3D打印创新实验室建设方案67541

3D打印创新实验室
解决方案
快速制造国家工程研究中心教育部快速成型工程中心
西安交通大学
北京3D打印研究院
云上动力（北京）数字科技有限公司
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2015年
方案概述---整体解决方案的十大优势特点
1、雄厚的技术实力：整体解决方案是由卢秉恒院士率领团队进行3D打印研究的成果，快速
制造工程研究中心和北京3D打印研究院都是强大的技术后盾；
2、科学的技术方案设计：整个方案的设计都是按照严格的工业化3D打印技术路线制定的，可以让
学生在校园就可以接触工业最前沿的高端科技；
3、高稳定性的打印设备及针对中小学研发的软件系统：3D打印设备经过卢秉恒院士团队长时间的
研发测试，具有高稳定性；软件系统是专门针对中小学设计、旨在激发学生3D打印兴趣和提升学生创造力；
4、完善的教学课程体系：将3D打印与教学课程完美结合，解决了教师缺少教材的困难；
5、课外实验实践基地：3D打印研究院作为中小学3D打印实验实践基地担负着承接中小学生参观实
践的任务，让学生摆脱课堂上的限制，对3D打印有亲身体验；
7、师资队伍培训：作为专业3D打印研发团队，卢秉恒院士的团队还承担着培训教师的任务，帮助
教师掌握最新3D打印知识，以便让学生得到最新的3D打印动态；
8、后续技术拓展及交流：网上3D打印技术交流平台既可以帮助用户答疑解惑，又可以进行技术交
流、分享先进3D打印理念；
9、项目启动后驻校技术支持保证设备稳定运行并提供7*24小时上门服务：这项服务保证了整个解
决方案在任何情况下都能稳定运行；
10、开放的国家重点实验室：快速制造国家工程研究中心在全国已经拥有50多家分中心，这些分中
心都可以像北京3D打印研究院一样成为开放的国家重点实验室供当地学生进行实验实践。

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目录
一、梦工厂——3D打印技术浪潮 (6)
二、3D打印创新实验室 (7)
3D打印或将颠覆传统教育方式 (7)
三、技术依托-----中心简介 (8)
快速制造国家工程研究中心教育部快速成型工程中心 (8)
四、3D创新打印实验室介绍 (9)
4.1 3D打印创新流程 (10)
4.2场地规划及配置 (12)
4.3实验室设计方案 (14)
4.4主要设备参数及介绍 (15)
4.4.1、桌面型3D打印机 (15)
4.4.2、激光快速成型机3D-YUNDL-SPS25 (19)
4.4.3、面成型3D打印机3D-YUNDL-MCX150 (26)
4.4.4、三维扫描仪 (29)
4.4.5、三维面相漫像系统 (35)
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4.4.6、人体动作三维捕捉系统 (38)
4.4.7、面部表情捕捉系统 (38)
4.4.8、真空注型后处理系统 (41)
4.4.9、激光内成型机3D-YNNDL-SL200及三维立体成像系统介绍 (42)
五、3D打印的体验与创造力学习软件 (45)
六、3D打印中小学课程简介 (53)
6.1 3D概述 (53)
6.2 3D硬件课程 (53)
6.3 3D设计软件课程 (56)
七、完善的软硬件服务和创新培训服务 (57)
7.1 软硬件服务 (57)
7.2 3D创新设备培训 (57)
7.3创新软件部分师资培训培养 (58)
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一、梦工厂——3D打印技术浪潮
3D打印技术，又名增材打印技术，快速成型技术，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式（微积分），构造零对象。

3D打印，克服传统的模具制造周期长、不能及时发现设计错误、减材制造浪费材料等问题，将带来世界性制造业革命。

3D打印耗材：粉末材料；线性材料。

包括：金属、塑料、树脂、石膏、陶瓷、蜡、食品、细胞等。

3D打印机工作步骤：
逆向工程---计算机建模---数据导入到3D打印机--3D打印机输出物理实体
三维打印主要应用的场景有：1、医疗行业；2、科学研究；3、产品原型；4、文物保护；5、建筑设计；6、制造业；7、食品产业；8、汽车制造业；9、配件、饰品。

