馬鑫

鄭州輕工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450002

0 引言

近年來，隨著我國人口紅利的逐步消失，制造業(yè)必然要向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，陶瓷行業(yè)亦然[1]?？梢悦鞔_的是，受諸多因素影響，中國陶瓷生產(chǎn)模式的發(fā)展方向類似于西班牙、意大利的生產(chǎn)模式,即保留一些特色的、高附加值的、自動(dòng)化水平高的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)，而一些低附加值的、自動(dòng)化水平低的產(chǎn)品生產(chǎn)則會(huì)慢慢轉(zhuǎn)移到其他落后地區(qū)和國家。因此對(duì)具有高附加值產(chǎn)品特性的藝術(shù)化陶瓷制品的開發(fā)，已然形成重點(diǎn)發(fā)展之勢(shì)。

目前，消費(fèi)者對(duì)傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的藝術(shù)陶瓷器具外形已逐漸產(chǎn)生審美疲勞，陶瓷市場(chǎng)開始涌現(xiàn)出越來越多形態(tài)各異的藝術(shù)化陶瓷品，它們通過多變的藝術(shù)造型可以更好地滿足受眾的審美消費(fèi)需求。由于我國的藝術(shù)化陶瓷生產(chǎn)模式在過去較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都以手工制作為主，這些曲面設(shè)計(jì)復(fù)雜的陶瓷器具在制造過程中往往存在周期長(zhǎng)、工作量大、偏差大、成本高等問題。如何從設(shè)計(jì)源頭介入，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本是藝術(shù)陶瓷產(chǎn)業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)[2]。

人工智能推進(jìn)著創(chuàng)新設(shè)計(jì)的發(fā)展，其中三維重構(gòu)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)中的熱門研究方向，發(fā)展迅猛，并已應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療診斷、自動(dòng)駕駛等多個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，利用逆向設(shè)計(jì)將重構(gòu)生成的三維模型形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化重塑，即可快速達(dá)成設(shè)計(jì)目的。張?jiān)降萚3]采用結(jié)構(gòu)光三維掃描儀獲取目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并基于點(diǎn)云距離提取特征信息，將其作為曲面重建的基礎(chǔ)，結(jié)合泊松曲面重建算法，得到植物葉片的三維重構(gòu)結(jié)果，但重構(gòu)結(jié)構(gòu)精度較低；苗繪翠等[4]提出了一種基于光度立體技術(shù)的改進(jìn)算法來估算物體表面的反照率和三維形狀，但是該方法不適用于圖像陰影面積較大的物體；郭偉青等[5]結(jié)合單目全景成像機(jī)理和二次雙曲面鏡，提出了一種單目全景立體感知三維重構(gòu)方法，但該方法重構(gòu)效率較低，難以推廣應(yīng)用；王理想等[6]采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)三維重構(gòu)算法，通過三維圖像數(shù)據(jù)解析和處理，構(gòu)建圖像三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，提升圖像統(tǒng)計(jì)信息表達(dá)能力，圖像重構(gòu)精度高于97%。

藝術(shù)陶瓷異形外曲面的曲度、痕跡等細(xì)節(jié)豐富，對(duì)于三維重構(gòu)結(jié)果的表達(dá)準(zhǔn)確性要求較高，而國內(nèi)對(duì)于三維重構(gòu)在藝術(shù)陶瓷設(shè)計(jì)領(lǐng)域的實(shí)踐研究幾近空白。鑒于此，本文以藝術(shù)陶瓷異形外曲面為研究對(duì)象，基于王理想等[6]的研究方法，提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維重構(gòu)方案，探討藝術(shù)陶瓷品異形外曲面三維重構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性，探索藝術(shù)陶瓷模型設(shè)計(jì)的新方法，促進(jìn)藝術(shù)陶瓷的產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展。

1 三維重構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本文以Visual C++可視化軟件和VTK三維圖像處理軟件作為三維圖像重構(gòu)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，利用具有自帶標(biāo)定功能的相機(jī)采集目標(biāo)物體三維信息，通過面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)計(jì)算空間物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)[7]，在全卷積網(wǎng)絡(luò)輸入層、卷積層、激活層等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的共同作用下，完成藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像的自動(dòng)分割，應(yīng)用包圍盒法三維重構(gòu)出虛擬現(xiàn)實(shí)的藝術(shù)陶瓷異形外曲面。藝術(shù)陶瓷異形外曲面三維重構(gòu)方案流程圖如圖1所示。

