溫錦龍 宋瑞剛 張曉凱 王揚(yáng)帆 周東方

摘 要：目前對(duì)于大眾人群來說，建模難與3D打印貴是阻礙用戶創(chuàng)新的兩大難點(diǎn)，本項(xiàng)目將3D打印、AR技術(shù)、革命性的3D手指建模軟件與互聯(lián)網(wǎng)共享經(jīng)濟(jì)的結(jié)合，為大眾提供一整套完整的創(chuàng)造解決方案。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī);3D建模;AR技術(shù);互聯(lián)網(wǎng)

0引言

近年來，3D打印技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野，但是對(duì)于大眾人群，該方便快捷的技術(shù)并沒有機(jī)會(huì)融入人們的日常生活。在本項(xiàng)目中，通過AR與手指建模軟件的結(jié)合，用戶即可使用手機(jī)在手指建模的過程中結(jié)合AR，使其在建模全過程都能如同在現(xiàn)實(shí)中捏制模型，非常直觀簡易。結(jié)合本項(xiàng)目的共享打印機(jī)，降低用戶門檻，幫用戶完成原有困難重重的3D模型打印。

1 3D打印機(jī)普及的困難

1）打印速度慢

目前的3D打印機(jī)的速度較慢，為了更好的打印精度，通常情況下會(huì)把速度調(diào)為30-50mm/s，對(duì)于客戶而言，完成他們想要的作品，則必須等待數(shù)十個(gè)小時(shí)，從而導(dǎo)致耐心下降。

2）打印耗材有限

雖然目前桌面級(jí)3D打印機(jī)可以打印百余種耗材，但對(duì)于用戶常用的材料而言，只有寥寥幾種，在技術(shù)上還未完全成熟，長時(shí)間的使用最終導(dǎo)致的是用戶心理上的疲倦。就目前而言，并不能完全取得市場(chǎng)用戶的信賴。

3）建模難

3D打印需要一個(gè)3D建模格式的文件，你如果打印一個(gè)物件首先需要把這個(gè)東西用3D建模軟件設(shè)計(jì)出來，這個(gè)過程并不是個(gè)簡單的事情，這導(dǎo)致用戶放棄用3D打印而改用其它方法制作物品。

針對(duì)以上的困難我們提出了本項(xiàng)目的共享打印機(jī)，降低用戶門檻，幫用戶完成原有困難重重的3D模型打印。

2 系統(tǒng)組成

2.1產(chǎn)品硬件方面：

機(jī)柜內(nèi)設(shè)置3D打印機(jī)，結(jié)合搭建的公眾號(hào)、小程序、及"WE DREAM”軟件實(shí)現(xiàn)共享3D打印服務(wù)。同時(shí)機(jī)柜內(nèi)逐漸設(shè)立3D掃描儀、彩色3D打印機(jī)，以滿足大眾用戶的全部需求。

2.2產(chǎn)品軟件方面;

本公司將搭建微信公眾號(hào)與小程序，結(jié)合云切片技術(shù)，以滿足輕量級(jí)3D打印服務(wù)。

" WE DREAM”軟件，通過該軟件用戶輕而易舉地實(shí)現(xiàn)手指建模，并通過AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)使用戶在建模的過程中能實(shí)時(shí)在手機(jī)中觀察模型融入現(xiàn)實(shí)的樣子，實(shí)現(xiàn)建模過程的可視化，做到所見即所得。

配合機(jī)柜內(nèi)設(shè)備，可對(duì)現(xiàn)實(shí)中物體進(jìn)行數(shù)字化，在"WE DREAM”軟件中可對(duì)其進(jìn)行再編輯，結(jié)合機(jī)柜的打印服務(wù)，輕松實(shí)現(xiàn)物體的復(fù)刻。并針對(duì)行業(yè)用戶推出專業(yè)性更強(qiáng)的MR（混合現(xiàn)實(shí)）建模結(jié)合云計(jì)算，使行業(yè)內(nèi)用戶建模更高效，變革原有的建模行業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)用戶的滲透。

2.2.1 AR建模軟件"WE DREAM”運(yùn)行原理

①什么是AR：

AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），AR即通過算法將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，建模軟件利用了AR 如上的特性，將用戶建模的虛擬過程實(shí)時(shí)疊加于現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，使用戶透過手機(jī)可以直觀地看見制作模型的實(shí)體大小，色彩等信息。同時(shí)借助AR技術(shù)中的部分特性，使得用戶可以從任意角度觀察物體，這些改變解決了原有建模軟件缺乏直觀的痛點(diǎn)，使用戶可以在制作過程中實(shí)時(shí)且任意角度觀察自己所制作的模型，并且由此也可以規(guī)避許多不必要的問題，例如3D打印完的器件無法完美的適配家庭環(huán)境。