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二、3D打印创新实验室
3D打印或将颠覆传统教育方式
经过近30年的探索和发展，3D打印技术成为当今全球最受关注的新兴产业技术之一，被誉为引领第三次工业革命最具标志性的生产工具，正在进入“高歌猛进”的发展新阶段。

我国对3D打印已经有了长达20多年的探索和积累。

3D打印，从何处破局？
3D打印将颠覆传统教育方式！事实证明，一些在传统教育中表现不好的学生，主要是因为所学的课程理论性太强，没有兴趣，死记抽象概念让学生通过了考试，但考试过后就很快忘记了，3D 打印机可以让枯燥的课程变得生动起来，它是一种同时拥有视觉和触觉的学习方式，具有很强的诱惑力，在触觉学习中，学生不是在黑板或显示器上简单地看文字或图形，而是通过他们的触觉抓住核心概念的三维模型，这样能够吸收和消化知识，使学生不再遗忘所学的课程。

英国著名教师戴夫怀特曾经说过：如果你能抓住学生的想象力，你就能抓住他们的注意力。

中国的传统教育是应试教育，没有开设培养学生“创新精神和创造力”的课程，纯粹的理论学习使学生的大脑僵化，学校应开设集设计和3D 打印于一体的“边学边做”的课程，把数学，物理课中的许多抽象概念通过让学生动手设计一些由3D 打印组件组成的小电路和小装置，变成有趣的课程，3D 打印机将激发新一代学生投身科学，数学，工程和设计的热情，造就一批学生工程师。

美国政府已经以实际行动给出了答案。

在美国，几乎所有的大中小学已经开设了3D打印的课程，通过对青少年进行3D打印创新意识、技术手段的培养，3D打印成为“美国智造”的有力手段，成为中美制造业竞争的重要砝码。

时不我待，中国的3D打印教育急需启动，普及3D打印技术知识，引领学生创新思维，创新改变教育，创新改变中国。

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三、技术依托-----中心简介
快速制造国家工程研究中心教育部快速成型工程中心
快速制造国家工程研究中心（Rapid Manufacturing National Engineering Research Center）是由国家发展和改革委员会批准设立，依托西安交通大学的人才与技术优势建立的国家级先进制造技术创新平台。

中心主任由增材制造（3D）打印领域领军专家、中国工程院院院士卢秉恒教授担任，带领由博士、硕士等组成的80余人的研发团队，以提高国家制造业核心竞争力为根本目标，为制造业提供快速原型、快速模具和高档数控专用装备，力争为制造科学的进步和国民经济的快速发展做出重要贡献。

卢院士简介：中国工程院院士卢秉恒教授是快速制造国家工程研究中心主任，教育部快速制造工程研究中心主任，国务院学位委员会机械学科评议组组长，西安交通大学机械工程学院院长，中国机械工程学会副理事长，中国机械制造工艺协会副理事长，快速原型制造分会理事长，全国高校金属切削机床研究会理事长。

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四、3D创新打印实验室介绍快速制造国家工程研究中心
教育部快速成型工程中心
西安交通大学先进制造技术研究所
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3D打印产品应用举例（3 4.1 3D打印创新流程
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3D打印产品应用举例（3
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4.2场地规划及配置
1.面积:场地面积大约60平方，或一间普通教室。

2.区域规划：（1）三维数据采集区；（2）三维设计及数据处理区；
（3）3D打印体验区；（4）3D作品展示区；
3.区域配置及功能：
1)三维数据采集区：双目三维扫描系统一套：可把物体扫描为
三维立体数据，进行点云处理，再进行后续创新设计，可用于逆向
工程、工业（产品）设计、三维数字化检测等。

