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用光学扫描数字化地描述物理对象正变得越来越流行。不久前，扫描指的是将一份纸质打印文档或者照片变成一个数字文档。如今，人们可以扫描建筑项目中的建筑物正面，或使用核磁共振扫描疼痛的肘部以找到扭伤的韧带。
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扫描数据通过一组三维坐标描绘物理世界的形状和规模。扫描数据介于实体建模软件设计的原始形状和曲面建模软件中包装数字对象的虚拟网格之间。试想如果你把胶水浇到自己身上，然后在一大堆五彩纸屑中翻滚，结果会怎么样。当你站起来时，纸屑会粘满全身，你的身体牢牢地粘着密集的五彩纸屑。
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假如有人看到这一场面会认真耐心地记录粘在你身体表面的每张五彩纸屑的精确位置。也许第一次尝试时他会耐心地采用描述的方法记录下每个纸屑的位置，例如“鼻尖上有一个红色的纸屑”。按照这种方式辛辛苦苦记录下来后，记录者会发现一种隐藏在五彩颜色背后的更高效的纸屑位置记录方法：根据其在空间的精确位置或依据x、y和z坐标快速记下每张小纸屑的位置。
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这从本质上解释了扫描仪如何捕捉物体（如数字纸屑的表面涂层）的物理特点。每个数字纸屑代表了一个数据点。每个数据点包含三维空间中每一个小点在你身体表面的位置信息，以x、y和z坐标的方式记录。
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粘在我们身体表面的数字纸屑也可以称作“点云”。大多数扫描仪数字化地采集点云，然后将数据反馈给计算机。扫描后的数据会被上传给设计软件，为了解收集的位置坐标信息，设计软件通过一系列快速计算将点云转换成表面网格，有时会计算丢失的数据点来填充表面空缺。
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3D打印和点云简直是天作之合。扫描数据开辟了设计新领域，并释放出3D打印的巨大潜力。对于没有设计文件的对象来说，扫描对于捕捉其几何形状是有用的，例如天然的物体（如植物、动物、人、解剖模型）以及无生命的物体（如石头甚至风景）。当原始的CAD文件不可用或者根本不存在时（如考古对象和破碎的部件），扫描对于捕捉合成对象的形状也是有用的。
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在我看来，扫描数据是跨越模拟物理世界和二进制数字世界鸿沟的桥梁。原件与副本、受版权保护的对象与衍生作品之间的界线已逐渐模糊，扫描和复制的物理对象就处于这个灰色区域。一旦设计文件捕捉了扫描数据，这些数据就可以被编辑、复制和复印了。
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总有一天，我们编辑物理世界变得像编辑数码照片一样容易。
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图6–3 点云数据和相应的表面网格
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图片来源：Ligang Liu, Zhejiang University, China
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瓶颈在于计算能力以及缺乏足够智能的算法填充空白以完善数字点云的细节。计算机并不一定了解它扫描的内容，所以你不能只扫描一个花瓶然后要求计算机将花瓶的瓶壁做得更厚一点儿，因为计算机不知道哪里是瓶壁以及哪个方向需要“更厚一点儿”。与其他的数字化软件工具一样，光学扫描的数据不能捕捉一个物体的内部结构。光学扫描数据像其他数字化软件工具一样不能捕捉物体的内部。目前改进的医疗成像技术，如CT（电子计算机X射线断层扫描技术）扫描仪、核磁共振成像和超声波检查，正在改变这种情况。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398798]
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设计软件的未来
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现代软件设计仍然不能摆脱它的起源—它最先在制造业和动画领域使用，这些领域最近才开始关注3D打印。具有讽刺意味的是，同样的设计工具（旨在处理有限的计算能力以及节省时间、金钱和提高知识转移）对能够3D打印的对象仍然存在限制。其结果是设计文件没有描绘物理对象的内部细节（至少没有很多额外的自定义工作），设计软件也没有图形化地建模以及预测不同材料的复杂混合。
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例如，实体建模软件的标准程序库中的原始形状不能被编辑成不规则几何形状。可是3D打印机却可以制造出传统制造机器无法生产的独特的不规则形状。因此，很大的设计潜力有待挖掘。实体建模软件无法满足新的、大量未开发的设计空间的需求。随着3D打印技术的不断提高，传统的实体建模这个有用但有些简单的设计工具将会过时。
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动画师和视频游戏设计师使用的曲面建模软件具有与实体建模软件类似的局限，即缺乏描述对象内部的设计数据。如果你设计并尝试3D打印出一个外形精巧并带有生动有趣图案的多彩茶壶，打印出的茶壶其外表看起来可能棒极了，但却没有实用性。因为你的设计文件没有指定茶壶内腔的形状，壶嘴也不是空心的，盖子也无法严丝合缝地盖上，你的3D打印茶壶没有任何内部结构、无法使用。
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即使是精心设计的最详细的3D图形设计也不能引导3D打印机打印出曲面下面的对象。想想曲面建模软件的起源，就可以理解为什么存在这种限制了。卡通动画师从来不需要3D打印他们的“设计文件”。一些专门的软件就能“辨别”曲面下面的形状，并且可以补充丢失的细节，但这个过程往往容易导致错误和失败。
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打印出物体内部只是其中一个挑战，另一个挑战是3D打印技术能够制造非常复杂的物体，而设计这些物体涉及的数据点超过了如今计算机的处理能力。例如，设计和3D打印一件由上百万混合塑料（硬塑料和软塑料）精细衔接而制成的衬衫，打印出的面料质地恰恰符合你的身体。
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采用了实体建模程序，你会发现定义一个单环的锁甲又快又简单。然而，制作以及环环相扣上百万个这样的小环将极其烦琐和费时。如果你为每个特定的锁甲的连接处指定一种塑料，计算机系统将崩溃。即使计算机可以跟踪使用所有类型的塑料，当今任何传统设计工具也不能3D建模你所完成的锁甲设计。
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图6–4 手部CT扫描
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注：这只手是直接3D打印的，无须将扫描数据转换成表面网格或STL文件。
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图片来源：Daniel Dikovsky, Objet Inc.
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