基于增强现实技术的3D打印辅助系统研究

林木 丁雨 单丽君

摘要：简要介绍了增强现实技术及AR+3D打印技术的应用情况，阐述了基于增强现实技术的3D打印辅助系统的构建和实现过程。该系统利用Unity3D引擎，以3D打印模型为研究对象，将3D打印技术和增强现实技术相结合，实现了虚拟和真实环境的融合显示。系统发布于PC端并应用于3D打印工作和机械结构教学中，对于促进机械行业的智能化发展具有重要意义。

关键词：增强现实;3D打印;Unity3D引擎;仿真教学

0 引言

近年来随着科学技术的不断发展，3D打印技术的应用领域日益扩大。同时，3D打印技术不断改进，操作简便，使许多制造商开始将人工智能技术与3D打印机结合使用，可以大大缩短整个工程项目的设计周期。

增强现实（AR）是虚拟现实研究的重要分支，它是随着虚拟现实技术的发展和成熟而产生的，因此两者之间有着密不可分的关系。混合现实是指将现实环境和虚拟环境按一定比例混合。通常虚拟现实系统通过构建封闭的沉浸式环境，将用户带入计算机生成的虚拟世界，而增强现实系统则相反，它试图将计算机生成的虚拟信息插入用户的实际工作环境中。

1 增强现实技术及AR+3D打印技术的应用

1.1    增强现实技术

增强现实是近年来学术界的研究热点，是虚拟现实的重要分支。增强现实技术通过将计算机生成的虚拟图像实时叠加到真实环境中，获得了与传统沉浸式虚拟现实技术完全不同的视觉效果。

与虚拟现实技术相比，增强现实技术利用了多传感器技术、人机交互技术、计算机图形技术和立体显示技术，从而可以将用户周围的真实环境与计算机生成的虚拟环境整合在一起。增强现实技术通过可视化技术生成真实环境中不存在的虚拟对象，然后通过传感技术将虚拟对象添加到增强现实系统中，然后将虚拟对象和真实环境集成到立体显示设备中，最后将一种贴近真实感官效果的新环境呈现在用户眼前。

1.2    AR+3D打印技术

美国康奈尔大学已经开发了3D打印+AR技术，通过AR视觉来控制3D打印的模型生成，从而节省了企业的生产成本。

利用3D打印+AR技术，我国成功完成了首例高科技骨科手术。该手术使用AR技术检查患者身体的病变部位，然后将患者的检查图像数据导入计算机中生成详细的病变部位3D模型，最后由3D打印技术打印出人体组织。在手术中使用3D打印+AR技术，有助于医生进行准确的手术规划，从而大大提高手术的成功率和安全性，并且3D打印机打印出来的人体组织模型更适合患者。

3D打印+AR技术是未来3D打印技术的重要发展方向。AR和3D打印技术的强强结合，可以縮短打印时间，提高打印效率，从而节省企业生产成本。

2 基于增强现实技术的3D打印辅助系统构建

利用增强现实技术，将3D打印的虚拟几何模型投影到真实环境中的正确位置，并与真实打印区域对齐，以实现虚拟和真实对象的融合显示。虚拟现实融合系统按从上到下、从左到右的顺序遍历层次树模型中的每个节点，渲染并生成虚拟和真实的融合场景。

基于增强现实技术的3D打印辅助系统工作原理：由摄像机收集3D打印工作场景的视频流信号，并通过对3D打印工作场景进行解码来获得真实3D打印场景的输入图像、视频流，从计算机辅助设计系统获得增强现实系统所需的虚拟对象模型和相关信息，并通过该软件读取3D打印模型的信息。

3 基于增强现实技术的3D打印辅助系统的实现

本系统的实现过程中用到了Unity3D引擎及其AR Foundation插件。ARFoundation是Unity3D引擎构建的一个AR开发平台。2017年，Apple公司与Google公司相继推出了各自的AR开发SDK工具包ARKit和ARCore，分别对应iOS平台与Android平台的AR开发。ARKit和ARCore推出后，极大地促进了AR在移动端的普及发展，将AR从实验室带入到普通消费场景中。由于当前的移动手机操作系统主要由iOS与Android两大系统统治，ARKit和ARCore分别服务于各自的系统平台，这意味着软件生厂商要开发一套移动AR应用就必须使用ARKit开发一个iOS版本，使用ARCore开发一个Android版本，这无疑增加了开发时间与成本。

ARCore提供了Android、Android NDK、Unity、Unreal开发包，ARKit官方只提供了Xcode开发包，这也提高了利用其他工具进行开发的开发者的学习成本。在这种情况下，Unity3D构建了一个AR开发平台，这就是ARFoundation，这个平台架构于ARKit和ARCore之上，其目的就是利用Unity3D的跨平台能力，构建一种与平台无关的AR开发环境，换句话说，ARFoundation对ARKit与ARCore进行了再次封装，并按照用户的发布平台自动选择合适的底层SDK版本。

开发人员借助AR Foundation，可以在Unity3D中以多平台的方式开发增强现实技术。该软件包提供了一个供Unity3D开发人员使用的界面，但本身并未实现任何AR功能。要在目标设备上使用AR Foundation，还需要添加针对该平台的软件包，例如iOS平台的ARKit XR Plugin或Android平台的ARCore XR Plugin。

系统中各个组件的功能：

3.1    AR Session

每个AR场景应包含一个AR Session组件来管理全局，AR Session可以附加在任何的GameObject上，并通过在目标平台上启用或禁用AR来控制其生命周期。

如果启用“Attempt Update”选项，则设备将尝试更新AR软件，但此功能的支持与否取决于平台类型。

3.2    AR Session Origin

AR Session Origin的目的是将可跟踪特征转换为Unity3D场景中的位置、方向和比例。AR设备通过在“session space”中提供其数据，并由AR Session Origin转换到Unity3D空间。AR Session Origin还可以缩放虚拟内容并将偏移量应用于AR相机。

4 结语

借助基于增强现实技术的3D打印辅助系统，我们可以最终将3D打印场景与虚拟模型实时融合，以形成虚拟与真实环境相融合的3D打印工作环境。通过Unity3D引擎发布应用程序，将基于增强现实技术的3D打印辅助系统应用于3D打印工作和课程教学中。

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收稿日期：2020-07-06

作者简介：林木（1985—），男，辽宁丹东人，硕士，博士研究生，讲师，研究方向：机械现代设计方法、机械CAD/CAE等。