2)三维设计及数据处理区：小学采用AUTUDESK 123D系列软件，
学生在PAD上用手指可以创作，不需要复杂的处理过程及技术，重
在艺术创作，可进行类似泥塑、手工拼插、简单设计、通过照片生
成三维数据等操作，趣味性强，操作简单，学生易上手；中学采用
CAXA设计软件，学生可把采集数据在电脑中进行加工处理，自主创
作三维作品，如三维人物设计、汽车模型、未来建筑等，可直接生
成3D打印通用格式STL文件。

3)3D打印体验区：配备桌面级FDM设备及DLP打印设备，旨在
让每一个学生自由创作，通过桌面级打印出成品来，学生与3D打印
亲密接触，人人动手，个个参与。

4)专业激光快速成型区：配备专业的激光快速成型机及相关附
件，激光快速成型机是机械控制、光学技术、计算机技术、材料科
学、艺术设计的完美结合，让学生多方面跨学科了解现代制造技术，
亲手做出高精度、高质量产品，有实际功能用途的产品，了解生产
制作工艺及技术。

5)后处理及色彩处理区域：打印出作品进行后续处理，可以
开硅胶模具，喷漆上色处理，让学生了解生产制造工艺，了解模具
制造在新产品开发中的价值，可进行小批量个性化产品订制，让学
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生体验到3D打印技术对制造业的变革，对第三次工业革命的深刻了解，3D技术对人类生产和生活的巨大变革。

6)3D作品展示区：墙壁展架，融于教室及走廊、学校公共区域，展示学生3D打印作品，也可配液晶屏循环播放学生3D设计作品。

4.教师基本要求：
（1）具备CAD、UG、proe或solidwork等基础知识；
（2）应具备艺术设计或美术设计等基础知识；
（3）具备机械制图、计算机操作、机械制造工艺学等基础知识；
（4）人员需求：1人。

5.3D打印创新设计室项目费用：预算万左右。

6.教室布局图
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4.3实验室设计方案
详见附件
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4.4主要设备参数及介绍
4.4.1、桌面型3D打印机
桌面型3D打印机，主要是采用FDM技术制造的打印机。

FDM（Fused Deposition Modeling）工艺熔融沉积制造（FDM）工艺由美国学者Scott Crump于1988年研制成功。

FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。

以丝状供料。

材料在喷头内被加热熔化。

喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

FDM设备特点：
(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。

(2)成型速度快，用熔融沉积方法生产出来的产品，不需要SLA中的刮板再加工这一道工序。

(3)用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。

(4)可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。

(5)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。

(6)原材料利用率高，且材料寿命长。

(7)支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。

我公司产品由西安交大机械制造工程学院研发生产的低成本3D打印设备，是一种利用ABS、PLA等作为原材料的热熔成形方法的打印设备。

该技术利用普通打印机的原理，利用计算机处理好数据，把原料装入机身，通过控制主板的控制，
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用打印头将原料一层一层累积起来，最后将计算机上的设计图变成实物。

从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本。

同时，该设备实现了从样件的三维数据直接输出1：1 实体模型的先进工艺，加之设备成本得以降低，将有望作为计算机外设推广到办公室和家用领域而应用于工艺品制作、珠宝首饰、教学实验及创新设计等方面。

图片
产品名
称
经济型3D打印机专业型3D打印机工业型3D打印机
型号3D-YUNDL-153D-YUNDL-243D-YUNDL-30
成型体积150mm*150mm*1
20mm
240mm*160mm*160mm300mm*300mm*300mm
机器尺
寸
360*310*405mm520*380*430mm655*705*705mm
数据接
口
STL\S3G STL\S3G STL\S3G
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操作系统Windows操作系
统
Windows操作系统Windows操作系统
成型材
料
ABS、PLA等ABS、PLA等ABS、PLA 此设备制作作品：
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4.4.2、激光快速成型机3D-YUNDL-SPS25
1、激光快速成型技术简介：
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SLA技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。

