镂空是一种虚实相交极具美感的艺术表现形式,因其强烈且特殊的创造性和通透的视觉效果深受艺术家与设计师的喜爱,因而被广泛的应用于家具装饰、建筑设计及珠宝加工等各个领域中。随着对于立体空间和结构美感的认知逐渐鲜明,人们愈发的渴求更加多样化的镂空工艺品。然而精致的工艺作品通常需要富有想象力的艺术家精心设计,再由精通工艺且经验丰富的工匠手工制作而成,其设计门槛与制作成本都比较高。随着3D打印技术的出现,复杂几何模型的制造能力得到了显著的提高,这给镂空工艺品从手工制作推广到数字制造提供了机会,并使得研究人员可以专注于镂空原型的设计与生成。目前,现有的研究主要集中于通过在三维曲面贴合拼接基础元素,来生成具有重复性纹理图案的镂空三维模型。如何通过任意图像得到用户可控并且可3D打印的镂空几何模型,仍然是一个未解决的问题。此外,面向3D打印且基于任意二值图像生成镂空模型的几何建模问题并不简单。首先,镂空模型通过3D打印进行制造生产时,可能会因为打印设备限制而丢失部分细节。其次,在视觉感知中组成图案的实体部分与镂空部分具有同等重要的意义。然而,物理模型的体积与空间是有限的,实体区域与镂空区域相互交错,这使得两者的细节在处理时相互影响,会产生不可避免的冲突。最后,由于输入图像具有多样性,不能忽视得到的三维镂空模型其结构可能不稳定的问题。鉴于上述原因,本文提出了一个面向3D打印的图像透雕系统,在用户给定任意二值图像和目标模型后,经过图像优化与结构优化,生成可用于3D打印的三维镂空模型,并且保证生成的几何模型能适应生产尺寸,细节保真且结构稳定。通过系统测试与实验结果可得,本系统满足用户可控的三维镂空模型建模需求,可生成用于3D打印、细节高保真、结构稳固且具有一定的艺术观赏价值的镂空几何模型,可应用于增材制造中输入原型的设计阶段,为喜爱镂空艺术的专业建模人员与爱好者提供支持。