圖1 藝術(shù)陶瓷異形外曲面三維重構(gòu)方案流程圖Fig.1 3D reconstruction flow chart of special-shaped outer surface of artistic ceramics

1.1 外曲面圖像采集

采集目標(biāo)物體三維信息的相機(jī)布置方式一般有兩種，即平行光軸布置和立體視覺匯聚布置(見圖2)。針對(duì)藝術(shù)陶瓷品異形外曲面的復(fù)雜情況，本文采用立體視覺匯聚布置方式，用三腳架固定自帶標(biāo)定功能的相機(jī)，調(diào)整合適的相機(jī)高度和焦距，可以在接近匯聚點(diǎn)位置獲得更好的深度分辨率，獲取的陶瓷照片即為本研究的基礎(chǔ)樣本；利用面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)得出空間物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，搭建三維空間坐標(biāo)系和二維觀測(cè)坐標(biāo)系，測(cè)量幾何原理示意圖如圖3所示。

圖2 兩種相機(jī)布置方式Fig.2 Two kinds of camera arrangement

圖3 測(cè)量幾何原理示意圖Fig.3 Measuring geometric principle diagram

對(duì)于藝術(shù)陶瓷品異形外曲面上的任意一點(diǎn)T，根據(jù)空間坐標(biāo)與觀測(cè)坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系(見式①)，可得出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間物體表面點(diǎn)的空間坐標(biāo)，繼而可獲得藝術(shù)陶瓷品異形外曲面三維參數(shù)測(cè)量結(jié)果。

①

其中，(XT,YT,ZT)表示點(diǎn)T在空間坐標(biāo)系內(nèi)位置;t表示成像平面上的觀測(cè)點(diǎn)；(xt,yt)表示觀測(cè)坐標(biāo)系內(nèi)點(diǎn)T位置；a、b、c表示關(guān)系函數(shù)；l表示投影儀光心與Y軸之間的距離；d表示投影儀光心與Z軸之間的距離；v表示成像平面與攝像頭光心之間的距離；θ表示投影平面與參考平面之間的夾角；S表示投影平面在Y軸上的截距。

1.2 外曲面圖像預(yù)處理與分割

考慮到藝術(shù)陶瓷品外曲面形狀不規(guī)則，在進(jìn)行三維重構(gòu)之前需要進(jìn)行圖像預(yù)處理和圖像分割。為增強(qiáng)圖像特征邊緣的清晰度，本文基于中值濾波原理[6]進(jìn)行圖像預(yù)處理：首先，定義大小合理的濾波窗口，設(shè)置可滑動(dòng)的窗口模板；然后，按照從大到小的順序排列整個(gè)圖像所有的像素值；最后，將濾波窗口置于圖像內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圖像濾波處理。

全卷積網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)任意大小圖片輸入的像素級(jí)圖像分割，卷積層數(shù)為4層的全卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4。本文采用全卷積網(wǎng)絡(luò)對(duì)藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像進(jìn)行自動(dòng)分割，在輸入層、卷積層、激活層等多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的共同作用下，可完成藝術(shù)陶瓷品異形外曲面圖像的有效分割[8]。在圖像自動(dòng)分割網(wǎng)絡(luò)中，輸入給定的目標(biāo)圖像像素，并設(shè)置圖像分割類別(目標(biāo)前景和目標(biāo)背景)。在實(shí)際操作過程中，輸出值為1時(shí)，表明該像素屬于目標(biāo)前景，輸出值為0時(shí)，表明該像素屬于目標(biāo)背景。以通道j的像素為例，其對(duì)應(yīng)輸出概率p表示為

其中，ηj表示通道所對(duì)應(yīng)的圖像像素，φj表示像素分割結(jié)果，k表示正則化項(xiàng)。

圖4 全卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Full convolution network structure

基于輸出概率計(jì)算結(jié)果，得出圖像像素的預(yù)測(cè)分割結(jié)果為

藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像預(yù)處理與分割的具體流程如圖5所示。

圖5 藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像預(yù)處理與分割流程Fig.5 Image preprocessing and segmentation flow chart of special-shaped surface of art ceramics

1.3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維重構(gòu)

本方案從分割后的圖像中提取特征信息，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行曲面虛擬空間定位[9]，再應(yīng)用包圍盒法實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)藝術(shù)陶瓷異形外曲面的三維重構(gòu)。在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，應(yīng)用局部圖像梯度信息提取圖像數(shù)據(jù)體的三維坐標(biāo)。將重構(gòu)輪廓長(zhǎng)度(E)表示為