工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。

由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。

此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状复杂、精细的零件，效率高。

对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。

快速成型技术的特点
1)·直接由CAD 数据制成三维实体
2)·无需要传统的刀具、夹具
3)·不受零件结构与形状复杂程度的限制
a)高度柔性，高度集成化
b)可进行快速模具制造
4)·成本为传统加工的1/3～1/5
5)·周期缩短为1/5～1/10
1997年国内第一台光固化激光快速成型机工业样机SPS系列光固化快速成型机，在西安交通大学机械工程学院诞生，近二十年的行业经验，西交大拥有最成熟最先进的快速成型技术，最强大的研发队伍，国内市场占用率80％，国内最多工业客户群，有最完善的客户服务体系。

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基本功能
采用材料累加原理，由CAD数据直接控制激光扫描光敏树脂，快速精确地制造出任意几何形状的产品原型，
无需考虑其复杂程度，真正实现无模制造。

可制作形状复杂件和薄壁件
应用领域：各行业，适于制作有较高精度和细节要求的产品。

设备特点：
外观简洁美观体积小；
分层列细，可达到0.04mm；
激光光斑更小，可达到0.06-0.1mm；
制作精度更高，可达到±0.08（尺寸小于100）或±0.08%（尺寸大于100mm）
技术参数：
型号3D-YUNDL-25
最大激光扫描速度6m/s
焦平面光斑尺寸≤0.1mm
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区域环境要求
激光快速成型机25机器因为需要恒湿恒温的环境，故需要单独封闭一个房间进行操作，具体要求如下：
1、面积15-20平米，建议做成全封闭玻璃隔断；
2、如有窗户需要防紫外线窗帘；顶部照明需要黄光灯（防紫外线灯）
3、内部需要按装空调、排风扇、除湿机，保持恒定温湿度；
4、内部工作台柜，柜内可按一些常用工具，如橡胶手套、镊子、酒精
盒、小毛刷、台秤（可称成品重量）等。

5、25机器需要UPS电源，2.5千瓦
6、此区域周围环境：不能有大的振动源。

7、桌面型机器可做底柜放置，柜里面可放耗材。

8、整体实验室建议配置作品陈列柜，摆放学生作品。

此设备制作作品展示
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4.4.3、面成型3D打印机3D-YUNDL-MCX150
3D-YUNDL-MCX150
主要技术参数：
型号3D-YUNDL-MCX150
成型空间96×54×150mm
加工精度0.05mm
分层厚度0.025-0.05mm 可调
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设备特点：
1. 简洁开放式设计，外观大方时尚；
2. 干净、无废料，可使用多种颜色的材料；
3. 个人桌面型，便携性好；
4. 打印分层最小可至0.025mm，打印精度高，表面光洁度好；
5. 采用面成型技术，效率远高于其他光固化产品。

应用领域：
集超高清DMD投影系统、PC系统和PLP控制技术于一体的新一代3D打印设备，适用于精密零件和精细化领域的产品制作，人像，工艺品，医学模具，产品设计，试制和模具制造，逆向工程等领域；
作品展示：
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4.4.4、三维扫描仪
三维扫描仪是一种反求仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。

搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。

这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。

三维扫描仪的制作有多种技术，无一体通用之重建技术，仪器与方法往往受限于物体的表面特性。

3D－YUDNL-SCAN130
3D－YUDNL-scan130是专门为教育行业开发的一款非接触式面扫描机器。

扫描精度、操作便捷性、扫描效果三大客户主要关注的问题。

此设备扫描过程中可观察扫描结果的实时拼接图像，及时发现扫描遗漏区域，避免后期补洞造成的处理失真等问题。

具备以下四个特点：
1. 后台实时自动整体拼接修正，误差不被积累，点云不出现分层；
2. 标记点自动去除，方便后续数据处理；同时支持手动拼接；
3. 点云一键式整体导出为单个数据文件，并自动去除重叠部分；
4. 高精度的识别和拼接技术满足薄壁件拼接过渡。

