海關(guān)歷史文化建筑三維重建思考

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摘要：3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的增量制造技術(shù)。通過(guò)對(duì)學(xué)生關(guān)于校園3D打印普及程度的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)在高校的推廣還不夠全面，分析3D打印在普及過(guò)程中的局限性。并且通過(guò)一次關(guān)于“海關(guān)歷史文化建筑的三維重建”的校園3D打印實(shí)踐，展示校園3D打印的完整流程。最后總結(jié)3D打印對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極作用以及3D打印在文化宣傳方面所帶來(lái)的社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：校園3D打印；局限性；3D打印實(shí)踐；教育作用；社會(huì)價(jià)值

1引言

3D打印(3Dprinting，又稱三維打印)是一種快速成形技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就已出現(xiàn)，[1]由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。同時(shí)，2013年版的《地平線報(bào)告》首次將3D打印的教育應(yīng)用列入了“待普及”的新技術(shù)清單，并對(duì)3D打印作了較為詳細(xì)的介紹，報(bào)告的編纂者認(rèn)為，該技術(shù)將會(huì)在4-5年內(nèi)普及。[2]2014年1月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，由原航空航天部林宗棠部長(zhǎng)倡導(dǎo)的“中國(guó)3D打印創(chuàng)新培育工程”項(xiàng)目正式啟動(dòng)，該項(xiàng)目計(jì)劃在全國(guó)青少年中播種10萬(wàn)顆3D打印創(chuàng)新種子，并專門(mén)成立中國(guó)3D打印創(chuàng)新培育工程組委會(huì)。[3]顯然，3D打印技術(shù)在教育領(lǐng)域擁有無(wú)法代替的創(chuàng)新潛力和廣泛應(yīng)用的前景，但是在距離“中國(guó)3D打印創(chuàng)新培育工程”項(xiàng)目啟動(dòng)有一年多時(shí)間的今天，校園3D打印的普及情況如何呢？3D打印的意義和價(jià)值是否能被學(xué)生所認(rèn)知？為了探索這些問(wèn)題，上海海關(guān)學(xué)院的3D項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一次打印海關(guān)歷史文化建筑的實(shí)踐探索，并且在此次實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)校園3D打印這個(gè)新的教育應(yīng)用進(jìn)行分析，挖掘3D打印背后的教育意義和社會(huì)價(jià)值。

2校園3D打印的環(huán)境氛圍調(diào)研

本研究選取了來(lái)自全國(guó)各高校的150位本科生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，共發(fā)放問(wèn)卷150份，回收116份。問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：通過(guò)調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，81%的在校本科生沒(méi)有使用過(guò)3D打印機(jī)，53.1%的在校本科生反映其身邊只有少數(shù)人使用3D打印技術(shù)，而又27.4%的在校本科生反映其身邊完全沒(méi)有人使用3D打印技術(shù)，在表3的阻礙個(gè)人使用3D打印技術(shù)的因素統(tǒng)計(jì)中，認(rèn)為因?qū)W校沒(méi)有3D打印機(jī)的約占30.1%，認(rèn)為因不懂三維制圖的約占33.6%，認(rèn)為因打印技術(shù)不成熟的約占28.3%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出3D打印技術(shù)在高校的推廣仍處于初級(jí)階段，大部分同學(xué)對(duì)3D打印只是停留在聽(tīng)說(shuō)和了解的階段。當(dāng)前3D打印僅僅是試水教育行業(yè)，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)高校配備了3D打印機(jī),未達(dá)到在教學(xué)活動(dòng)中創(chuàng)新應(yīng)用的層面，3D打印技術(shù)在高校的推廣仍處于初級(jí)階段，還存在許多阻力：①3D打印機(jī)的配備代價(jià)高昂，目前全球熱度最高的桌面級(jí)打印機(jī)MakerBotReplicator2的售價(jià)在2萬(wàn)到3萬(wàn)之間。②國(guó)內(nèi)的開(kāi)放性3D打印社區(qū)很少，專業(yè)的三維模型素材庫(kù)以及模型共享平臺(tái)也有所缺失。③入門(mén)級(jí)3D打印機(jī)的工作效率很低，一個(gè)不太復(fù)雜的小物體都要數(shù)小時(shí)才能打印出來(lái)。[4]④建模軟件的學(xué)習(xí)對(duì)于非工科專業(yè)的學(xué)生有一定難度。在整體上，3D打印機(jī)在學(xué)校的普及還需要一個(gè)過(guò)程。同時(shí)，我國(guó)在3D打印技術(shù)的培訓(xùn)與推廣方面，與其他國(guó)家相比還有差距，需要進(jìn)一步推動(dòng)新技術(shù)的學(xué)習(xí)，這需要教育行政部門(mén)、企業(yè)和學(xué)校共同努力。

33D打印的實(shí)踐探究

3.1三維建模

通過(guò)掃描儀獲取對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，并且以數(shù)字化方式生成三維模型、也可使用3dsmax、Maya、AutoCAD、ZBrush等三維建模軟件建立三維數(shù)字化模型。下圖為項(xiàng)目組成員利用3dsmax軟件所建的江海關(guān)大樓模型的一部分的布線圖，轉(zhuǎn)換為stl文件格式之后就可以進(jìn)行打印了。

