李子健+趙祖燁+田誦權(quán)+張楠

摘要：目前，3D打印技術(shù)不斷普及，但傳統(tǒng)學(xué)習(xí)渠道具有一定局限性，且3D打印設(shè)備價(jià)格昂貴，現(xiàn)場操作也存在一定安全問題。針對(duì)上述不足，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)3D打印體驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用UG對(duì)設(shè)備建模，Blender對(duì)模型進(jìn)行渲染，通過Unity3D三維引擎開發(fā)平臺(tái)完成虛擬場景構(gòu)建，并通過SteamVR實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)裝備HTC Vive與虛擬場景交互。經(jīng)過虛擬3D打印模型測試，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，提供了一個(gè)直觀、安全、高效的3D打印體驗(yàn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：3D打?。惶摂M現(xiàn)實(shí)；SteamVR；Unity3D；反向動(dòng)力學(xué)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172589

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）011004403

0引言

3D打印技術(shù)是通過連續(xù)的物理層堆積，逐層增加材料生成三維實(shí)體的技術(shù)，又稱為增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）。作為一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，3D打印綜合了數(shù)字建模、機(jī)電控制、信息、材料科學(xué)等諸多前沿技術(shù) [1]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)校開設(shè)了相關(guān)課程，但通過視頻、圖片、文字的傳統(tǒng)教育方式，由于缺少實(shí)際對(duì)象，教學(xué)效果并不理想，而現(xiàn)場操作具有一定的危險(xiǎn)性，且3D打印設(shè)備費(fèi)用較高，更新和維護(hù)較為困難。

針對(duì)上述問題，利用集沉浸感、交互性和想象性于一體的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于Unity3d的虛擬現(xiàn)實(shí)3D打印體驗(yàn)系統(tǒng)。使用建模軟件進(jìn)行三維模型搭建，利用Unity3d構(gòu)建出3D打印體驗(yàn)虛擬場景，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)硬件構(gòu)建一個(gè)完整的3D打印體驗(yàn)架構(gòu)，采用C#語言、.NET框架以及Unity3D平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)可為使用者提供一個(gè)直觀、安全、高效的3D打印體驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)減少了設(shè)備成本、避免了設(shè)備安全隱患，具有較高的經(jīng)濟(jì)和安全性。

1虛擬3D打印系統(tǒng)技術(shù)框架

1.13D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)屬于快速成型技術(shù)中的一種，又稱為增材制造技術(shù)。增材制造技術(shù)是根據(jù)三維CAD的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，使用液體、粉末、絲、片、板、塊等離散材料逐層疊加，制造出實(shí)物的數(shù)字化制造技術(shù)。與傳統(tǒng)加工方式相比， 3D 打印技術(shù)將三維實(shí)體加工變?yōu)橛牲c(diǎn)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(fù)雜度[2]。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，產(chǎn)生親臨實(shí)境的感受和體驗(yàn)[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(xiàn)實(shí)設(shè)備完成系統(tǒng)構(gòu)建，豐富3D打印的體驗(yàn)場景，不需3D打印裝備也可體驗(yàn)3D打印技術(shù)。

1.33D打印系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為4大部分：①虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備：HTC Vive提供虛擬現(xiàn)實(shí)顯示硬件并與Unity中所創(chuàng)建元素之間進(jìn)行交互；②用戶界面控制系統(tǒng)：對(duì)打印機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)監(jiān)控；③打印機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)：控制打印機(jī)的開機(jī)、調(diào)平、打印、冷卻等基本操作；④模型分析計(jì)算系統(tǒng)：對(duì)需要打印的模型進(jìn)行分析，對(duì)模型進(jìn)行簡單的底座支撐計(jì)算，并計(jì)算打印噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。系統(tǒng)通過HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)裝備進(jìn)行交互，進(jìn)入用戶界面設(shè)置和控制，完成后進(jìn)行模型打印，與此同時(shí)進(jìn)行模型分析計(jì)算，確定每一層打印時(shí)打印噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，最后完成打印。

圖1總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1模型交互模塊

交互模塊是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中一個(gè)最為重要的環(huán)節(jié)，是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)場景的還原。系統(tǒng)場景中，打印機(jī)模型根據(jù)utilmaker的.stp文件，通過Free CAD軟件將模型分塊導(dǎo)出為.obj文件，使用Blender軟件進(jìn)行詳細(xì)的屬性設(shè)置，渲染得到.fbx文件。整個(gè)漫游場景為一個(gè)已有的實(shí)驗(yàn)室風(fēng)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(dǎo)出.stl后，通過Blender轉(zhuǎn)換為.fbx文件。

為了提高用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)模型的真實(shí)性，在處理過程中對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化：對(duì)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(zhì)相同部分一起導(dǎo)出成.obj模型，再全部導(dǎo)入到Blender中，最后導(dǎo)入到Unity3D中進(jìn)行更加詳細(xì)的設(shè)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(shè)置為Cubemap，從而使金屬表面反射出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等。

圖2虛擬實(shí)驗(yàn)室圖3模型

2.23D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊

打印機(jī)運(yùn)動(dòng)分為打印機(jī)噴頭、平臺(tái)、打印線材3部分運(yùn)動(dòng)。

打印機(jī)噴頭運(yùn)動(dòng)分為打印時(shí)運(yùn)動(dòng)和開始及結(jié)束時(shí)運(yùn)動(dòng)兩種。前者則需要進(jìn)行打印軌跡點(diǎn)保存，再讓噴頭跟隨軌跡運(yùn)動(dòng)。后者運(yùn)動(dòng)為移向固定點(diǎn)，只需使用物體移動(dòng)函數(shù)即可。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分為打印開始、結(jié)束時(shí)的運(yùn)動(dòng)和打印過程中的運(yùn)動(dòng)。與噴頭運(yùn)動(dòng)類似，前者只需要使用移動(dòng)函數(shù)移動(dòng)即可。后者則根據(jù)噴頭完成一層打印后進(jìn)行高度下降。打印線材運(yùn)動(dòng)則涉及到線材跟隨噴頭運(yùn)動(dòng)，為了增強(qiáng)模型的真實(shí)性，利用反向動(dòng)力學(xué)（Inverse kinematics）使噴頭和材料組合成關(guān)節(jié)式物體實(shí)現(xiàn)線材運(yùn)動(dòng)。

