利用AR技術簡化建模的共享3D打印機

溫錦龍 宋瑞剛 張曉凱 王揚帆 周東方

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

關鍵詞：3D打印機;3D建模;AR技術;互聯(lián)網(wǎng)

0引言

近年來，3D打印技術逐漸進入人們的視野，但是對于大眾人群，該方便快捷的技術并沒有機會融入人們的日常生活。在本項目中，通過AR與手指建模軟件的結合，用戶即可使用手機在手指建模的過程中結合AR，使其在建模全過程都能如同在現(xiàn)實中捏制模型，非常直觀簡易。結合本項目的共享打印機，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打印機普及的困難

1）打印速度慢

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

2）打印耗材有限

雖然目前桌面級3D打印機可以打印百余種耗材，但對于用戶常用的材料而言，只有寥寥幾種，在技術上還未完全成熟，長時間的使用最終導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用戶的信賴。

3）建模難

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

針對以上的困難我們提出了本項目的共享打印機，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：

機柜內(nèi)設置3D打印機，結合搭建的公眾號、小程序、及"WE DREAM”軟件實現(xiàn)共享3D打印服務。同時機柜內(nèi)逐漸設立3D掃描儀、彩色3D打印機，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與小程序，結合云切片技術，以滿足輕量級3D打印服務。

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

配合機柜內(nèi)設備，可對現(xiàn)實中物體進行數(shù)字化，在"WE DREAM”軟件中可對其進行再編輯，結合機柜的打印服務，輕松實現(xiàn)物體的復刻。并針對行業(yè)用戶推出專業(yè)性更強的MR（混合現(xiàn)實）建模結合云計算，使行業(yè)內(nèi)用戶建模更高效，變革原有的建模行業(yè)，實現(xiàn)對行業(yè)用戶的滲透。

2.2.1 AR建模軟件"WE DREAM”運行原理

①什么是AR：

AR（增強現(xiàn)實），AR即通過算法將虛擬信息疊加到現(xiàn)實世界中，建模軟件利用了AR 如上的特性，將用戶建模的虛擬過程實時疊加于現(xiàn)實當中，使用戶透過手機可以直觀地看見制作模型的實體大小，色彩等信息。同時借助AR技術中的部分特性，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，使用戶可以在制作過程中實時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運行原理及過程

由AR API來實現(xiàn)相機捕捉現(xiàn)實世界圖像，使用Scene API在圖像中顯示虛擬3D模型。

其中在AR API 中的ARSession的主要目的就是負責追蹤相機在3D世界中的位置以及一些特征場景的捕捉，找平面。AR API中的ARWorldTrackingSessionConfiguration（會話追蹤配置）的作用是跟蹤設備的方向和位置，以及檢測設備攝像頭看到的現(xiàn)實世界的表面。它的內(nèi)部實現(xiàn)了一系列非常龐大的算法計算以及調(diào)用了用戶手機的IMU，地磁傳感器來檢測手機的移動及旋轉甚至是翻滾。在一個完整的虛擬增強現(xiàn)實體驗中。

通過以上幾個主要部分將真實世界畫面轉變?yōu)橐粋€3D場景，這一個轉變的過程主要分為兩個環(huán)節(jié)：由ARCamera負責捕捉攝像頭畫面，由ARSession負責搭建3D場景。

③"WE DREAM” 建模軟件的運行過程

1.ARSCNView加載場景SCNScene

2.SCNScene啟動相機ARCamera開始捕捉場景

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

4.Session通過管理ARSessionConfiguration實現(xiàn)場景的追蹤同時ARWorldTrackingSessionConfiguration計算出相機在3D世界中的位置時并且返回一個ARFrame函數(shù)

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

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

7.用戶此時對3D模型進行調(diào)整后，軟件將會運行4-6階段，實時更新模型狀態(tài)

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

9.用戶制作完后，即可選擇機柜進行打印。

3系統(tǒng)流程

3.1機柜運行原理

1. 用戶掃碼跳轉到微信小程序后，引導用戶提交照片，服務器通過云切片算法將照片3D化，返回3D模型并利用AR技術使用戶預覽制作成品樣式，用戶在小程序端完成支付，確認收款后發(fā)送數(shù)據(jù)至機柜控制板，同時屏幕顯示打印進度及對應打印機窗口

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

3. 傳感器檢測到覆膜后，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，開始3D成型

5. 打印結束后，控制板開啟機柜玻璃門，用戶取出打印成品

6. 控制板控制對應相框滑落至取貨口

4 結束語

（1） 本項目實現(xiàn)的功能

在本項目中，通過AR與手指建模軟件的結合，用戶即可使用手機在手指建模的過程中結合AR，使其在建模全過程都能如同在現(xiàn)實中捏制模型，非常直觀簡易。結合本項目的共享打印機，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

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

參考文獻：

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[3]黃斯思.《淺談AR技術在交互設計中的運用》.大眾文藝，（2020-3）

[4]夏蕾.《探析VR/AR應用場景及關鍵技術》. 電腦編程技巧與維護，（2018-10）

作者簡介：

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