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12、
13、
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3D－yundl-scan130系列三维扫描仪主要技术参数表
型号（项目）3D-YUNDL-SCAN130
扫描方式非接触式面扫描
分辨率(单位：像素)130万单色
单次最小测量幅面(单位：mm3)40×30×30 mm3
单次最大测量幅面(单位：mm3)400×300×300 mm3单幅测量精度(单位：mm)0.03以内
扫描距离125-750
单幅测量时间(单位：s)<5S
测量点距(单位：mm)0.05-0.3
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3D－YUNDL-SCAN130型三维扫描仪配置表
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仪
5．可调数字光学扫描头，11024*768dpi
6．高精度标靶,1200*150mm, 0.001mm
7．三脚架（含云台）, 1750-1800mm
8. 标记点, 1套大、中标记点共2万个
9. 包装箱, 1高档珍珠棉内衬加厚硬纸箱
10. 配件：装配工具，显像剂装配工具1套，显像剂1箱
3D-YUNDL-SCAN30
3D-YUNDL-scan 30桌面三维扫描仪，采用国际先进的结构光蓝光扫描技术，通过“照相”的方式，快速获取扫描模型表面的三维数据，并生成模型。

设备输出的格式有GPD\XYZ\ASC等，能导入多种主流软件进行逆向设计、3D打印。

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三维扫描过程
三维扫描仪简介
1、设备参数
扫描方式电子条纹投光照相扫描
测量范围(MM)150*100
图像分辨率（Pixel）1280*1024
扫描光源高度蓝白打条、白色LED冷光源（寿命大于十万小时）外型尺寸（MM）460*200*320
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电脑配置系统XP/win7 内存2G以上CPU不限显卡：独立显卡512MB
以上
2、系统特点
1)一键式扫描，操作简单，易懂易学；
2)设备体小量轻，便于携带，开机即可使用；
3)采集数据多，每次采集数据130万点以上；
4)自动拼接，无需贴标记点；
5)超常寿命光源，按照每个工作日正常操作8小时，光源可用20年。

扫描仪应用案例
DIY手工作品（如剪纸、泥塑模型等）的数字化，长久存档，并能把数字化文件通过后期加工，制成手式吊坠等工艺品。

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把自然界中的物件进行三维数字化转换，让学生对自然界有直观、科学的认识。

从而养成对周围事物和现象的好奇心，求知欲和乐于尝试、主动探索的的精神。

知道尊重事实。

在研究过程中能专心致志，而心细致，有始有终。

让中学的空间几何课程变的生动、有趣。

根据每节课程的内容，选定跟内容有关的实物，进行穿插讲解。

让几何课程不再抽象难解。

4.4.5、三维面相漫像系统
3D漫像系统是针对现有3D照相价格过高和用户体验差的缺陷，经过一年时间的潜心研发推出全球首创的实用化3D照相解决方案。

3D漫像技术实现了通过全新设计的软硬件系统，从更本上解决了价格高和体验差的难题，是3D打印实用化进入寻常百姓的典范。

技术特性
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数据颜色：全彩色
数据获取时间：<1秒
数据获取速度：<1s
数据处理时间：<3分钟（视计算机性能）
数据获取方式：白光（对人体无伤害）
工作距离：0.5－1米
角色库扩展性：可定制扩展
输出数据：彩色OBJ格式
模型轻量化处理：支持
可编辑肖像特征：美肤、年龄、五官、表情、配饰等角色库：>35个角色
发型库：>40个款式
产品规格
是否便携：是，可折叠便携
设备总高：含三脚架890 mm -1950 mm 可调
设备重量：~8公斤
补光设备：自带
三角支架：自带
设备接口：USB2.0/3.0
电源要求：220V, 1.0A
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计算机兼容：Windows® 7
特殊设施要求：无
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4.4.6、人体动作三维捕捉系统
光学式动作捕捉系统是一款高级光学动作捕捉和跟踪解决方案，适用于商业、工业、游戏开发和研究等领域。

