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全新计算水转印刷技术

1：浙大发明全新计算水转印刷技术

最近，一段酷炫视频在美国视频网站YouTube上火了：一个新3D打印成型的白色猎豹模型，被缓缓浸入漂着彩色薄膜的水池，当它再次浮出水面时，身上已“长”出逼真的皮毛、眼睛、耳朵、尾巴，处处栩栩如生。

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这段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。从5月中旬被放到YouTube视频网站至今，其点击量一路飙升。随后，美国《连线》杂志、《每日科学》等媒体纷纷称赞，这是一项“疯狂的”“不可思议的”发明。

1.1 三维完美贴膜

简单地说，视频中是一种新型印刷术——点对点“瞄准”三维物体精确上色。该研究项目主持人、浙江大学教授周昆说，3D打印技术近年来有了很大的进展，但要打印出具有复杂图案的全彩色三维物体仍然相当困难。这使得本来面向个性化定制的3D打印，在花纹、颜色实现方面始终“个性”不起来。

而且，尽管目前一些工业级3D打印机能够支持彩色打印，但设备价格非常昂贵，且打印成本高、速度慢，另外还受限于塑料和石膏等极少的材料。“我们希望能通过计算手段，去解决三维打印生产环节中的瓶颈问题，让原来很困难的事情变得简单。”周昆说。

在一项和美国哥伦比亚大学合作的课题中，周昆团队对传统水转印技术进行了“升级换代”，提出了全新的计算水转印技术，解决了为三维物体进行精确上色的难题。“水转印是当前在工业上被广泛应用的曲面上色技术，但只能用于对精确性没有要求的上色任务，比如迷彩、大理石等纹理。我们通过计算机图形学和计算机视觉技术，让水转印能够‘瞄准’，可以为三维物体穿上任意设计的彩色‘外衣’。”周昆说。

全新计算水转印刷技术

那么，这件“外衣”如何实现呢？一个核心的科学问题是，需要计算机将三维设计稿“降维”成一个二维的“展开图”。课题组在国际上第一次对水转印过程中水转印薄膜的形变进行了物理建模，得到了三维设计图与膜上的每一个点的映射关系。在这一理论基础上，课题组开发出一套用于实际着色的自动原理样机。

课题组成员、博士研究生张译中对打印全程作了演示。设计师在电脑上完成一张人脸的3D纹样设计后，课题组开发的软件会快速计算生成一个二维“展开图”。之后，普通喷墨打印机就打印出一张印有“展开图”的水转印薄膜，这种水转印薄膜的造价低，也很常见。将薄膜放在静止的水面上，将需要上色的人脸模型缓缓浸入水中，神奇的现象发生了：薄膜灵巧地逐渐包裹住了人脸模型，没有一处发生皱裂。颜料完美附着，每一个图案细节都和设计图一一对应，丝毫不差。“通俗的说，这像是一种完美精确的自动‘贴膜’。”周昆说。

对于更为复杂的物体，课题组还设计了巧妙的多次上色方法来保证物体表面上每一处都被着色，同时不会发生叠色现象。

1.2 让3D打印不再“黯然失色”

斑马、豹子、人脸面具、茶杯、汽车、地球仪……在浙大计算机辅助设计与图形学国家重点实验室，记者看到了许多经计算水转印技术上色的3D模型。它们有的是木制的，有的则是陶瓷的，有的是塑料的。据了解，这项计算水转印技术的适用材料范围极广：金属、塑料、木头、陶瓷、橡胶“通吃”。

全新计算水转印刷技术

“这个发明很赞！”浙大机械与工程学院副教授、长期从事3D打印装备研发的贺永说，“我们一直觉得复杂的颜色和纹理是3D打印几乎无法突破的局限，周昆的这项发明，正好用在这方面。”

据了解，该成果相关论文已被国际计算机图形学界的顶级会议ACM SIGGRAPH录用，今年8月初，课题组将赴美国洛杉矶作大会论文报告。该会议每年只录用100余篇来自世界各国的论文。

1.3 开启更大想象空间

虽说这项发明的出发点是解决3D打印“黯然失色”的难题，但实际上它的应用范围其实超越了3D打印的范畴，可以面向任意三维物体,即使这些物体不是3D打印制造出来的。

目前，三维打印机厂商、摩托车制造商、体育用品制造商等许多知名制造企业已纷纷“闻风而动”，陆续找到周昆课题组希望应用该技术。“个性化制造是工业4.0的核心要素之一，这些企业希望能开发出个性化的、可定制的产品从而赢得更大市场，这项发明正好能实现他们的期望。”周昆说，“这将是信息化和工业化深度融合，实现智能制造的一个范例。”

“从更深层次说，这项技术的本质是如何将三维数字化模型表面上的一个点，精确对应到其物理模型表面上的点。”周昆认为，有了这种从虚拟世界到物理世界的对应关系，未来的技术开发将有更大的想象空间。“着色，也许只是其中的一项应用。”

本文转载于《中国科学报》 (2015-07-02 第4版综合)

1.4 个人理解：

对于目前的新新人类、非主流、杀马特来说，经常会看到他/她们充满个性化的装饰或者纹身等，如果能操作更简单，那么普通消费市场空间会更大。

2. Researchers found a way to make 3D printing look hyper-realistic

mashable原文报道：http://mashable.com/2015/05/15/3d-printed-painting/

沪江英语翻译： http://www.hjenglish.com/new/p731045/

Most 3D-printed objects currently come in a variety of exciting monochromatic colors. You’ve got red, white, blue and, if you’re really lucky, a mix of two colors. And while the objects may have a great deal of detail, the surface will be bland.

