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3D打印：从想象到现实 [:1700398796]
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绘制屏幕上的字符：3D计算机图形软件
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如果说实体建模适用于工程师的话，那么曲面建模设计软件则在动画师和插画师中生根发芽。曲面建模软件起源于娱乐界，包括卡通、电影和视频游戏产业。如今，科学家们使用3D建模软件创建DNA（脱氧核糖核酸）结构或化学合成物质的模型。建筑师和园艺师设计精美的模型卖给潜在客户。
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如果说一台计算机需要x、y和z的位置坐标跟踪一个物体的形状，那么它是如何成功捕捉动画人物或复杂分子的细节呢？曲面建模通过数字化“包装”由规则的多边形构成的虚拟网捕捉世界。曲面建模有时也被称为“多边形建模”，组成虚拟网的每个多边形都对应着虚拟网格上的一个数据点。
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每个数据点由设计软件存储，以便于设计师使用。如今，大多数3D模型采用三角形的表面网格来构建，因为这种结构很灵活，而且计算机易于处理这种信息。无论曲形图层表面如何精细，三角形终究是平面的，而不是曲面的。
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曲面建模软件的伟大之处在于它可以描绘宇宙的多样性。曲面建模软件可以描绘出电影和视频游戏中美丽的虚幻世界。摆脱了原始的块状和球状的限制，曲面建模关注的是如何表现曲面的表层活动，而不是机器零件如何组装到一起，因而，曲面建模软件是平面设计师的白板。在此基础上，艺术家可以进一步增添更多的细节，如光泽的表面、纹理、逼真的皮肤和头发以及一望无际的荒野。
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但是，曲面建模软件也有它自己的负担。图形动画需要在屏幕上顺畅地移动，看起来逼真。如果光线照在一个人物上，光线就必须随着人物的动作而流动。背景必须以正确的速度通过。跟踪这些微小细节的过程被称为“渲染”。
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高速渲染可以带来高度逼真的视频图像。渲染依靠内置在设计软件中形成实时移动的算法。在运行高速渲染时，曲面建模软件极大地耗费计算机资源。用曲面建模软件创建3D打印设计是可行的（例如，3D打印视频游戏中的虚拟化身是一个很流行的应用）。然而，正如我们前面提到的，只打印表面形状是不够的。为了适应曲面建模，3D打印设计还需要采取一些额外的步骤。
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在现实中，大多数现代化的设计工具都既可以做实体建模，也可以做曲面建模。通过生成设计物体的虚拟网格，可以轻易将实体建模转换成曲面建模。但是从虚拟网格转换成实体建模仍极具挑战性。就像从音符转换成MP3（一种音频压缩技术）声音文件是比较容易的，但反过来却很难。科学界已经花费了很长时间试图解决这个问题，但它在计算方面仍然是一个难以攻克的命题。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398797]
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编辑物理世界就像编辑照片一样
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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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