3D工业的发展现况全方位探索分析

        举凡游戏动画、工业设计、电脑辅助分析、快速检测、建筑设计、电子商务、虚拟实境、数位典藏、医学应用、齿模应用，考古研究等，均以3D为发展重点，甚至还有相关3D硬体的需求，例如3D滑鼠，3D萤幕等，都如雨后春笋般冒出，因此在产业发展过程中， 3D已经成为一项关注议题。

    近年来，资讯工业普及与电脑效能提升，3D数位模型应用已经从军事航太领域的研究应用，发展到汽车工业的设计製造用途(如模具製造、CAD/CAM)，并推广到电脑图像(CG)应用，甚至人们的日常生活。

    3D数位模型技术，在90年代后期，开启了媒体(Media)发展过程中，继声音(Sound)、影像(Image)与录像(Video)后的第四波革命－Geometry。详言之，所谓的Geometry，其实说穿了，就是3D数位模型，加上3D扫描技术的快速发展与逆向工程设计技术的日益成熟，3D已用不同的风貌与特色应用到各个相关领域，逐渐形成的崭新的3D工业。

    CG或是CAD设计软体提供的建模方法不尽相同，常见的有Polygon建模、NURBS建模、细分割(Subdivision)等。若题材须与他人讨论或模型较複杂(甚至须多人分工)，一般作法是先绘製此3D模型的平面图或利用黏土进行立体雕塑，再以此平面图或立体雕塑作为建构3D模型的依据；若题材较自由、简单，或已有相似3D模型在3D资料库中，建模设计师亦可直接在3D软体中直接建构或编修3D模型。

    崭新的数位投影技术可以满足高速的量测工作，1至2秒的资料撷取程序在容易震动的恶劣工厂环境下量测时，无疑是一项优势。系统可以支援64位元作业系统的PC电脑硬体，使得量测资料的输出处理工作能够极快地完成。

    单镜头专利技术保证了最高的资料品质，对于複杂的表面几何形状(凹状，凸状，桥形等等)都没有困难，也就是在两个局部重叠的图片间不会出现同步错误，也没有阴影效果的误差。单镜头的原理如同开枪射击时使用单眼瞄准的概念，量测结果十分精准。对于资料的叠合方式，该系统提供了自动转盘叠合对位，贴点叠合对位，特徵叠合对位等方式。　

    强大稳定性的机械结构与刚性极佳的机身梁柱，都是採用经过FEM模拟计算分析考虑的设计，如同专为数位照相光学量测系统开发的光学技术，将是为了确保最高的量测精准度。此外，大功率的外部水银光源透过光学纤维传送的设计，所以热能造成的影响可以排除，可以进一步地增进系统温度的稳定。该系统因此确保了高精准度量测结果的高重现性。

    只要几个步骤以及几分钟的时间，使用者就可以将各种系统(1.4/2/4/11百万点/每次取像)设定成一个全新的测量场，从50mm，100mm，200mm，400mm到800mm的取像范围，加上系统容易使用各种不同的三脚架进行架设，也不用考虑传统电脑配置的需求，该系统可以在标准的笔记型电脑上执行。因此非常适合到处移动使用。不论物件的尺寸大小或是位置，甚至是週遭的环境情形，使用者可以很容易将系统运送到目前的量测地点并为现有的工作进行客制化处理。

    位于照相量测系统与电脑之间的资料传送主要是由CAN bus与GigaBit乙太网路来执行处理。这将在工业环境下确保设备的可靠度。附加的自我诊断功能选项，可以确保照相量测系统的功能性。为了确保量测过程的最大效率，量测软体可以额外地透过选购的摇控工具(tablet PC, WLAN)来进行远端控制。

    结合了经过验证的单镜头技术与最新研发出的数位投影技术，确保了高速的量测工作具有优质的资料品质。智慧型的点群删减功能具有快速撷取并处理大笔点群且不会有资料损失的优势。STL的输出演算也能保持最完徵特徵。数位照相光学量测系统经过VDI 2634认证，且能够快速且精准地完成所有的量测工作，此外也很适合在生产线旁胜任品质管制工作。

    3D数位扫描得到的3D模型，不一定完全符合各领域的需求，一般而言，资料后处理软体包含检视、编修与格式转换3大部分。

    A、检视：提供浏览3D模型的环境，为3D软体的基本功能。透过检视功能，使用者可了解3D模型的组成与状态。一般而言，检视的对象可分为模型与贴图2部分。

    (1)检视模型：检视模型的方式包括改变观察者观察模型的视角、改变模型在空间中的位置，与切换模型架构(如点、网格、贴图实体)等。

    (2)检视贴图：若3D模型包含贴图档，则可检视3D模型的贴图档。若为网格模型，可检视网格在贴图上的分布。

    B、编修：编修3D数位扫描得到的模型，应用至各领域前，须针对各领域的需求，编修3D模型。相对于检视功能而言，编修功能可改变3D模型的本质。改变的对象亦可分为模型与贴图2部分。

