秦璐，司占軍，劉哲

基于AR技術(shù)的激光打印機交互應(yīng)用設(shè)計與開發(fā)

秦璐，司占軍，劉哲

（天津科技大學，天津 300457）

針對激光打印機的使用、維護和培訓(xùn)等需求，探究AR技術(shù)在激光打印機的虛擬交互和工藝流程上的應(yīng)用研究。以三星M2876HN型號的激光打印機為研究對象，使用3ds Max 2018來制作模型和動畫，通過Unity 3D配合Vuforia SDK開發(fā)AR效果的應(yīng)用軟件。發(fā)布了移動應(yīng)用，該應(yīng)用可以實現(xiàn)對激光打印機的識別，展示激光打印機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、耗材的更換和內(nèi)部運轉(zhuǎn)動畫，可以對模型進行旋轉(zhuǎn)縮放和查看激光打印機的信息。將AR技術(shù)和激光打印機相結(jié)合不僅為激光打印機功能展示提供了新模式，而且模擬了激光打印機使用過程的一些問題，增加了用戶與激光打印機的互動體驗。

激光打印機；AR技術(shù)；Unity；Vuforia

隨著社會的發(fā)展，越來越多的工作需要在電腦上完成，激光打印機經(jīng)過多年發(fā)展和推廣，如今已經(jīng)幾乎成為辦公的必備設(shè)施[1]。在新用戶接觸和使用激光打印機的過程中，會因為缺少對激光打印機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和打印原理的了解，經(jīng)常會遇到更換耗材或者打印機故障等問題，由于紙質(zhì)和視頻等傳統(tǒng)媒體對激光打印機信息傳遞不夠全面，因此需要新的媒體對激光打印機進行更全面直接的展示和介紹。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）指將計算機生成的虛擬物體或信息實時注冊到三維世界中[2]，使用者既能看到真實世界，又能通過設(shè)備與虛擬物體互動[3]。長期以來，工程研究界一直著眼于AR技術(shù)在裝配操作方面的應(yīng)用[4]。AR技術(shù)在許多方面都有廣泛的應(yīng)用，比如教學培訓(xùn)、游戲娛樂、軍事和文物古跡數(shù)字重現(xiàn)等領(lǐng)域[5]。隨著計算機技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)、智能設(shè)備的不斷發(fā)展和革新，一些AR設(shè)備已經(jīng)進入市場，渲染質(zhì)量、舒適性方面有了顯著的改進，在各個行業(yè)中用戶的感受日益重要[6]。由于AR頭盔等設(shè)備具有局限性[7]，AR技術(shù)在手機等智能移動設(shè)備上的應(yīng)用將是一個重要研究方向。通過AR技術(shù)將激光打印機模型疊加到實機上，從而實現(xiàn)激光打印機的虛擬交互，展示激光打印機的信息和功能，AR技術(shù)可運用到激光打印機的使用、維護和展示等方面。

1 激光打印機工作原理

激光打印機的工作流程主要包括頁面轉(zhuǎn)換、充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影等[8]。激光打印機內(nèi)的圖像處理器會將打印文件的圖文信息轉(zhuǎn)換為點陣數(shù)據(jù)，在打印工作后呈現(xiàn)到打印紙上[9]。

感光鼓又叫硒鼓，由接地金屬筒、光導(dǎo)層和透明絕緣保護層組成，光導(dǎo)層在受到光照前是絕緣體，經(jīng)過光照后會變成導(dǎo)體，這種光導(dǎo)特性是激光打印機工作的核心原理。充電輥給感光鼓充電使感光鼓上產(chǎn)生電荷[10]，然后激光發(fā)射器發(fā)出激光對感光鼓的光導(dǎo)層進行曝光，被激光照射到的部分光導(dǎo)層變成導(dǎo)體，這部分的電荷與接地金屬筒導(dǎo)通消失，沒有被照射到的地方電荷依然存在[11]，這時感光鼓上的電荷分布就形成了靜電潛像。墨粉在墨倉中摩擦后會帶上電荷，顯影輥將墨倉里的墨粉吸附在表面，顯影輥和感光鼓接觸時，墨粉被吸附到了感光鼓上有電荷的地方，感光鼓表面就形成了墨粉構(gòu)成的圖像。