3.2分層切割

將3D模型stl文件輸入電腦中，通過(guò)打印機(jī)配備的專業(yè)軟件，我們將江海關(guān)模型切分成一層層的薄片，每個(gè)薄片的厚度由噴涂材料的屬性和打印機(jī)的規(guī)格決定。[5]

3.3打印噴涂

加熱頭把3D打印材料（ABS樹(shù)脂、PLA）加熱到臨界狀態(tài)，呈現(xiàn)半流體性質(zhì)，以層層疊加的形式，每層在計(jì)算機(jī)的控制之下，根據(jù)分層切割中每層的二維圖形所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，噴頭將材料擠壓出來(lái)，凝固形成薄層，然后在這一層的基礎(chǔ)上進(jìn)行新的一層的打印，層層堆積，形成三維實(shí)物模型。

3.4后期處理

模型打印完成后表面一般會(huì)比較粗糙，需要拋光、修整、上色等等，才能完成模型的制作。

4本次實(shí)踐探究活動(dòng)的總結(jié)

4.13D打印對(duì)學(xué)習(xí)的積極作用

第一，提高學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng)造力。[6]3D打印分為3D建模階段和3D打印階段，建模階段考察學(xué)生的空間想象能力，無(wú)論是創(chuàng)新的構(gòu)思還是有現(xiàn)實(shí)參照的模型構(gòu)建，均需要學(xué)習(xí)者在腦海里先形成立體的模型，然后在腦海里進(jìn)行模型分解，再一步步通過(guò)建模軟件構(gòu)建出來(lái)。在建模過(guò)程中，學(xué)習(xí)者的空間想象能力、設(shè)計(jì)能力和思維能力等得到全面發(fā)展和提高。第二，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和數(shù)據(jù)收集能力。在江海關(guān)建模的準(zhǔn)備過(guò)程中，我們除了進(jìn)行實(shí)地考察、圖片收集，還從谷歌地圖上對(duì)江海關(guān)大樓進(jìn)行了尺寸測(cè)量，利用江海關(guān)大樓各部分之間的比例在3dsmax上面進(jìn)行建模操作。在后續(xù)的3D打印階段則需要學(xué)生的實(shí)踐操作，其中可能進(jìn)行多次的模型修改和打印調(diào)試，整個(gè)建模過(guò)程提高了學(xué)生的觀察能力、數(shù)據(jù)收集能力和動(dòng)手能力。第三，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。在江海關(guān)的建模過(guò)程當(dāng)中，學(xué)生除了對(duì)3D建模技巧的學(xué)習(xí)與熟悉，還對(duì)江海關(guān)的建筑外形和結(jié)構(gòu)也有深入的分析與學(xué)習(xí)，在一步步將海關(guān)大樓各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，也是這個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的不斷的自我突破，通過(guò)一次次建模挑戰(zhàn)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4.23D打印的社會(huì)價(jià)值

第一，形象、直觀地表現(xiàn)一種文化。如通過(guò)本次海關(guān)3D模型的展示，我們可以對(duì)具有海關(guān)歷史文化底蘊(yùn)的關(guān)徽、海關(guān)大樓等形成立體的認(rèn)識(shí)。第二，創(chuàng)新文化宣傳模式。采用3D打印技術(shù)，把海關(guān)文化中相對(duì)應(yīng)的實(shí)體打印成為物件，讓觀眾一開(kāi)始就能看到產(chǎn)生了解的興趣，用客觀事實(shí)代替主觀想象，可以使社會(huì)公眾中各階層人群對(duì)海關(guān)文化有更多層次的認(rèn)識(shí)和體會(huì)。第三，有助于文化的傳承與發(fā)展。此次實(shí)踐探索過(guò)程中，項(xiàng)目小組成員多次對(duì)海關(guān)歷史建筑進(jìn)行考察，收集了大量的圖片和文字資料，填補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)上的這部分歷史文化資料的空白，同時(shí)將歷史遺留的文化建筑進(jìn)行3D重建后進(jìn)行保存，有利于后人地對(duì)海關(guān)歷史文化有更好的認(rèn)識(shí)和探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]Walters,P.&Davies,K.3Dprintingforartists:researchandcreativepractice[J].JournaloftheNorwegianPrintAssociation,2010,(1):12-15.

[2]NMC.NMCHorizonReport:2013HigherEducationEdition[EB/OL].2013-O5-22.www.nmc.org/pdf/2013-horizon-re-port-HE.pdf

[3]解艷華.3D打印走進(jìn)北航[N].人民政協(xié)報(bào),2014-12-03(11).[4][5]李青,王青.3D打印:一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2013,(4).

[6]Kostakis,V.,Niaros,V.,Giotitsas,C.(2014):Opensource3Dprintingasameansoflearning:AneducationalexperimentintwohighschoolsinGreece.In:TelematicsandInformatics[Z].

作者：陳曉龍 葉爾凡·艾爾肯 汪成源 單位：上海海關(guān)學(xué)院