基于虛擬現實的3D打印體驗系統(tǒng)設計與實現

李子健+趙祖燁+田誦權+張楠

摘要：目前，3D打印技術不斷普及，但傳統(tǒng)學習渠道具有一定局限性，且3D打印設備價格昂貴，現場操作也存在一定安全問題。針對上述不足，應用虛擬現實技術，開發(fā)了一個3D打印體驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UG對設備建模，Blender對模型進行渲染，通過Unity3D三維引擎開發(fā)平臺完成虛擬場景構建，并通過SteamVR實現虛擬現實裝備HTC Vive與虛擬場景交互。經過虛擬3D打印模型測試，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，提供了一個直觀、安全、高效的3D打印體驗環(huán)境。

關鍵詞關鍵詞：3D打??；虛擬現實；SteamVR；Unity3D；反向動力學

DOIDOI：10.11907/rjdk.172589

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011004403

0引言

3D打印技術是通過連續(xù)的物理層堆積，逐層增加材料生成三維實體的技術，又稱為增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）。作為一種綜合性應用技術，3D打印綜合了數字建模、機電控制、信息、材料科學等諸多前沿技術 [1]。隨著技術的不斷發(fā)展，許多學校開設了相關課程，但通過視頻、圖片、文字的傳統(tǒng)教育方式，由于缺少實際對象，教學效果并不理想，而現場操作具有一定的危險性，且3D打印設備費用較高，更新和維護較為困難。

針對上述問題，利用集沉浸感、交互性和想象性于一體的虛擬現實技術，設計了基于Unity3d的虛擬現實3D打印體驗系統(tǒng)。使用建模軟件進行三維模型搭建，利用Unity3d構建出3D打印體驗虛擬場景，運用計算機技術、多媒體技術以及HTC Vive虛擬現實硬件構建一個完整的3D打印體驗架構，采用C#語言、.NET框架以及Unity3D平臺對系統(tǒng)進行開發(fā)。該系統(tǒng)可為使用者提供一個直觀、安全、高效的3D打印體驗環(huán)境，激發(fā)學習興趣，同時減少了設備成本、避免了設備安全隱患，具有較高的經濟和安全性。

1虛擬3D打印系統(tǒng)技術框架

1.13D打印技術

3D打印技術屬于快速成型技術中的一種，又稱為增材制造技術。增材制造技術是根據三維CAD的設計數據，使用液體、粉末、絲、片、板、塊等離散材料逐層疊加，制造出實物的數字化制造技術。與傳統(tǒng)加工方式相比， 3D 打印技術將三維實體加工變?yōu)橛牲c到線、由線到面、由面到體的離散堆積成形過程， 極大降低了制造復雜度[2]。

1.2虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數字化環(huán)境中的對象進行交互作用、相互影響，產生親臨實境的感受和體驗[3]。本系統(tǒng)通過Unity3D開發(fā)引擎并采用SteamVR插件，利用HTC Vive虛擬現實設備完成系統(tǒng)構建，豐富3D打印的體驗場景，不需3D打印裝備也可體驗3D打印技術。

1.33D打印系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，系統(tǒng)總體設計結構分為4大部分：①虛擬現實交互設備：HTC Vive提供虛擬現實顯示硬件并與Unity中所創(chuàng)建元素之間進行交互；②用戶界面控制系統(tǒng)：對打印機進行參數設置及狀態(tài)監(jiān)控；③打印機運行控制系統(tǒng)：控制打印機的開機、調平、打印、冷卻等基本操作；④模型分析計算系統(tǒng)：對需要打印的模型進行分析，對模型進行簡單的底座支撐計算，并計算打印噴頭的運動軌跡。系統(tǒng)通過HTC Vive虛擬現實裝備進行交互，進入用戶界面設置和控制，完成后進行模型打印，與此同時進行模型分析計算，確定每一層打印時打印噴頭的運動軌跡，最后完成打印。

