制必须搭相应的内框架，框架需要承受百吨石膏的重压，因此架子之间的连接牢固程度难以解决。2.视距和比例问题；放样中，为了控制雕塑整体的结构比例，通常要在每次检查审视大型的时候，拆除脚手架，利用空地、行车，多角度的拍照，甚至使用望远镜从合适的视角进行审视，这些都是通过肉眼观察的方式去控制雕塑的结构，很容易出现失误。3.分块问题；大型雕塑石膏放样工程要为铸铜工艺提供符合要求的分块阳模，大型雕塑有数百块的分块，误差大的问题在所难免，此外，阳模的加固也难以解决。

检索发现：

专利：201410259987.9，公开了雕塑翻制放大的方法，旨在提供一种省时省力，放大后的雕塑不失真，可生产大型产品的雕塑放大方法；解决技术问题所采用的技术方案为：将大型雕塑的模型在三维扫描仪内扫描成电子模型，将模型分片处理，然后用平雕机加工，将加工好的各个切片粘合，再打磨和修正后即成型；相对于传统的雕塑放大方法，本发明采用将大型雕塑分成多个切片进行加工，然后将加工好的多个切片粘结，这样可制作的雕塑就能更大，远远超过3D打印机和圆雕机的最大范围，解决了大型雕塑难以制作的难题。但是这种方法采用平雕机进行加工，精度低，另外后期再进行打磨和修正费时费力、且一旦出现误差或其他问题很难再修复。

专利：86102666，公开了雕塑数字放大一次成型技术，本技术利用现代数字测绘技术,计算机放样技术,自动跟踪切割技术,通过对原稿测绘、放大与样板切割、制作样盒填充塑泥三个阶段一次成型,以实现原稿形象的再现与放大工程的工业性生产.本发明使放大不需要艺术家的再创作,直接进行工业性生产;不需要翻模制型的二次成型.具有高精度的再现原稿形象,可靠储存原稿信息,工期短,成本低,适应性强的优点。但是该技术的本质是通过对原稿测绘、放大与样板切割、制作样盒填充塑泥三个阶段一次成型，过程较为复杂，精度不高。

专利：201010137548.2，公开了组合技术人体雕塑方法，采用数据扫描、软件处理、快速成型和精密铸造等技术组合进行雕塑,采用扫描仪扫描真实人体或人体部位或其它有形物品得到矢量点云数据。利用软件进行拼接、修整并转换为面片数据文件。再利用造型软件对面片模型进行雕塑化制作。制作好的虚拟雕塑模型数据被输入快速原型机制成实物雕塑半成品;最后经过后处理,包括打磨、抛光、着色、相嵌装饰框架获得最终的雕塑作品。用该方法制作雕塑,可以极其方便快速的渲染、修饰、剪裁、保存雕塑图像信息、与被雕塑者的及时互动交流,同时缩短制作时间,简化铸造工艺。但是该方法主要运用于人体等体积较小的雕塑制作，采用快速原型机加工，对精度要求低。

上述专利还都存在一个问题，就是无法对数据进行精细、准确的处理，无法消除扫描产生的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种综合利用三维数据扫描技术、数据处理技术和CNC泡沫加工技术为一体的大型雕塑放样方法，该方法可以解决大型雕塑的小样数据采集、处理和重建问题；解决大型雕塑与小样形态吻合问题；解决雕塑小样完成后，泡沫模型加工前，雕塑家对雕塑模型的再修改问题；解决虚拟数据转变为真实物体问题；该方法能够在较短时间内完成雕塑小样的放样，与传统的放样方式相比，节约了时间和人工成本，提高的放样的精度。