圖1 激光打印機工作原理

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 開發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng)為Windows 10家庭中文版，處理器為Intel(R) Core(TM) i7–9750H CPU@2.60 GHz 2.59 GHz，64位操作系統(tǒng)，安裝內(nèi)存為8.00 GB。

2.2 開發(fā)工具

建模軟件使用3ds Max 2018（簡稱3d Max）完成，3d Max功能強大而且靈活，方便實現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)、模型材質(zhì)和模型動畫的制作。

選用Vuforia SDK（簡稱Vuforia）配合Unity 3D開發(fā)引擎（簡稱Unity）進行AR設(shè)計和軟件制作，Vuforia是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）的增強現(xiàn)實技術(shù)解決方案，是當前最流行的增強現(xiàn)實開發(fā)平臺之一。在Unity中Vuforia具有很好的交互功能和三維展示效果，可以通過使用Visual Studio編寫腳本和使用插件實現(xiàn)對目標物體的控制。Unity支持Android、iOS等操作系統(tǒng)的使用，可以實現(xiàn)應(yīng)用程序的封裝。

2.2 軟件設(shè)計

選用三星M2876HN型號的激光打印機作為原型，通過收集資料對激光打印機進行實際測量，首先使用3d Max進行整體建模，將模型進行訓(xùn)練完成識別，然后進行零件建模和動畫制作，最后將素材導(dǎo)入Unity中進行交互的制作和軟件的打包導(dǎo)出。

文中的設(shè)計可以展示激光打印機的整體外觀和打印部分的零件，AR識別激光打印機成功后可以展示激光打印機的功能、激光打印機的運行動畫和打印過程中的零件運轉(zhuǎn)，技術(shù)路線見圖2。

3 制作過程

3.1 模型的制作

三星M2876HN激光打印機的耗材采用鼓粉分離式，鼓粉分離降低了打印的成本，還可以減少廢棄物對環(huán)境造成的污染[13]，硒鼓的壽命要遠長于墨粉盒，墨粉用完后只需要更換墨盒，一個硒鼓可以支持使用3～4個墨盒。收集三星M2876HN激光打印機的結(jié)構(gòu)參數(shù)等資料，對實機的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部零件進行數(shù)據(jù)的測量，采用從整體到局部的建模方式[14]，使用3d Max對激光打印機進行整體機身建模，整體建模用于模型訓(xùn)練和搭建數(shù)據(jù)庫，見圖3。

圖2 技術(shù)路線

圖3 三星M2876HN激光打印機模型

在模型制作過程中，如果模型的大小超過400 000個多邊形或20多個部件，就需要簡化模型才能進行模型訓(xùn)練，以便在移動設(shè)備上實時運行。簡化過程包括減少模型的網(wǎng)格多邊形數(shù)量和計算機視覺算法的簡化，但是任何簡化方法都會引入人為誤差，因此簡化需要對應(yīng)的比例，例如將模型尺寸按1∶10的比例進行簡化，將與模型對應(yīng)的網(wǎng)格從10 000個多邊形減少到1 000個多邊形，通常不會影響計算機視覺算法，數(shù)據(jù)顯著減少的同時，依然可以實現(xiàn)良好的檢測和跟蹤性能。

