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3D掃描技術應用—虛擬美術館的建置

文／高朗軒

數位化的技術，不外乎就是數位相機的拍攝或掃描機的影像擷取，皆可運用於立體雕塑物件的數位化工作；蒲添生數位美術館主要使用小型雷射掃描機，將各典藏雕塑品進行掃描工作，並透過軟體進行模型貼圖及建構虛擬環境等步驟，建置虛擬實境的蒲添生數位美術館。[1]

典藏雕塑藝術[2]
在傳統的雕塑藝術中，雕塑形體的姿態及美感，都是經由雕塑家的手指所塑造出來的；以當今的電腦科技而言，這些傳統的技法是無法被電腦所取代；但是透過3D掃描的技術，將雕塑家精心捏造出來的形體加以保存，將對雕塑藝術帶來相當程度的衝擊。

此3D掃描技術對於雕塑家的衝擊層面可以分成保存、展示、及創造，三個部份。在保存方面，透過3D掃描的技術，將雕塑品以電腦三角網格面的方式，永久保存在電腦中，不會因時間或是環境而產生壞損，透過快速成形或是電腦自動切削製造，可以再次複製。

在展示方面，數位化後的雕塑品，可透過網際網路，及虛擬空間展示的方式，讓雕塑品再現，同時觀看者不會受到地點及距離的限制，可以更接進雕塑品來觀賞。另外，在創造的過程中，數位化的雕塑品可以自由地放大縮小、及變型，或是取局部來創造出新的雕塑藝術。

圖像材質資料拍攝
為使掃描完成之3D影像擁有更貼近原始作品之樣貌，必須針對典藏品拍攝前、後、左、右以及作品正上方，共五個面之影像，作為後續影像貼圖的材質素材。

在拍攝過程中，因典藏品為銅製品，所以必須注意圖像表面反光與色溫的差異問題，並以白布作為背景，以利後續去背作業之方便。影像編修的工作主要目的為調整各區塊顏色的一致性，故照片的拍攝與影像的事先處理可以避免後續材質貼圖時無法接合的問題。

3D掃描技術呈現
NextEngine Desktop 3D Scanner 的掃描能力是以小型雕塑品為主，單次有效掃描範圍為20CM*20CM，超過此範圍之掃描檔會有較多掃描不全的破面。過大的典藏品，則需以分次多層掃描的方式來處理，但在此同時亦須考量電腦硬體設備的等級，分越多層掃描的資料量相對越大。

(1) 定位點標識：
因3D掃描主要以區域掃描，再將各區塊的資料結合，固定位點就是很重要的對位標誌。在進行掃描前須先將雕塑品以紅色貼紙貼上定位點，黏貼位置以明顯和清楚為主要考量，在貼紙材質上僅須挑選色彩較為鮮明之一般貼紙即可。

標記點黏貼

(2) 3D網格面掃描：
掃描機運作時須與物件保持約60~70CM之距離，掃描前亦可於藏品上抹上一層薄痱子粉，以增加雷射光的反射效果。根據經驗以及系統效能之考量，基本掃描共分八次，每45度掃描一次，如掃描精細度不足或物件過大，則可多次掃描或分層掃描，每一物件完成基本掃描後會產生八個模型。

抹痱子粉

3D網格掃描

(3) 模型接圖：
待完成掃描工作後，接下來便需要將各模型進行接合工作，便可看見雕塑品的雛型。此時先標識各定位點，主要為模型接合時讓電腦自動比對模型相對位置所使用；兩區塊之模型進行接合時，以手動方式選定3~9個參考標記點進行接圖所取得之模型精確度，會優於自動接圖之精確度。

模型接圖

(4) Fuse(模型熔合)：
模型接圖完成後，在系統上其實仍然是兩張獨立的圖檔，必須再經過Fuse(熔合)的程序將圖檔接合成一個物件，這個動作也可以降低檔案的大小。根據經驗以及系統效能之考量，精細度設定以0.5~0.7之間為最佳狀態。另外，Fuse之工作為每完成一次掃描和接圖即進行，如次便能根據模型破面來調整掃描範圍，補足缺漏的網格面範圍。

Fuse(模型熔合)

(5) 網格破面修補：
完成模型接圖熔合後，或多或少仍會有網格資料缺少的情形發生，此時輸出的3D模型便會產生破洞的情形；因此在3D掃描最後也最重要的工作，即是將此破面加以修補，讓不足的網格面修補起來。
先將資料匯入3D Max軟體裡，進行網格面減面步驟以減少電腦負擔，補破面時須儘可能將網格狀態調整成和原物件相同之立體形狀。補完破面後模型會產生鋸齒狀的問題，此時須將低面數網格面調整成為高面數網格，再次將網格面數降低即可解決該問題。

網格破面修補

(6) 檔案匯出：
高網格面數主要用途於快速原型設備(Rapid Prototyping,簡稱RP)[3]輸出模型樣品，降低網格面亦可降低電腦設備的運算負擔，而網格修補功能僅能修補較小的破面，如破面過大則須針對不足的範圍，重新掃描和接合工作。完成網格修補工作後即大功告成，只需再將模型檔存成.obj檔，以便匯入軟體MAYA進行材質貼圖工作。

3D模型貼圖
雕塑品掃描工作，除了第一步驟的網格面掃描外，在材質的表現上亦是非常重要的，如此才能將典藏品真實的呈現。貼圖的過程中，主要是使用軟體Photoshop CS3和Autodesk Maya 2009依照各步驟進行貼圖工作。

(1) 模型分色：
將上述步驟完成之.Obj雕塑品模型檔案匯入繪圖軟體MAYA後，並根據前述拍攝工作時的拍攝視角(前、後、左、右以及上面，五個角度)來進行材質分色工作，如畫面上將小狗的左側與上方分別規劃為紅色與黃色，以作為各部位圖片配置的參考。

模型分色

(2) 材質貼圖：
材質照片貼圖前，須先進行圖片去背工作，再依照MAYA軟體的貼圖座標調整材質照片上的貼圖範圍，圖中的綠色圓點則為上述步驟黃色區塊的控制點。
因電腦無法自行判斷材質照片與網格面的對應關係，故此步驟須由手動調整，將材質照片對應到綠色圓點的範圍內，也因此這步驟會較為費工。
MAYA軟體亦內建材質庫，但使用實際拍攝圖片更能將藏品真實顏色與感覺表現出來，故採用此方式進行材質貼圖工作。

材質貼圖

(3) 材質修正：因拍攝角度與光線之影響，完成貼圖後的3D模型於材質接縫處會有明顯的色差痕跡，此時需使用3D painter功能來仿製周圍的顏色，將材質的色差調整一致。另外，進行色塊調整時會需要龐大的電腦資源，所以建議硬體之等級能越高越好。

材質修正

材質貼圖成品

虛擬環境的建構
完成材質貼圖的藏品檔案，即依照虛擬環境的檔案格式匯出，完成3D掃描數位化工作。經過了上述繁瑣的步驟後，最後一項工作則要為這些典藏品建置一個虛擬的博物館，虛擬環境主要是使用軟體Virtools進行建置，匯入軟體Virtools前要先用3DMax將場景環境和藏品位子設定好，後續僅須將資料匯入讓軟體自行運算，再確認各資料有無錯誤進行修正，即可放置於網路供大眾瀏覽。爾後如須於同一場景增加雕塑展示品，只需將該檔案資料匯入Virtools即可。

虛擬環境建構