E=λw1+(1-λ)w2+τL+σr

其中，λ表示灰度權(quán)重系數(shù)，L表示約束項(xiàng)，r表示稀疏度正則項(xiàng)，w1表示局部灰度信息，w2表示局部梯度能量項(xiàng)，τ、σ表示兩個(gè)大于0的常數(shù)。

針對(duì)目標(biāo)區(qū)域、背景區(qū)域分別進(jìn)行平滑處理，并展開平滑度演化博弈，得到如下所示盒子模型：

L=δ×|F|×W

其中，δ表示圖像目標(biāo)區(qū)域像素稀疏度正則項(xiàng)，F(xiàn)表示背景區(qū)域像素稀疏度正則項(xiàng)，W表示原始圖像某一目標(biāo)點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

采用包圍盒法求解圖像邊緣像素點(diǎn)的局部高斯概率[10]，從而得出稀疏度正則項(xiàng)r，具體計(jì)算公式為

②

基于式②可以得到圖像數(shù)據(jù)體三維坐標(biāo)：

在上述基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到可視化重構(gòu)結(jié)果[11]，建立三維重構(gòu)數(shù)據(jù)場(chǎng)：

其中，?表示三維重構(gòu)數(shù)據(jù)場(chǎng)；ι表示Dirac函數(shù)，用以描述圖像映射的動(dòng)態(tài)點(diǎn)。

1.4 外曲面重構(gòu)輸出

在三維重構(gòu)數(shù)據(jù)場(chǎng)內(nèi)，結(jié)合藝術(shù)陶瓷異形外曲面數(shù)據(jù)參數(shù)信息，得出目標(biāo)圖像的三維虛擬直接體，并得到虛擬紋理貼圖和虛擬陣列坐標(biāo)[12-13]。在實(shí)際重構(gòu)過程中，選取部分像素制作匹配模板，進(jìn)行匹配分析：

其中，ε表示射線方向角，Q表示3D紋理貼圖重構(gòu)結(jié)果，P表示3D陣列坐標(biāo)參量重構(gòu)全角度。

根據(jù)射線方向，分別對(duì)藝術(shù)陶瓷品原始異形外曲面梯度模、重構(gòu)表面梯度模進(jìn)行極小化運(yùn)算[14]，得出如下所示三維重構(gòu)輸出公式：

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)選用2臺(tái)佳能PowerShot SX740 HS相機(jī)、1臺(tái)投影儀、1臺(tái)計(jì)算機(jī)(ThinkPad T450 Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU @ 2.20 GHz，8 G RAM)，以及夾持固定裝置，搭建雙目結(jié)構(gòu)光視覺識(shí)別采集平臺(tái)，作為藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像采集工具，平臺(tái)示意圖如圖6所示。采用Matlab 2020b平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

圖6 雙目結(jié)構(gòu)光視覺識(shí)別采集平臺(tái)Fig.6 Binocular structured light visual recognition acquisition platform

2.2 結(jié)果與分析

1)按照本文方案，首先對(duì)藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像進(jìn)行3個(gè)環(huán)節(jié)的分割，分別是標(biāo)準(zhǔn)分割結(jié)果掩碼處理、添加全局顏色空間模型、提取目標(biāo)前景圖。經(jīng)過上述處理流程，得到三維重構(gòu)所需的基礎(chǔ)圖像(見圖7)。其次將分割處理后的圖像通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行三維重構(gòu)處理，最終形成圖8所示的重構(gòu)結(jié)果。

圖7 圖像分割示意圖Fig.7 Schematic diagram of image segmentation

由圖8可以看出，采用本文提出的三維重構(gòu)方案得出的藝術(shù)陶瓷異形外曲面重構(gòu)結(jié)果具有良好的視覺表現(xiàn)力，保留了原始陶瓷圖像的絕大部分圖像信息，該方案重構(gòu)性能良好。為了更清晰地判斷該方案的優(yōu)越性，以圖7a)為樣本，分別采用本文方案、基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)方案[3]、基于光度立體技術(shù)的三維重構(gòu)方案[4]進(jìn)行外曲面三維重構(gòu)，重構(gòu)數(shù)據(jù)相對(duì)偏差結(jié)果如表1所示。由表1可知，本文方案的三維重構(gòu)精度最高，對(duì)細(xì)節(jié)還原更有效。

圖8 三維重構(gòu)結(jié)果模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of the 3D reconstruction results of the model

表1 不同方案三維重構(gòu)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差Table 1 The relative deviation of different scheme of 3D reconstruction data contrast %