2.3模型分析計(jì)算模塊

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

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1柔體仿真與反向動(dòng)力學(xué)

3D打印機(jī)在打印過程中消耗線材，線材放在機(jī)身后由一根線管牽出，線管跟隨噴頭的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)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(dòng)力學(xué)。反向動(dòng)力學(xué)是一種通過先確定子骨骼位置，然后反求推導(dǎo)出所在骨骼鏈上n級(jí)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(gè)自由端的骨骼位置，然后再反向推導(dǎo)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(dòng)固定端運(yùn)動(dòng)的方式。以人體為例，就是由手腳等自由端的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)肩部或身體運(yùn)動(dòng)。

本系統(tǒng)中，線管的固定端連接著打印機(jī)，自由端為連接噴頭部分，自由端跟隨噴頭運(yùn)動(dòng)，又通過反向動(dòng)力學(xué)帶動(dòng)剩余骨骼運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到模擬線管的變形形狀。再通過Blender進(jìn)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(diào)整影響線管模型變形的權(quán)值分配，最終模型如圖4所示，在Unity3d中的設(shè)置如圖5所示。

3.2打印噴頭軌跡設(shè)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(diǎn)，從而得到點(diǎn)集。通過遍歷集合中的所有點(diǎn)進(jìn)行篩選，將模型指定高度的頂點(diǎn)橫縱坐標(biāo)保存到指定數(shù)組中，根據(jù)掃描效率設(shè)定相應(yīng)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(diǎn)按照x坐標(biāo)升序排列， 將每一行的掃描線數(shù)據(jù)根據(jù)y坐標(biāo)升序排列， 由此形成掃描線交點(diǎn)表。根據(jù)y值快速獲取該掃描線上所有交點(diǎn)的x坐標(biāo)，將坐標(biāo)數(shù)組保存至噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的類HeadMoveTrack中，打印機(jī)噴頭就會(huì)根據(jù)掃描線的順序進(jìn)行移動(dòng)。實(shí)例中的點(diǎn)移動(dòng)一次，平臺(tái)就會(huì)下降，進(jìn)行下一層的運(yùn)算判斷。由于模型本身建模過程中的分層問題，當(dāng)打印機(jī)設(shè)置精度大于模型本身的分層數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不存在滿足此范圍的頂點(diǎn)坐標(biāo)。為避免該情況，本系統(tǒng)根據(jù)上下兩層的坐標(biāo)填補(bǔ)，當(dāng)檢測到實(shí)例中存儲(chǔ)的點(diǎn)少于一定數(shù)量時(shí)，重復(fù)進(jìn)行上一層或下一層運(yùn)動(dòng)。

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(gè)Prefab全部導(dǎo)入到scene中，這樣才會(huì)進(jìn)行VR設(shè)備識(shí)別。

CameraRig表示整個(gè)人的活動(dòng)范圍。其子物體有頭盔，包括相機(jī)和耳機(jī)，還有左右手柄。直接將此預(yù)設(shè)導(dǎo)入后調(diào)整Transform組件中的Scale，使其達(dá)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(jìn)行操作，通過繼承SteamVR的LaserPointer，并添加雙手的LaserCubeCollider類來實(shí)現(xiàn)。

4VR環(huán)境測試

根據(jù)3D打印機(jī)運(yùn)行順序，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)場景進(jìn)行截圖。從3D打印機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)→選擇調(diào)好顏色的材料線圈→安裝至3D打印機(jī)→正在進(jìn)行打印→打印結(jié)束拿出打印模型花瓶，效果如圖6所示。

圖6虛擬3D打印運(yùn)行效果

5結(jié)語

本文研究成果雖然是針對(duì)FDM（熔融沉積成型）3D打印機(jī)仿真打印，但也適用其它3D打印技術(shù)的虛擬打印系統(tǒng)開發(fā)。測試結(jié)果表明，基于Unity3D的3D打印體驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行流暢，為學(xué)習(xí)者提供了一個(gè)直觀、安全、高效的體驗(yàn)環(huán)境。通過該平臺(tái)，用戶可以快速了解3D打印工作流程，加上真實(shí)的環(huán)境音效，可增強(qiáng)現(xiàn)場體驗(yàn)感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，避免了現(xiàn)場實(shí)操設(shè)備損壞和安全隱患。

隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶在使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備時(shí)帶來的體驗(yàn)度將會(huì)大大提升。由于這種VR模擬系統(tǒng)帶來的用戶體驗(yàn)是其它方式無法比擬的，所以，隨著3D打印技術(shù)的不斷普及，其它3D打印技術(shù)，如SLA（光固化立體造型）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）等也可利用本系統(tǒng)進(jìn)行完善。

參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：

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

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

[3]龍鉭.三維動(dòng)畫制作中角色裝配技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[4]趙沁平.虛擬現(xiàn)實(shí)綜述[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的算法基礎(chǔ) [M].石教英，譯.北京：機(jī)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(xué)，2002.

[8]孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].第3版.北京：清華大學(xué)出版社，1998：178180.

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

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

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

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）endprint