浙大周昆团队：为三维物体披上五彩“外衣”

■崔学勤

最近，一段很酷的视频在美国视频网站YouTube上引起了轩然大波:一个新的3d打印的白色猎豹模型被慢慢浸入漂浮着彩色电影的水池中。当它再次浮出水面时，它的身体已经“长出”了栩栩如生的皮毛、眼睛、耳朵和尾巴，到处都栩栩如生。

该视频诞生于浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室。自从五月中旬在YouTube上发布以来，点击量激增。后来，《连线》杂志和《每日科学》等媒体称赞它是一项“疯狂”和“不可思议”的发明。

三维完美电影

简而言之，视频是一种新型的点对点打印方式，旨在为三维物体精确着色。浙江大学教授、该研究项目主持人周坤表示，3D打印技术近年来取得了很大进步，但要打印出具有复杂图案的全彩色3D物体仍然相当困难。这使得原本面向个性化定制的3D打印在图案和颜色的实现上总是“个性化”的。

此外，虽然目前一些工业级3D打印机可以支持彩色打印，但设备非常昂贵，打印成本高，打印速度慢。此外，它受到塑料和石膏等极少数材料的限制。“我们希望通过计算解决3D打印生产过程中的瓶颈问题，使原本困难的事情变得简单。”周坤说。

在与美国哥伦比亚大学的合作项目中，周坤的团队“升级”了传统的水转移技术，并提出了一种新的计算水转移技术来解决三维物体的精确着色问题。“水转印是目前工业上广泛使用的一种表面着色技术，但它只能用于不要求精度的着色任务，如伪装、大理石和其他纹理。通过计算机图形和计算机视觉技术，我们使水转移印刷能够“瞄准”，并可以穿上为三维物体设计的任何颜色的“外套”周坤说。

那么，这件“外套”是如何实现的呢？一个核心的科学问题是要求计算机将三维设计草图的尺寸“缩小”成二维“发展图”。该研究小组在世界上首次对输水过程中输水膜的变形进行了物理模拟，获得了三维设计图与膜上各点之间的映射关系。基于这一理论，研究小组开发了一套用于实际着色的自动原理原型。

研究小组成员、博士生张益忠演示了整个印刷过程。设计者在电脑上完成人脸的三维图案设计后，研究小组开发的软件将快速计算并生成二维“展开图”。之后，普通的喷墨打印机将打印出一张印有“发展地图”的水转印薄膜。这种水转移膜成本低，也很常见。将薄膜放置在静止的水面上，将待着色的面部模型慢慢浸入水中。神奇的现象发生了:影片巧妙地逐渐包裹住脸部模型，任何地方都没有出现皱纹。颜料附着完美，图案的每个细节都与设计图一一对应，没有任何区别。“用外行人的话来说，这就像一个完美而精确的自动‘贴膜’。”周坤说。

对于更复杂的物体，研究小组还设计了一种巧妙的多次着色方法，以确保物体表面的每一个地方都没有颜色重叠。

让3D打印不再“黯然失色”

斑马、豹子、面罩、茶杯、汽车、地球仪...在浙江大学计算机辅助设计与制图国家重点实验室，记者看到了许多通过计算水转移技术着色的三维模型。有些是木头做的，有些是陶瓷做的，有些是塑料做的。据了解，这种计算输水技术的适用材料极其广泛:金属、塑料、木材、陶瓷和橡胶都是“全才”。

“这项发明太神奇了！”浙江大学机械工程学院副教授、3D打印设备的长期开发者何勇说:“我们一直觉得复杂的颜色和纹理是3D打印难以突破的限制。周坤的发明就是用在这方面的。”

据了解，与这一成就相关的论文已被国际计算机图形学领域的*会议ACM SIGGRAPH所采用。今年八月初，研究小组将前往美国洛杉矶，做一份会议论文报告。会议每年只雇用来自世界各地的100多份论文。

开拓更多的想象空间

尽管本发明的出发点是解决“遮蔽”3D打印的难题，但是其应用范围实际上超出了3D打印的范围，并且可以面对任何3D对象，即使这些对象不是通过3D打印制造的。

目前，许多知名制造企业，如三维打印机制造商、摩托车制造商、体育用品制造商等纷纷“转移”，周坤的研究小组也陆续找到希望应用这项技术的人。“个性化制造是工业4.0的核心要素之一。这些企业希望开发个性化和可定制的产品，以赢得更大的市场。这项发明正好符合他们的期望。”周坤说:“这将是信息化与工业化深度融合，实现智能制造的一个范例。”

“在更深的层次上，这项技术的本质是如何将三维数字模型表面的一个点精确地映射到其物理模型表面的一个点上。”周坤认为，随着这种从虚拟世界到物理世界的对应，未来的技术发展将会有更多的想象。"着色可能只是应用之一."

《中国科学新闻》(2015-07-02第四版综合)