所謂藍牙(Bluetooth)技術(shù)，實際上是一種在較短的距離內(nèi)可以使用無線電進行聯(lián)系的技術(shù)，在沒有互聯(lián)網(wǎng)的情況下照樣可以實現(xiàn)無線上因特網(wǎng)?，F(xiàn)在的藍牙技術(shù)已經(jīng)是十分的嫻熟，應(yīng)用也非常的廣泛，電話、筆記本電腦、手表、平板電腦和一些手持設(shè)備都在使用，在有限的區(qū)域內(nèi)還可以組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。尤其是在手機和手持設(shè)備的普及更是方便了我們的日常生活，一些音頻、視頻和文件的傳輸對我們的日常工作提供了大大的便利。

整體建模完成后再對激光打印機每個部件進行細致建模，還原激光打印機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[15]，將所有部件組裝到激光打印機的整體模型，并對主要耗材進行建模，見圖4。

圖4 主要耗材

3.2 動畫制作

動畫的制作是為了展示打印機的工作原理以及在使用激光打印機過程中面臨的一些問題。根據(jù)分析零部件的運轉(zhuǎn)、各滾輪的運轉(zhuǎn)方向來制作激光打印機的工作原理和更換耗材的過程，制作爆炸圖動畫方便觀察激光打印機的各部件，使用3d Max中的動畫系統(tǒng)中關(guān)鍵幀來錄制動畫，見圖5。

圖5 制作幀動畫

在制作激光打印機的打印工藝流程動畫時，通過3d Max中的IK骨骼動畫來模擬紙張的運動，IK骨骼動畫是一種反向運動的動畫[16]，在骨骼鏈中父骨骼根據(jù)子骨骼的位移和旋轉(zhuǎn)來進行運動。通過IK解算器來解算骨骼的位移和運動方向，IK解算器可以創(chuàng)建反向運動學解決方案，用于旋轉(zhuǎn)和定位骨骼鏈中的鏈接，管理鏈接中骨骼的位移和旋轉(zhuǎn)。

創(chuàng)建骨骼和打印紙的運動路線，首先將打印紙的運動和骨骼綁定起來，通過樣條線IK解算器解算骨骼的運動；然后將骨骼蒙皮到打印紙上，配置骨骼的權(quán)重使每節(jié)骨骼控制對應(yīng)部分的打印紙，見圖6；最后使用關(guān)鍵幀記錄打印紙在激光打印機的運動過程的動畫。在導(dǎo)出動畫和模型時要將動畫從起始幀烘焙到最后一幀。

圖6 骨骼蒙皮和封套

3.3 制作模型識別

3.3.1 模型目標生成器

數(shù)據(jù)庫的搭建需要使用Vuforia工具中的模型目標生成器（Vuforia Model Target Generator，MTG)。MTG是一個桌面應(yīng)用程序，通過導(dǎo)入三維模型并對其進行訓(xùn)練，快速地將現(xiàn)有的三維模型轉(zhuǎn)換為Vuforia數(shù)據(jù)包，這個數(shù)據(jù)包支持創(chuàng)建單個或多個視圖模型目標，并且可以提供自動識別等功能。

在MTG中首先要設(shè)置模型軸向、大小和部件顏色，確定捕捉位置，MTG會根據(jù)模型的復(fù)雜性來確定模型是否可以用于模型識別，模型最多只能由400 000個多邊形組成，最多可以包含20個部件和5個紋理，并且需要使用右手坐標系統(tǒng)。MTG支持動態(tài)模式和靜態(tài)模式，且使用靜態(tài)模式會更加省電。設(shè)置識別范圍和指示視圖來引導(dǎo)模型識別，進行360度全方位識別需要創(chuàng)建高級視圖，再導(dǎo)出數(shù)據(jù)包，通過深度學習框架來訓(xùn)練數(shù)據(jù)包，以實現(xiàn)自動識別。模型目標生成器見圖7。