圖1總體設計結構

2系統(tǒng)詳細設計

2.1模型交互模塊

交互模塊是虛擬現實系統(tǒng)中一個最為重要的環(huán)節(jié)，是對虛擬現實系統(tǒng)場景的還原。系統(tǒng)場景中，打印機模型根據utilmaker的.stp文件，通過Free CAD軟件將模型分塊導出為.obj文件，使用Blender軟件進行詳細的屬性設置，渲染得到.fbx文件。整個漫游場景為一個已有的實驗室風格模型，如圖2所示。其它模型如觸控顯示器等都通過UG繪制導出.stl后，通過Blender轉換為.fbx文件。

為了提高用戶體驗，增強模型的真實性，在處理過程中對模型進行優(yōu)化：對于用UG建模后的模型，由于表面缺少貼圖，要通過Free CAD將模型的材質相同部分一起導出成.obj模型，再全部導入到Blender中，最后導入到Unity3D中進行更加詳細的設置。如圖3所示，將金屬外殼部分的著色器更改為可以增加環(huán)境反射的Legacy Shaders/Reflective/Specular著色器，并將Reflection Cubemap設置為Cubemap，從而使金屬表面反射出實驗室環(huán)境等。

圖2虛擬實驗室圖3模型

2.23D打印機運動模塊

打印機運動分為打印機噴頭、平臺、打印線材3部分運動。

打印機噴頭運動分為打印時運動和開始及結束時運動兩種。前者則需要進行打印軌跡點保存，再讓噴頭跟隨軌跡運動。后者運動為移向固定點，只需使用物體移動函數即可。平臺運動分為打印開始、結束時的運動和打印過程中的運動。與噴頭運動類似，前者只需要使用移動函數移動即可。后者則根據噴頭完成一層打印后進行高度下降。打印線材運動則涉及到線材跟隨噴頭運動，為了增強模型的真實性，利用反向動力學（Inverse kinematics）使噴頭和材料組合成關節(jié)式物體實現線材運動。

2.3模型分析計算模塊

Unity3D中的材質通過著色器的控制對物體進行著色。著色器包括固定功能著色器、表面著色器及頂點及片段著色器。模型打印過程中應逐漸顯示出來，這種效果需要著色時獲取模型的頂點，只對處于一定高度的部分頂點和面進行著色，但表面著色器無法完成這項工作。本文編寫一種頂點及片段著色器，相當于將模型進行分層渲染，結合C#腳本控制模型的顯示。endprint

3關鍵技術

3.1柔體仿真與反向動力學

3D打印機在打印過程中消耗線材，線材放在機身后由一根線管牽出，線管跟隨噴頭的運動而進行變形?？紤]到線管的柔性以提高仿真效果，使用模型骨骼和反向動力學。反向動力學是一種通過先確定子骨骼位置，然后反求推導出所在骨骼鏈上n級父骨骼位置，從而確定整條骨骼鏈的方法[4]。具體過程是：先確定一個自由端的骨骼位置，然后再反向推導出它的父骨骼角度和位置，以此類推，一直推算到固定端處的骨骼，即為由自由端帶動固定端運動的方式。以人體為例，就是由手腳等自由端的運動帶動肩部或身體運動。

本系統(tǒng)中，線管的固定端連接著打印機，自由端為連接噴頭部分，自由端跟隨噴頭運動，又通過反向動力學帶動剩余骨骼運動，從而達到模擬線管的變形形狀。再通過Blender進行蒙皮操作，使骨骼與模型綁定，為骨骼增加外殼，并通過效果調整影響線管模型變形的權值分配，最終模型如圖4所示，在Unity3d中的設置如圖5所示。