    (1)编修模型：在逆向工程软体中，著重3D资料处理，包括排序、重组、平滑化、补洞、叠合等功能；在3D动画软体中，则强调模型的可塑变形。经扫描得到的3D模型常以较多的网格来表现模型的精细度，但多媒体与网际网路等3D应用领域，因考量网路传输与3D引擎执行速度，要求3D模型以最少网格数表现3D模型，因此网格减化功能(Polygon Decimation)是3D模型应用至此些领域前，必要的处理流程。

    (2)编修贴图：扫描过程中，由于环境光源的不稳定，或环境光源与物体形状产生遮蔽效应，造成两相片间的亮度差距过大。两相片间亮度差距愈大，3D模型上的贴图接缝就愈明显。此点在开放式的扫描系统尤其严重。常见的解决方法有混成贴图(Blend Texture)或3D绘图(3D Paint)功能。

    C、格式转换：将3D模型转换为他种架构，并透过标准的3D格式汇出至他种应用软体。例如转换模型架构：常见的有云点网格化、网格架构转换为NURBS曲线／曲面，或NURBS曲线／曲面转换为网格等。

    3D数位扫描的立体输出

    FDM 熔融挤製成型(Fused Deposition Modeling)技术是採用类似射出成型的原理与概念，可应用在办公室型工程材料快速原型系统中。FDM技术利用耐衝击的ABS polycarbonate(PC聚碳酸酯)，耐高温的polyphenylsulfone (PPSF纤维聚合物)以及其他材料成型。

    这些热塑性材料受到挤压，通过预热的喷嘴而成为半熔融状态的细丝，藉由沉积在层层堆叠基础上的方式，依据3D CAD资料直接建构原型。该技术通常应用于概念设计，零件塑型，装配确认以及各种实际运作的功能性测试，也就是所谓的Working Sample实作，并非纯粹有外观确认的Mockup。此外，FDM技术非常擅长于应用在少量製造与快速製造(RM)，还有应用在汽车零件的检治具设计以及常温模具应用。

    例如翻沙铸造模具，吹瓶模具，射蜡模具，以及塑胶模具等。所以，FDM技术的材料物理性质稳定，成型过程只有物理变化，所以尺寸精准不变形，与塑胶成品相同，比起其他使用热固性树脂材料的快速原型技术，更适合应用在产品开发製程中，进行功能性原型测试。

    虚拟雕刻设计系统是由3种元素所构成，硬体介面「PHANTOM」看似1个具有精巧机械手臂加上1支雕刻笔的机器。韧体介面「GHOST」就像是「触控」引擎，如同大脑的神经反应，它可以经由複杂的计算，处理由简单到高阶的触控运算，例如座标位置、摩擦力和硬度等，再由「PHANTOM」硬体介面输出回馈力量。

    最后应用软体则将使用者所用的力道、移动位置、硬体输出的力量做结合，把运算结果反应到萤幕上虚拟黏土的变化，简单得说就如同雕塑实际的黏土简单，所不同的是结果呈现在电脑萤幕上。带给使用者更有效、更精确以及更有趣的工作体验。应用产品的造型设计，生物特徵设计，珠宝设计，化妆品容器浮雕，立体纹路等等。

    将前文介绍的3D数位模型，应用至各种领域：工业设计(ID)、3D网站(Web3D)、游戏动画(Animation)、数位典藏(Preservation)等。透过这些实例，让读者了解3D模型应用至各领域的处理流程。

    (A)应用于工业设计ID：本例结合3D扫描可得到3D网格模型，利用切层功能(Section Curve)，得到模型的剖面轮廓线，将轮廓线转为NURBS 曲线，并汇出为IGES的线格式，然后利用3D建模等技术，重建NURBS曲面模型，可应用于工业设计领域。

    (B)应用于电脑辅助检测：本例结合3D扫描与检测比对软体，提供给使用者针对非接触扫描的CAD/量测资料组进行比对的完整功能。该CAD/量测资料进行比对可以立即在线上或是稍候任何时间上执行。量测结果提供使用者有价值的基本资讯，可以发挥在各种应用范围中，例如模具设定上可能的修正，或是针对模具局部的磨损范围也许需要进行重建。具有广泛性的比对方式(例如，使用使用者自订的误差彩色图进行曲面比对，使用针式图解进行剖断面与边界线的比对)，将可提供成为一个高效率的工具作为品质管控，且容易使用。

    在多种可利用的叠合定位方式中，针对全自动叠合对位方式的额外功能，可让使用者在检测方面节省下宝贵时间，尤其在连续性量测或是自动化程序应用上特别容易使用。任何检测比对程序都可以使用”使用者定义Visual Basic巨集”的方式做成自动化流程。