圖7 模型目標生成器

3.3.2 高級模型目標跟蹤和識別

使用MTG創(chuàng)建高級視圖，設(shè)置目標指示視圖和識別范圍。對于激光打印機，需要設(shè)置360度的識別范圍。如果創(chuàng)建無識別范圍的指示視圖，可以在訓(xùn)練高級模型目標之前返回，并添加指示視圖中的識別范圍。設(shè)置2個或2個以上的指示視圖時，應(yīng)該覆蓋不同的識別范圍，相同的目標范圍會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包變大并難以識別。只有在視圖的目標范圍有顯著差異時，才能配置每個高級模型目標的多個指示視圖。

高級模型目標支持全方位識別和跟蹤包含在同一個高級模型目標數(shù)據(jù)庫中的1個或多個模型，無需用戶將模型輪廓與現(xiàn)實物體對齊就可開始模型識別跟蹤。在MTG中訓(xùn)練1個或多個模型目標，MTG會將模型上傳到Vuforia云中進行深度學習訓(xùn)練。

3.3.3 模型訓(xùn)練

將制作好的激光打印機的整體模型導(dǎo)入MTG中，生成模型目標并設(shè)置其識別范圍，將模型導(dǎo)入高級模型目標數(shù)據(jù)庫時，要考慮訓(xùn)練模型的外觀模式。如果模型在材質(zhì)和顏色等方面采用真實對象的設(shè)置，應(yīng)選擇Realistic選項，生成的數(shù)據(jù)庫將僅適用于具有相同顏色、圖案的現(xiàn)實對象，常用于增加形狀不夠獨特物體的識別準確度。對沒有真實的顏色或材質(zhì)的模型應(yīng)選擇Non–realistic選項，生成的數(shù)據(jù)庫不會查看真實物理對象的實際顏色，用于缺少外觀信息但結(jié)構(gòu)獨特的物體。三星M2876HN激光打印機的顏色信息單調(diào)但結(jié)構(gòu)獨特，因此選擇Non–realistic選項，然后進行模型訓(xùn)練，訓(xùn)練時間與模型大小有關(guān)，見圖8。

圖8 模型訓(xùn)練

訓(xùn)練成功后就可以將訓(xùn)練好的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出為Vuforia數(shù)據(jù)包。如果訓(xùn)練失敗，可能的原因有：三維模型太大，需要減少模型的網(wǎng)格多邊形數(shù)量、紋理和對象數(shù)量；某些或全部對象在視覺上相似，這意味著它們在視覺上無法進行區(qū)分，需要設(shè)置指示視圖的目標識別范圍；模型或指示視圖沒有足夠的細節(jié)或邊緣來支持識別和跟蹤；旋轉(zhuǎn)對稱的物體會導(dǎo)致360度識別范圍的高級模型目標訓(xùn)練失敗。

3.4 軟件的制作

3.4.1 素材的處理

創(chuàng)建Unity項目，將模型和Vuforia數(shù)據(jù)包等資源導(dǎo)入項目中。模型導(dǎo)入后可能會出現(xiàn)材質(zhì)丟失等現(xiàn)象，這時可以從模型的材質(zhì)中選擇使用嵌入的材質(zhì)。在3d Max中制作的模型動畫是一個整體，因此需要將模型中的動畫進行拆分，將動畫拆分為對應(yīng)片段后進行命名。

Unity的動畫系統(tǒng)非常的靈活且強大，支持動畫融合、混合、拆分動畫，可以控制動畫的各個方面，并支持基于物理的布娃娃系統(tǒng)和程序動畫。添加Animator組件，在Assets中新建一個動畫狀態(tài)機，把需要用到的動畫拖入動畫狀態(tài)機中，設(shè)置動畫間的傳遞關(guān)系，使用bool和float動畫設(shè)置切換值來設(shè)置動畫切換的條件，將動畫狀態(tài)機掛到模型上，通過腳本控制動畫的播放，見圖9。

圖9 動畫控制器

3.4.2 UI界面的設(shè)計

UI交互設(shè)計需要用到Unity中的UGUI系統(tǒng)，使用Canvas、Image和Button等控件。根據(jù)設(shè)計好的素材來創(chuàng)建不同的場景，主要有對激光打印機的信息展示和模型識別，并根據(jù)內(nèi)容和功能設(shè)計虛擬交互，通過編寫腳本來控制交互。