2)為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方案在多元化設(shè)計(jì)應(yīng)用中的有效性和適用性，對(duì)多種具有不同外觀形態(tài)特點(diǎn)的異形陶瓷曲面圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，并進(jìn)行粗略渲染以增強(qiáng)視覺效果，結(jié)果如圖9—11所示。圖9a)是一件雪豹陶瓷品擺件，此類動(dòng)物題材作品往往造型生動(dòng)，外觀、動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)信息豐富，對(duì)三維重構(gòu)精度要求很高。由圖9b)可以看出，這只雪豹重構(gòu)三維模型經(jīng)過粗略渲染后，較好地體現(xiàn)出雪豹的匍匐姿態(tài)，對(duì)動(dòng)勢(shì)、身型、肢體動(dòng)作等諸多異形不規(guī)則曲面形態(tài)有著準(zhǔn)確、完整的還原處理。粗略渲染后的模型清晰度完全可以配合設(shè)計(jì)師使用其他軟件對(duì)形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)再處理。

圖9 雪豹陶瓷擺件三維重構(gòu)模型Fig.9 3D reconstruction model of snow leopard ceramic ornaments

圖10a)是一件明顯保留手工痕跡的陶瓷花插，整體看來器型曲面并不復(fù)雜，但器身遍布節(jié)奏變化的制作過程的痕跡，口沿也有不規(guī)則的豐富變化，這樣的陶瓷器能傳遞出質(zhì)樸、稚拙的美感特性，是現(xiàn)代人們追求的審美體驗(yàn)。由圖10b)可以看出，重構(gòu)模型顯示出外曲面痕跡微曲的豐富變化，表明本文方案在處理類似不平整形態(tài)外曲面時(shí)具有良好的適用廣度。

圖10 陶瓷花插三維重構(gòu)模型Fig.10 3D reconstruction model of ceramic flower inserts

圖11a)是一件藝術(shù)風(fēng)格強(qiáng)烈的陶瓷藝術(shù)作品，以茶壺的造型為藍(lán)本，壺身和壺蓋造型夸張，加之壺身雙層鏤空，空間形態(tài)變化巨大，異形外曲面細(xì)節(jié)異常豐富，對(duì)于測(cè)試本文提出的設(shè)計(jì)方案，具有一定的挑戰(zhàn)性。從圖11b)可以看出，重構(gòu)模型外觀還原準(zhǔn)確，雖然在雙層鏤空等細(xì)節(jié)信息還原能力略顯不足，但重構(gòu)模型結(jié)果仍然具有良好的視覺表現(xiàn)力，保留了原始陶瓷圖像的絕大部分圖像信息，重構(gòu)性能令人滿意。

圖11 藝術(shù)陶瓷壺三維模型Fig.11 3D reconstruction model of art ceramic pot

3 結(jié)語

針對(duì)藝術(shù)陶瓷品具有復(fù)雜異形外曲面的特點(diǎn)，本文利用Visual C++和VTK軟件，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提出一種對(duì)藝術(shù)陶瓷品異形外曲面有效的三維重構(gòu)方案：利用立體視覺原理和面結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)采集藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像；采用均值濾波方法對(duì)采集圖像進(jìn)行預(yù)處理，并采用全卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行藝術(shù)陶瓷異形外曲面圖像自動(dòng)分割；設(shè)計(jì)虛擬三維數(shù)據(jù)場(chǎng)，在數(shù)據(jù)場(chǎng)內(nèi)制作三維直接體，生成陶瓷異形外曲面重構(gòu)結(jié)果。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方案能夠有效提取藝術(shù)陶瓷豐富的外曲面二維圖像信息，獲取的異形外曲面立體圖像分割結(jié)果清晰、特征完整，得到的藝術(shù)陶瓷品異形外曲面重構(gòu)模型視覺效果好，保留了原始陶瓷圖像的絕大部分圖像信息。與其他方法相比，本方案重構(gòu)的三維模型精度更高，細(xì)節(jié)還原效果更好。本文設(shè)計(jì)方案可為縮短藝術(shù)陶瓷品設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期、控制成本提供技術(shù)支持，并使智能化交互設(shè)計(jì)成為可能，具有巨大的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。它在促進(jìn)設(shè)計(jì)思維模式革新的同時(shí)，也拓展了三維重構(gòu)的應(yīng)用范圍，為產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)打下基礎(chǔ)，探索了陶瓷產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新和發(fā)展的新思路。