[科普中國]-透光浮雕

透光浮雕作為一種新興的雕塑形式，由于其形式新奇，畫面古樸，成像層次感強(qiáng)烈等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的喜愛。

透光浮雕是雕塑的一種形式，通過可見光的照射后，透光浮雕便可以展現(xiàn)出豐富多樣的畫面，具有很強(qiáng)的藝術(shù)表現(xiàn)力，能夠很好地保持三維物體在某個(gè)觀測角度上所觀察到的外形輪廓和視覺效果。

簡介透光浮雕（lithophane）是浮雕的一種，是在半透明工件上印刷立體圖像，然后透過背光呈現(xiàn)圖像。

傳統(tǒng)的浮雕加工是由能工巧匠根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)作完成，產(chǎn)品單一，數(shù)量少。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，浮雕利用軟件平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)作， 配合數(shù)控雕刻系統(tǒng)完成產(chǎn)品加工，可以批量化生產(chǎn)。但這種方法無法滿足人們個(gè)性化、快速單件生產(chǎn)的需求。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助CAD/CAM軟件來設(shè)計(jì)個(gè)性化浮雕， 并與3D打印技術(shù)結(jié)合，可有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)周期。本文借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)和 3D 打印技術(shù)來探討如何根據(jù)用戶的需求制作出用戶滿意的透光浮雕產(chǎn)品。

透光浮雕成像原理將光源置于工件的背面照射工件，板上越薄的地方透過的光越多，較厚的區(qū)域則透過的光越少，工件上壁厚與亮度成反比，人眼通過對光線多少（也就是明暗）的感知和對比，在人腦中自動(dòng)構(gòu)建出物品的立體圖像的。 人們利用不同厚度透光率不一樣，通過不同的設(shè)計(jì)， 最終就能展示出栩栩如生的三維立體效果，具有很強(qiáng)的藝術(shù)表現(xiàn)力，非常適合制作藝術(shù)作品1。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀透光浮雕作為浮雕中的一個(gè)新興門類，相關(guān)的技術(shù)還未成熟，可作為參考的是與透光浮雕相近的淺浮雕設(shè)計(jì)方法，淺浮雕領(lǐng)域在細(xì)節(jié)保留方面的算法可應(yīng)用于透光浮雕當(dāng)中。

當(dāng)前，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行浮雕建模的方法主要包含基于二維圖像生成淺浮雕模型和基于三維幾何模型生成淺浮雕兩種方法。其中基于二維圖像生成淺浮雕的方法有如下方式2：

Gastal等制定了最早的浮雕模型構(gòu)建方法，首次提出了亮度映射函數(shù)，基于亮度映射關(guān)系提出了基于自陰影重建形狀的模型構(gòu)建函數(shù)。在Gastal研究的基礎(chǔ)之上，Zeng利用人機(jī)交互的方式，利用人類習(xí)得的常識知識解決了淺浮雕在構(gòu)建過程中存在的二義性問題，大大減少了模型生成錯(cuò)誤的情況，但是這種方法對于具有復(fù)雜顏色或者雜亂紋理圖像的處理具有較大的難度。Taka-yama3針對彩色圖像處理困難的情況，重新提出了一種“風(fēng)格化”的圖像高度處理方式，通過這種方式可以簡單的將具有復(fù)雜顏色的圖像處理成為具有不同高度的淺浮雕模型，但是這種方式會(huì)造成生成的模型丟失原圖像大量的細(xì)節(jié)信息。Li等4提出了一種針對中國傳統(tǒng)的畫像磚和畫像石風(fēng)格的淺浮雕生成方法，該方法主要是通過提取圖像的骨架信息來計(jì)算模型各點(diǎn)的高度情況，這種方法對于輪廓清晰的浮雕重建具有較好生成效果。Zeng 等5在原來人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，重新提出了另一種新的淺浮雕的生成方法，該方法首先通過對輸入的圖像進(jìn)行分區(qū)識別，根據(jù)圖像特征點(diǎn)的特點(diǎn)，將整個(gè)輸入圖像劃分為不同的區(qū)，然后根據(jù)劃分的區(qū)域所具有的相對高度信息，將不同的區(qū)域再次劃分到不同的高度層上，這樣就實(shí)現(xiàn)了將模型原本的深度信息最大程度映射到了模型的高度上，可以很好地保持原模型的層次信息，但這種方法也需要進(jìn)行大量的人機(jī)交互來確定不同區(qū)域的特征信息，增加了人工操作的成本，并且這種方法也無法從根本上解決普通圖片缺少景深信息的缺點(diǎn)。

基于三維模型的方法主要是基于對三維幾何模型在給定視覺方向上進(jìn)行深度壓縮，是近年來生成浮雕的一種新方法。

早在 1997 年Cignoni等6就對三維模型的浮雕生成算法進(jìn)行了深入的探索，研究表明浮雕和繪畫中的透視法具有相同的特性，即遠(yuǎn)處的景物小，近處的景物大的特性，基于這樣的特征，Cignoni 提出了一種通過對三維模型進(jìn)行單一方向投影后對深度信息進(jìn)行線性壓縮，并使用壓縮后的深度值作為高度來生成相對應(yīng)的浮雕模型的方法。使用這種方法，當(dāng)整體的圖像深度差異較大時(shí)，則存在在某個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)被大量壓縮的現(xiàn)象，這樣就會(huì)造成在該深度區(qū)間的模型信息會(huì)大量丟失，使得最后生成的模型細(xì)節(jié)丟失。為了解決這個(gè)問題，Cignoni基于Poisson方程對模型的深度梯度進(jìn)行壓縮，這樣就避免了對深度信息的直接壓縮，有效的防止細(xì)節(jié)信息的丟失，壓縮完成后，再次通過Poisson方程求解就能獲得壓縮后的模型深度信息，完成三維模型到浮雕模型的轉(zhuǎn)化。Weyrich等對梯度采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行非線性壓縮，并提出將梯度值分成多個(gè)頻率來進(jìn)行壓縮處理；Kerber等對梯度實(shí)施變換和特征增強(qiáng)后也采用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行壓縮；Song等沒有采用梯度，而是對網(wǎng)格的“顯著特征”（mesh saliency）進(jìn)行壓縮并建立類似的 Poisson 方程，“顯著特征”是平均曲率高斯函數(shù)的卷積，對模型的特征有一定的增強(qiáng)作用，但同時(shí)會(huì)引起浮雕的局部變形。

透光浮雕加工成型方法當(dāng)前透光浮雕的主要加工手段主要有兩種方式：一是工人師傅在瑪瑙、玉石等半透明材質(zhì)上雕刻出浮雕所需要的形象，來展現(xiàn)光影形象；二是根據(jù)設(shè)計(jì)好的二維圖形或圖像利用Photo Shop、CAD等工具對圖像加工成反色圖像或者STL文件，然后放入到cure等3D打印機(jī)專用切片工具來切片生成相關(guān)Gcode指令，再利用3D打印機(jī)打印生成相對應(yīng)的浮雕作品。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)