3.2打印噴頭軌跡設定方法

在模型的Meshfilter組件中可通過mesh.verticles屬性獲取模型的頂點，從而得到點集。通過遍歷集合中的所有點進行篩選，將模型指定高度的頂點橫縱坐標保存到指定數組中，根據掃描效率設定相應的掃描間距Δy，采用活性邊表法[5]，將獲得的每一行掃描線的交點按照x坐標升序排列， 將每一行的掃描線數據根據y坐標升序排列， 由此形成掃描線交點表。根據y值快速獲取該掃描線上所有交點的x坐標，將坐標數組保存至噴頭運動軌跡點的類HeadMoveTrack中，打印機噴頭就會根據掃描線的順序進行移動。實例中的點移動一次，平臺就會下降，進行下一層的運算判斷。由于模型本身建模過程中的分層問題，當打印機設置精度大于模型本身的分層數時，會導致不存在滿足此范圍的頂點坐標。為避免該情況，本系統(tǒng)根據上下兩層的坐標填補，當檢測到實例中存儲的點少于一定數量時，重復進行上一層或下一層運動。

3.3SteamVR插件使用方法

VR開發(fā)還需將SteamVR開發(fā)插件中的CameraRig、SteamVR、Status三個Prefab全部導入到scene中，這樣才會進行VR設備識別。

CameraRig表示整個人的活動范圍。其子物體有頭盔，包括相機和耳機，還有左右手柄。直接將此預設導入后調整Transform組件中的Scale，使其達到人在場景中的合適比例。本系統(tǒng)在VR中使用從手柄發(fā)射出的激光進行操作，通過繼承SteamVR的LaserPointer，并添加雙手的LaserCubeCollider類來實現。

4VR環(huán)境測試

根據3D打印機運行順序，對整個系統(tǒng)場景進行截圖。從3D打印機靜止狀態(tài)→選擇調好顏色的材料線圈→安裝至3D打印機→正在進行打印→打印結束拿出打印模型花瓶，效果如圖6所示。

圖6虛擬3D打印運行效果

5結語

本文研究成果雖然是針對FDM（熔融沉積成型）3D打印機仿真打印，但也適用其它3D打印技術的虛擬打印系統(tǒng)開發(fā)。測試結果表明，基于Unity3D的3D打印體驗系統(tǒng)運行流暢，為學習者提供了一個直觀、安全、高效的體驗環(huán)境。通過該平臺，用戶可以快速了解3D打印工作流程，加上真實的環(huán)境音效，可增強現場體驗感，激發(fā)學習興趣。同時，避免了現場實操設備損壞和安全隱患。

隨著VR技術的不斷發(fā)展，用戶在使用虛擬現實設備時帶來的體驗度將會大大提升。由于這種VR模擬系統(tǒng)帶來的用戶體驗是其它方式無法比擬的，所以，隨著3D打印技術的不斷普及，其它3D打印技術，如SLA（光固化立體造型）、SLS（選擇性激光燒結）等也可利用本系統(tǒng)進行完善。

參考文獻參考文獻：

[1]王雪瑩.3D打印技術與產業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術企業(yè)，2012 （26）：35.

[2]史玉升，張李超，白宇，等. 3D打印技術的發(fā)展及其軟件實現[J].中國科學：信息科學，2015（2）：197203.

[3]龍鉭.三維動畫制作中角色裝配技術的研究和實現[D].上海：上海交通大學，2010.

[4]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學：信息科學，2009（1）：246.

[5]ROGERS D F. Procedural elements for computer graphics[M]. New York： The McGrawHill Companies， 1998：98104.

[6]ROGERS D F. 計算機圖形學的算法基礎 [M].石教英，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2002：8597.

[7]張李超.快速成型軟件及控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學，2002.

[8]孫家廣.計算機圖形學[M].第3版.北京：清華大學出版社，1998：178180.

[9]Unity documentation[EB/OL].https：//docs.unity3d.com/Script Reference.

[10]金璽曾.Unity手機游戲開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2013.

[11]張克發(fā)，趙興，謝有龍.AR與VR開發(fā)實戰(zhàn)[M].北京：清華大學出版社，2016：218235.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）endprint