为了达到以上目的，本发明的一种大型雕塑放样方法，其特征在于借助计算机通过如下步骤实现：

步骤一、确定需放样的雕塑小样；

步骤二、将雕塑小样按预定分层精度进行高度分层，每层再按预定分块精度分为若干分块，并依次编号；

步骤三：用三维扫描仪对雕塑小样的每层每一个分块按照编号顺序进行扫描；记录每个分块的轮廓表面信息的三角面片数据，得到每个分块的三维数据模型；

步骤四：根据编号顺序将上述雕塑小样每个分块的三维数据模型在同一坐标系中拼接成完整的初级三维模型；

步骤五：对初级三维模型除尖峰锐利区域外的选定精细部位采用曲面四边形网格进行拓扑，并设置四边形网格密度为1，导出经拓扑后的三维模型；

步骤六：对经拓扑导出的三维模型锐利区域进行倒角，以调适整局部出现的曲面突变；

步骤七：对经倒角后的三维模型进行细分和减面处理，得到曲面平滑且数据适量的中间三维模型；

步骤八：去除进行拓扑部位细分后产生的异常曲面，得到光滑曲面构成的最终三维模型；

步骤九：将最终三维模型放大到实际所需的放样模型，并根据数控加工设备的最大成型尺寸将放样模型分层、分块，依次编号，并输出放样模型的层块图；

步骤十：以高密度泡沫为毛坯，用数控加工设备加工出放样模型的各层分块的泡沫模型；

步骤十一、将泡沫模型按层块图组装成形，完成所需雕塑的放样。

本发明进一步采用的技术方案为：

进一步的，所述步骤五中，拓扑的网格需要依照曲面、线条走势布置，减少三边面、五边面。

进一步的，所述步骤八中用Geomagic软件修复模型上的孔洞以及不顺畅的曲面；在所述步骤四中采用Geomagic软件，同时将模型上的孔填补以及修补复杂的洞；在所述步骤九中采用Geomagic软件将模型放大至需要的尺寸。

进一步的，所述步骤五采用ZBrush软件进行拓扑优化三维模型，曲面平缓的区域网格松散，曲面复杂的区域网格紧密，面片优化为四边形结构；步骤七中同样是采用ZBrush软件对模型细分。

进一步的，在步骤六中采用Maya软件对模型进行锐利区域倒角。

进一步的，在步骤七中细分处理时选取3以上的迭代次数进行细分处理。

进一步的，在步骤六中，倒角参数选择偏移0.1，分段2。

进一步的，在步骤七中，细分级别调到计算机最大处理能力级别，得到曲面光滑的模型，减面率为20%~50%。

本发明的大型雕塑放样方法综合使用了三维扫描仪、数据处理和三维建模软件、CNC加工中心进行大型雕塑放样。从时间、人力以及材料成本综合考虑，本发明所涉及的方法比传统套圈放样方法制作成本低。传统的套圈放样，采用肉眼观察的方式控制雕塑结构，很容易产生失误。

目前常用的是三维扫描仪，但是三维扫描的数据是无序的三角面片，直接使用扫描数据进行CNC加工，加工出的泡沫表面也多是三角面，极不光滑，而且一些细节也不够清晰、明确，尤其对于大型雕塑，加工出来后缺陷和不足更加明显，且明显失真。

本发明通过高精度扫描设备根据雕塑小样的表面纹路、结构复杂度进行分块扫描，获取雕塑小样分块的数据模型，然后再同一个坐标系中建立成完整的雕塑小样初级三维模型，进而再通过各种处理软件对初级三维模型进行补洞、修复、细分、减面等曲面处理，从而使得放样后的雕塑很好的继承了雕塑小样的结构、比例、神态、韵味；经过本发明方法处理后的模型，曲面平顺、线条流畅、细节完整，提高了雕塑质量，避免了放大加工后的结构失真现象，影响了雕塑的整体美观，另外采用泡沫为毛坯，缩短了CNC泡沫加工的时间的同时消除了胶泥或者石膏放样会产生开裂、变形的问题，且泡沫硬度低、质量小，分块时破损少，易于搬运。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明放样工艺流程图。

图2为本发明雕塑小样分块扫描的三维模型。

图3为图2拓扑后的初级三维模型。

图4为图2细分后的中间三维模型。

具体实施方式

实施例一

本实施例的一种大型雕塑放样方法，结合72米山东曲阜孔子像的放样过程，放样工艺流程如图1所示，其放样方法包括如下几个步骤：

步骤一：确定雕塑小样；

步骤二、根据计算机数据处理能力将雕塑小样按预定分层精度进行高度分层，每层再按预定分块精度分为若干分块，并依次编号；

步骤三：用三维扫描仪对雕塑小样的每层每一个分块按照编号顺序进行扫描；记录每个分块的轮廓表面信息的三角面片数据，得到每个分块的.stl格式的三维数据模型；如图2。

步骤四：根据编号顺序将上述雕塑小样每个分块的三维数据模型在同一坐标系中拼接成完整的初级三维模型；用Geomagic软件对模型进行全局注册、补洞、去流形、裁剪等操作，得到完整的模型。大型雕塑需要通过分块扫描的方式进行精细扫描，用全局注册将若干个分块数据在同一个坐标系中拼接成一个整体的模型。利用补洞将模型上的孔填补上，使用桥接、补边界孔修补复杂的洞。

步骤五：对初级三维模型除尖峰锐利区域外的选定精细部位采用曲面四边形网格进行拓扑，并设置四边形网格密度为1，导出经拓扑后的三维模型；

步骤六：对经拓扑导出的三维模型锐利区域进行倒角，以调适整局部出现的曲面突变；用ZBrush软件拓扑，拓扑出模型除锐利区域外所有细节例如人像雕塑的人手、衣服褶皱等，依据模型曲面的形态布置四边形网格，曲面平缓的区域网格松散，曲面复杂的区域网格紧密，要尽量减少出现三角面，通过对网格合理分布，达到对数据进行精简，面片优化为四边形的目标，如图3。