软硬件产品具备精度高、灵活性强、价格公道等特点，是面部捕捉和全身动作跟踪、电脑影像合成、以及三维动画制作等应用所需的功能强大的工具。

中型空间动作捕捉产品。

130 万像素、120 帧每秒的捕捉速率，Flex13 是百万级像素动捕摄影机，是高性能与低售价的完美结合。

4.4.7、面部表情捕捉系统
无论您制作游戏、电视广告或电影，迪生面部表情捕捉系统都能够让您轻松地创建实时逼真的面部动画。

此系统能够自动运算出表情表演的数据，将面部表情捕获数据实时反馈到3D模型中，实时生成虚拟角色的面部动画。

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您可以轻松地通过此系统拍摄并分析演员的表情表演，捕捉到令人惊叹的、真实的面部运动。

我们的面部跟踪和解决方案将世界上最实用的面部动作捕捉技术应用到您的项目制作中。

迪生面部表情捕捉系统采用国际最先进的技术，能够自动定位和跟踪头部及面部表情的精确运动。

无需任何标记点或油漆标志进行面部标定，软件会自动为角色添加标记点。

你只需戴上装配有摄像机的头盔就可以快速创建逼真的面部动画。

迪生面部表情捕捉系统拥有半封闭头戴式面部表情拍摄头盔，能够精确地检测到演员头部的位置和旋转，通过分析演员表情实时反馈到3D 模型中。

迪生面部表情捕捉系统可以将演员表情匹配给任意虚拟角色。

迪生面部表情捕捉系统可以很容易地集成到任何制作流程中，可以和MotionBuilder等三维动画软件的角色模型进行表情的关联，实时调节面部表情动画。

面部表情是情感表达最直接的渠道，是一种十分重要的非语言交往手段。

艺术家们往往会通过对人物面部表情的描绘，来表现人物内心的情绪和情感，栩栩如生地展现人物的心理情感，故事进程也会通过演员的表演和成熟的数字技术展现出来。

在CG技术日新月异的今天，动作捕捉技术将演员的表演带入了虚拟世界，让三维虚拟角色渐渐走入银幕，成为了众多影视巨作的主角。

迪生面部表情捕捉系统便是一个将演员的表情动画传递给虚拟动画角色的专业工具，它完成了通过一个直观、高效的工作流程创建可信的面部动画的复杂挑战。

迪生面部表情捕捉系统解决了通过更简单的、直观高效的工作流程创建一个真实可信的面部动画的复杂工作。

此系统建立了一个艺术和技术的完美平衡，捕获人
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类最原始的情感，并允许其无缝的应用到任何数字角色中去。

为了获得最佳的表演效果，艺术家需要一个可靠的、舒适合身且可以长时间穿戴的面部表情捕捉系统。

迪生面部表情捕捉系统的设计让产品具有重量轻且穿戴舒适的特点，使用者可以长时间的穿戴进行表演。

产品功能：
半封闭头戴式面部表情捕捉头盔，可自由调节捕捉镜头相对位置。

能够将面部表情捕获数据实时反馈到3D模型中。

无需任何标记点或油漆标志进行面部标定，软件会自动为角色添加标记点。

系统自带可以设置的500个以上的面部表情模板。

系统首先满足与无标记点运动捕捉系统无缝整合，同时可以与多种运动捕捉系统对接，对捕捉动作无限制。

可以和MotionBuilder等三维动画软件的角色模型进行表情的关联，实时调节面部表情动画。

可以通过演员的1张正面照片和1张侧面照片，快速生成带贴图的三维角色头部模型，并自动对贴图进行UV展开。

系统能够为虚拟角色面部自动生成数百个表情变形通道。

捕捉数据广泛大量运用于影视动画和AAA级游戏。

拥有全中文的官方教材可供学习。

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