透光浮雕学术资讯 - 科技工作者之家

透光浮雕作为一种新兴的雕塑形式，由于其形式新奇，画面古朴，成像层次感强烈等优点受到了人们的喜爱。

透光浮雕是雕塑的一种形式，通过可见光的照射后，透光浮雕便可以展现出丰富多样的画面，具有很强的艺术表现力，能够很好地保持三维物体在某个观测角度上所观察到的外形轮廓和视觉效果。

简介透光浮雕（lithophane）是浮雕的一种，是在半透明工件上印刷立体图像，然后透过背光呈现图像。

传统的浮雕加工是由能工巧匠根据自己的经验创作完成，产品单一，数量少。随着科学技术的发展，浮雕利用软件平台进行创作，配合数控雕刻系统完成产品加工，可以批量化生产。但这种方法无法满足人们个性化、快速单件生产的需求。随着计算机技术的发展，借助CAD/CAM软件来设计个性化浮雕，并与3D打印技术结合，可有效缩短产品的开发和生产周期。本文借助计算机图形学技术和 3D 打印技术来探讨如何根据用户的需求制作出用户满意的透光浮雕产品。

透光浮雕成像原理将光源置于工件的背面照射工件，板上越薄的地方透过的光越多，较厚的区域则透过的光越少，工件上壁厚与亮度成反比，人眼通过对光线多少（也就是明暗）的感知和对比，在人脑中自动构建出物品的立体图像的。人们利用不同厚度透光率不一样，通过不同的设计，最终就能展示出栩栩如生的三维立体效果，具有很强的艺术表现力，非常适合制作艺术作品1。

国内外研究现状透光浮雕作为浮雕中的一个新兴门类，相关的技术还未成熟，可作为参考的是与透光浮雕相近的浅浮雕设计方法，浅浮雕领域在细节保留方面的算法可应用于透光浮雕当中。

当前，使用计算机进行浮雕建模的方法主要包含基于二维图像生成浅浮雕模型和基于三维几何模型生成浅浮雕两种方法。其中基于二维图像生成浅浮雕的方法有如下方式2：

Gastal等制定了最早的浮雕模型构建方法，首次提出了亮度映射函数，基于亮度映射关系提出了基于自阴影重建形状的模型构建函数。在Gastal研究的基础之上，Zeng利用人机交互的方式，利用人类习得的常识知识解决了浅浮雕在构建过程中存在的二义性问题，大大减少了模型生成错误的情况，但是这种方法对于具有复杂颜色或者杂乱纹理图像的处理具有较大的难度。Taka-yama3针对彩色图像处理困难的情况，重新提出了一种“风格化”的图像高度处理方式，通过这种方式可以简单的将具有复杂颜色的图像处理成为具有不同高度的浅浮雕模型，但是这种方式会造成生成的模型丢失原图像大量的细节信息。Li等4提出了一种针对中国传统的画像砖和画像石风格的浅浮雕生成方法，该方法主要是通过提取图像的骨架信息来计算模型各点的高度情况，这种方法对于轮廓清晰的浮雕重建具有较好生成效果。Zeng 等5在原来人机交互的基础上，重新提出了另一种新的浅浮雕的生成方法，该方法首先通过对输入的图像进行分区识别，根据图像特征点的特点，将整个输入图像划分为不同的区，然后根据划分的区域所具有的相对高度信息，将不同的区域再次划分到不同的高度层上，这样就实现了将模型原本的深度信息最大程度映射到了模型的高度上，可以很好地保持原模型的层次信息，但这种方法也需要进行大量的人机交互来确定不同区域的特征信息，增加了人工操作的成本，并且这种方法也无法从根本上解决普通图片缺少景深信息的缺点。

基于三维模型的方法主要是基于对三维几何模型在给定视觉方向上进行深度压缩，是近年来生成浮雕的一种新方法。

早在 1997 年Cignoni等6就对三维模型的浮雕生成算法进行了深入的探索，研究表明浮雕和绘画中的透视法具有相同的特性，即远处的景物小，近处的景物大的特性，基于这样的特征，Cignoni 提出了一种通过对三维模型进行单一方向投影后对深度信息进行线性压缩，并使用压缩后的深度值作为高度来生成相对应的浮雕模型的方法。使用这种方法，当整体的图像深度差异较大时，则存在在某个区域内会被大量压缩的现象，这样就会造成在该深度区间的模型信息会大量丢失，使得最后生成的模型细节丢失。为了解决这个问题，Cignoni基于Poisson方程对模型的深度梯度进行压缩，这样就避免了对深度信息的直接压缩，有效的防止细节信息的丢失，压缩完成后，再次通过Poisson方程求解就能获得压缩后的模型深度信息，完成三维模型到浮雕模型的转化。Weyrich等对梯度采用对数函数进行非线性压缩，并提出将梯度值分成多个频率来进行压缩处理；Kerber等对梯度实施变换和特征增强后也采用对数函数进行压缩；Song等没有采用梯度，而是对网格的“显著特征”（mesh saliency）进行压缩并建立类似的 Poisson 方程，“显著特征”是平均曲率高斯函数的卷积，对模型的特征有一定的增强作用，但同时会引起浮雕的局部变形。

透光浮雕加工成型方法当前透光浮雕的主要加工手段主要有两种方式：一是工人师傅在玛瑙、玉石等半透明材质上雕刻出浮雕所需要的形象，来展现光影形象；二是根据设计好的二维图形或图像利用Photo Shop、CAD等工具对图像加工成反色图像或者STL文件，然后放入到cure等3D打印机专用切片工具来切片生成相关Gcode指令，再利用3D打印机打印生成相对应的浮雕作品。