3.4.3 模型的預(yù)覽

為了展示打印機的整體和部件模型，設(shè)計了模型的預(yù)覽功能，點擊不同的圖標就可以對這個部分進行預(yù)覽，且可以查看當前部分的基本信息。實現(xiàn)的基本原理是在場景中創(chuàng)建模型和攝像機，使用腳本對模型設(shè)置交互，將攝像機捕捉到的模型畫面渲染到Render Texture上，然后將Render Texture顯示到UI面板上，實現(xiàn)三維模型在UI面板上的顯示、旋轉(zhuǎn)和縮放等功能，見圖10。

圖10 模型預(yù)覽

3.4.4 AR識別的制作

AR識別功能是用戶體驗增強現(xiàn)實的最重要的部分，在Unity中Vuforia插件提供了一系列工具，方便創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫。在Hierarchy中創(chuàng)建Model Target，選擇導(dǎo)入的Vuforia數(shù)據(jù)包作為模型識別的數(shù)據(jù)庫，并將激光打印機模型和識別模型貼合。設(shè)計UI界面，對各個功能進行編寫腳本、制作交互，達到通過點擊按鈕來控制激光打印機模型的目的。

當模型識別成功后，激光打印機的三維模型會覆蓋在實機上，同時出現(xiàn)UI界面，點擊按鈕可以查看激光打印機每個部分的功能。在打印過程的展示中對外殼等部件進行隱藏，以便更好地展示打印的運轉(zhuǎn)過程。爆炸圖效果通過模擬激光打印機炸開來展示所有部件，也可以控制激光打印機模型進行更換硒鼓、墨盒和打印等操作，見圖11。

圖11 AR功能的實現(xiàn)

3.4.5 測試發(fā)布

配置好各個場景的順序和信息，將制作好的軟件打包成APK格式導(dǎo)出，在安卓手機上進行安裝并運行，在移動端運行過程中可能會出現(xiàn)Unity控制臺中沒有出現(xiàn)過的問題，此時需要進行問題排查，然后在Unity中調(diào)試并重新發(fā)布。

4 結(jié)語

AR技術(shù)運用到激光打印機能夠展示激光打印機的系統(tǒng)組成和打印運轉(zhuǎn)過程，用戶可以更加直觀地認識到激光打印機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性，將激光打印機的信息從二維平面上擴展到三維空間中，而且用戶可以與激光打印機進行虛擬交互，提供了一種全新使用體驗。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化會普及到生活的方方面面，AR技術(shù)在印刷行業(yè)有著巨大的潛力，一定會在生活中提供更多便利。

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Design and Development of Interactive Application of Laser Printer Based on AR Technology

QIN Lu, SI Zhan-jun,LIU Zhe

(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

The work aims to explore the application research of AR technology in virtual interaction and process flow of laser printer, in order to meet the needs of use, maintenance and training of laser printer. With Samsung M2876HN laser printer as the research object, 3ds Max 2018 was used to make models and animations, and then Unity 3D and Vuforia SDK were adopted to develop application software displaying AR effects. Finally, a mobile application was released, which could realize the recognition of the laser printer, show the internal structure of the laser printer, the replacement of consumables and the internal operation animation, rotate and zoom the model, and check the laser printer information. The combination of AR technology and laser printer not only provides a novel mode for the display of laser printer functions, but also simulates some problems in the use of laser printer and increases the interactive experience between user and laser printer.

laser printer; AR technology; Unity; Vuforia

TB803.6

A

1001-3563(2022)13-0209-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.027

2021?08?17

秦璐（1996—），男，天津科技大學碩士生，主攻虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

司占軍（1971—），男，碩士，天津科技大學教授，主要研究方向為數(shù)字媒體技術(shù)。

責任編輯：曾鈺嬋