全新计算水转印刷技术

现在大多数3D打印成品都是各种各样的单色。有红的，白的，蓝的，如果运气好，还有双色的。虽然成品能体现各种各样的细节，但是表面仍然没有做到栩栩如生。

Now, researchers have found a way to precisely affix complex coloring to objects, making them look somewhat photo-real (and perhaps a bit creepy).

现在，研究者们找到了一种可以对打印成品精准上色的方法。这种方法能够使得上色对象看起来活灵活现(也许看起来还有点毛骨悚然)。

The method, developed by a pair of teams at Zhejiang University and Columbia University, is called computational hydrographic printing. Hydrographic printing is not new; mass manufacturers use it to add repeating patterns to cheaply manufactured objects. It involves a vat of water and thin, pre-printed film, which is sprayed with a softening agent. The object is lowered into water and presses against the film, which stretches to wrap itself around every contour of the object. When the object is removed, it looks as if the pattern was part of the 3D-printing process.

这项技术由浙江大学和哥伦比亚大学的研究小组开发，称为“计算机水纹印刷”。水纹印刷并非是一项新技术。已经有许多制造商利用水纹印刷对廉价成品进行重复花纹的上色。整个过程需要在水槽中完成，上面有预制好的胶片，胶片上面喷印了一层柔软的试剂。需要着色的物体之后慢慢浸入水中，对着胶片按压，使得胶片能够完全包裹物体。

According to researchers, it’s nearly impossible to precisely match the object with the film, hence why they usually use repeating patterns — so no one would notice if anything is out of alignment.

研究者表示，胶片要和待着色物体完全吻合是不太可能的，这也是制造商都使用重复花纹的原因——这样如果有什么地方没合上，也没人会发现。

The researchers realized that if they could use the 3D scan of the original object and pre-dip it into a simulated bucket of water and thin-printed film, they could figure out how to position and align more complex prints with objects. However, that simulation can’t be run without first using a modified hydrographic printing rig, which is comprised of a vertical, motorized aluminum arm and gripper that moves up and down at 5mm per second, along with a Microsoft Kinect 3D image mapping device.

研究者认识到，如果能获取原始对象的3D扫描件，然后事先浸入一个模拟的水箱和薄型胶片，那么他们便可以知道如何把复杂的图案贴合物体。但是，这种模拟如果不改良现有的水纹打印装置，是无法运行的。改良后的水纹打印装置的构成是这样的：有一只垂直的铝制电动臂，还要有一个每秒上下活动5毫米的爪子，同事还要搭配Microsoft Kinect 3D成像设备。

The Kinect’s role is crucial. Once researchers have put the object in the gripper, it measures its exact position and orientation in relation to where the 3D film will be placed. It’s not until that information has been collected that the researchers can print the film on a standard inkjet printer, which will then include the necessary image deformations and account for the image stretch that will occur during the dip — ones that will make the final melded object look just right.

Kinect的角色至关重要。当研究者把扫描对象放在爪子中，根据三维胶片的位置，装置就可以测量扫描对象的确切位置和方向。直到信息搜集完毕，研究者才能把胶片放在一个标准的喷墨打印机上，用以处理图像变形以供在浸入时的图像拉伸。

In a video announcing the breakthrough, the Zhejiang University and Columbia University teams show off a printed tiger mask, zebra, single dip-globe and a 3D-printed cat. For the cat, the team performed three dips to wrap the initially monochrome kitten in a photo-realistic skin. The result has that uncanny valley problem of looking almost real, but not quite.

在一段宣布这项突破的视频中，浙江大学和哥伦比亚的研究团队展示了老虎面具，斑马，猫等成品。关于这只猫，研究团队演示了三次浸入的方法，把原来单色的小猫包裹上了极具真实感的皮肤。最终的效果看起来可以乱真，但是并不完美。

There are some limitations. Researchers note that they cannot easily cover objects featuring highly concave surfaces or any surface that might be hidden from view or scanning. Color blending and precision is also a bit of a challenge, and when the film stretches out significantly, some color can become lighter than the original color.

当然也存在一些局限，研究者表示，他们不能很轻易给有巨大凹面或者扫描不到的地方着色。颜色的混合和精度也是一项挑战，当胶片被拉伸过度的时候，有一些颜色也要比原色更浅一些。

Even with those limitations, this relatively simple method for adding complex patterns and photo-real imagery to monochromatic 3D-printed objects shows promise. One can imagine someone scanning and printing a lifelike 3D model of a person’s head, then using a high-res photograph to print out a face and sides, top and back of the head. Multiple computationally guided dips would then create a truly scary bust.

尽管有着各种局限，但是对于把复杂图案和现实照片加到单色三维物体，这种方法还是很有前景的。我们可以想象：当你扫描并且打印了一个人的三维头部模型，然后把高分辨率的照片印到脸部和侧面，还有顶部和后部。通过多次计算机导航浸入印刷可以制作出一个真正让人惊悚的东西。

参考资料

【1】 http://www.cs.columbia.edu/cg/hydrographics/

【2】 http://kunzhou.net/#hydrographics

【3】 http://www.gaps-zju.org/hydrographics/index.html

【4】Paper下载： [SIGGRAPH 2015] Computational Hydrographic Printing

【5】专利下载：发明专利申请公开说明书CN201510053975.5 一种可计算的三维彩色印刷方法

【5】人民日报： http://edu.people.com.cn/n/2015/0623/c1006-27190971.html （ 2015年06月23日 12 版）

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