步骤七：对经倒角后的三维模型进行细分和减面处理，得到曲面平滑且数据适量的中间三维模型；用Zbrush软件对模型进行细分，细分级别可调到计算机最大处理能力级别，得到曲面光滑的模型，如图4。再用Decimation Master插件减面，在保证曲面质量的同时，减小模型的数据大小，得到一个适合自己编程软件处理的数据。

步骤八：去除进行拓扑部位细分后产生的异常曲面，得到光滑曲面构成的最终三维模型；用Geomagic软件修复模型上曲面，得到最终的三维模型。拓扑时一些不可避免的三角面在细分后会导致该区域曲面不光顺等异常曲面，或是生成一些孔洞，用去除特征、补洞修复这些缺陷。

步骤九：将最终三维模型放大到实际所需的放样模型，并根据数控加工设备的最大成型尺寸将放样模型分层、分块，依次编号，并输出放样模型的层块图；用Geomagic软件将模型放大的实际需要的尺寸，根据CNC加工中心的成型尺寸放样模型的层块图。

步骤十：采用成本低、易加工的高密度泡沫为毛坯，用数控加工设备加工出放样模型的各层分块的泡沫模型；将每块模型用Powermill软件编程，通过CNC加工中心加工出泡沫模型。

步骤十一、将泡沫模型按层块图组装成形，完成所需雕塑的放样。

本发明采用三维扫描、数据处理和CNC泡沫加工等技术组合进行放样，采用三维扫描仪扫描雕塑小样，得到小样三维模型。利用逆向软件对三维模型进行修复，再利用三维建模软件进行雕塑重新建模，弥补小样手工雕塑的缺陷以及扫描设备的扫描缺陷，获取一个曲面顺滑、线条流畅、特征清晰的三维模型。将建模获取的三维模型放大到实际需要的尺寸，再分层、分块，将每一块模型编号，再使用数控加工编程软件编程，通过CNC（加工中心）加工出泡沫模型。最后将泡沫模型按编号组装成形，完成大型雕塑放样。本发明能保证模型尺寸、比例的准确性，模型与雕塑小样的吻合度高，放样时间短、成本低。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种大型雕塑放样方法，其特征在于借助计算机通过如下步骤实现：

步骤一、确定需放样的雕塑小样；

步骤二、将雕塑小样按预定分层精度进行高度分层，每层再按预定分块精度分为若干分块，并依次编号；

步骤三：用三维扫描仪对雕塑小样的每层每一个分块按照编号顺序进行扫描；记录每个分块的轮廓表面信息的三角面片数据，得到每个分块的三维数据模型；

步骤四：根据编号顺序将上述雕塑小样每个分块的三维数据模型在同一坐标系中拼接成完整的初级三维模型；

步骤五：对初级三维模型除尖峰锐利区域外的选定精细部位采用曲面四边形网格进行拓扑，并设置四边形网格密度为1，导出经拓扑后的三维模型；

步骤六：对经拓扑导出的三维模型尖峰锐利区域进行倒角，以调适局部出现的曲面突变；

步骤七：对经倒角后的三维模型进行细分和减面处理，得到曲面平滑且数据适量的中间三维模型；

步骤八：去除进行拓扑部位细分后产生的异常曲面，得到光滑曲面构成的最终三维模型；

步骤九：将最终三维模型放大到实际所需的放样模型，并根据数控加工设备的最大成型尺寸将放样模型分层、分块，依次编号，输出放样模型的层块图；

步骤十：以高密度泡沫为毛坯，用数控加工设备加工出放样模型的各层分块的泡沫模型；

步骤十一、将泡沫模型按层块图组装成形，完成所需雕塑的放样。

2.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：所述步骤五中，拓扑的网格需要依照曲面、线条走势布置，减少三边面、五边面。

3.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：所述步骤八中用Geomagic软件修复模型上的孔洞以及不顺畅的曲面；在所述步骤四中采用Geomagic软件，同时将模型上的孔填补以及修补复杂的洞；在所述步骤九中采用Geomagic软件将模型放大至需要的尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：所述步骤五采用ZBrush软件进行拓扑优化三维模型，曲面平缓的区域网格松散，曲面复杂的区域网格紧密，面片优化为四边形结构；步骤七中同样是采用ZBrush软件对模型细分。

5.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：在步骤六中采用Maya软件对模型进行尖峰锐利区域倒角。

6.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：在步骤7中，采用Decimation Master插件减面，在保证曲面质量的同时，减小模型的数据大小。

7.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：在步骤七中细分处理时选取3以上的迭代次数进行细分处理。

8.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：在步骤六中，倒角参数选择偏移0.1，分段2。

9.根据权利要求1所述的一种大型雕塑放样方法，其特征在于：在步骤七中，细分级别调到计算机最大处理能力级别，得到曲面光滑的模型，减面率为20%~50%。