②AR運(yùn)行原理及過程

由AR API來實(shí)現(xiàn)相機(jī)捕捉現(xiàn)實(shí)世界圖像，使用Scene API在圖像中顯示虛擬3D模型。

其中在AR API 中的ARSession的主要目的就是負(fù)責(zé)追蹤相機(jī)在3D世界中的位置以及一些特征場(chǎng)景的捕捉，找平面。AR API中的ARWorldTrackingSessionConfiguration（會(huì)話追蹤配置）的作用是跟蹤設(shè)備的方向和位置，以及檢測(cè)設(shè)備攝像頭看到的現(xiàn)實(shí)世界的表面。它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一系列非常龐大的算法計(jì)算以及調(diào)用了用戶手機(jī)的IMU，地磁傳感器來檢測(cè)手機(jī)的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)甚至是翻滾。在一個(gè)完整的虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)中。

通過以上幾個(gè)主要部分將真實(shí)世界畫面轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)3D場(chǎng)景，這一個(gè)轉(zhuǎn)變的過程主要分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：由ARCamera負(fù)責(zé)捕捉攝像頭畫面，由ARSession負(fù)責(zé)搭建3D場(chǎng)景。

③"WE DREAM” 建模軟件的運(yùn)行過程

1.ARSCNView加載場(chǎng)景SCNScene

2.SCNScene啟動(dòng)相機(jī)ARCamera開始捕捉場(chǎng)景

3.捕捉場(chǎng)景后ARSCNView開始將場(chǎng)景數(shù)據(jù)交給Session

4.Session通過管理ARSessionConfiguration實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的追蹤同時(shí)ARWorldTrackingSessionConfiguration計(jì)算出相機(jī)在3D世界中的位置時(shí)并且返回一個(gè)ARFrame函數(shù)

5.給ARSCNView的scene添加一個(gè)子節(jié)點(diǎn)（3D物體模型）

6.顯示ARSCNView 在用戶手機(jī)屏幕上，此時(shí)用戶可以看見自己制作的3D模型的具體樣式

7.用戶此時(shí)對(duì)3D模型進(jìn)行調(diào)整后，軟件將會(huì)運(yùn)行4-6階段，實(shí)時(shí)更新模型狀態(tài)

8.由此用戶即可做到通過手指建模并且借助AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）的力量直觀的預(yù)覽自己制作的模型。

9.用戶制作完后，即可選擇機(jī)柜進(jìn)行打印。

3系統(tǒng)流程

3.1機(jī)柜運(yùn)行原理

1. 用戶掃碼跳轉(zhuǎn)到微信小程序后，引導(dǎo)用戶提交照片，服務(wù)器通過云切片算法將照片3D化，返回3D模型并利用AR技術(shù)使用戶預(yù)覽制作成品樣式，用戶在小程序端完成支付，確認(rèn)收款后發(fā)送數(shù)據(jù)至機(jī)柜控制板，同時(shí)屏幕顯示打印進(jìn)度及對(duì)應(yīng)打印機(jī)窗口

2. 控制板發(fā)送彩色文件至覆膜打印機(jī)處，控制紙槽選擇覆膜大小，紙張通過打印機(jī)后沿導(dǎo)軌傳送至分配到的3D打印機(jī)處，通過伺服電機(jī)定位覆膜

3. 傳感器檢測(cè)到覆膜后，回傳控制板數(shù)據(jù)

4. 控制板發(fā)送3D打印數(shù)據(jù)至3D打印機(jī)，開始3D成型

5. 打印結(jié)束后，控制板開啟機(jī)柜玻璃門，用戶取出打印成品

6. 控制板控制對(duì)應(yīng)相框滑落至取貨口

4 結(jié)束語

（1） 本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的功能

在本項(xiàng)目中，通過AR與手指建模軟件的結(jié)合，用戶即可使用手機(jī)在手指建模的過程中結(jié)合AR，使其在建模全過程都能如同在現(xiàn)實(shí)中捏制模型，非常直觀簡易。結(jié)合本項(xiàng)目的共享打印機(jī)，降低用戶門檻，幫用戶完成原有困難重重的3D模型打印。

（2）未來期望

該項(xiàng)目能新思路導(dǎo)入行業(yè)市場(chǎng)，以高校及初創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園為跳板逐步耕耘行業(yè)市場(chǎng)，提供精度極高的光敏打印技術(shù)，并結(jié)合5G積極開展云計(jì)算提供服務(wù)，并結(jié)合自研的專業(yè)級(jí)的AR與VR結(jié)合的建模技術(shù)，其在用戶建模難度、建模效率、建模質(zhì)量、打印質(zhì)量等一系列需求均相較原有平臺(tái)有了革命性的提升。并且行業(yè)用戶不需要為硬件投入購買維護(hù)的費(fèi)用，將有望提升用戶事業(yè)的發(fā)展效率。

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作者簡介：

溫錦龍（1999-）男，上海，本科在讀，單位：上海工程技術(shù)大學(xué)，研究方向：城市軌道交通車輛工程。