我們的研究可以實現(xiàn)3D打印“零門檻”，通過技術(shù)研發(fā)達(dá)到的智能化使得人們可以馬上上手，讓3D打印真正民用化，變得“接地氣”。
目前，盡管3D打印的概念很火熱，但是其應(yīng)用“門檻”卻很高，涉及到計算機三維圖形學(xué)、計算機視覺、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)、機電一體化等，是一門綜合性學(xué)科。而該領(lǐng)域大部分的研究則止步于三維計算機視覺和圖形學(xué)。
“我們的研究可以實現(xiàn)3D打印‘零門檻’，通過技術(shù)研發(fā)達(dá)到的智能化使得人們可以馬上上手，讓3D打印真正民用化，變得‘接地氣’。”中科院自動化研究所副研究員吳懷宇博士在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示。
3D智能數(shù)字化技術(shù)
以3D打印為代表的第三次工業(yè)革命，實際上是以數(shù)字化、人工智能化制造與新型材料的應(yīng)用為標(biāo)志。
3D打印發(fā)展到現(xiàn)階段，為了讓人們“所想即所得”地進行數(shù)字化創(chuàng)造，計算機需要知道如何更好地生成3D形狀，即能夠智能地理解用戶的意圖。
最近，吳懷宇博士通過多年研究研發(fā)出3D智能數(shù)字化技術(shù)，主要分為3D智能數(shù)字化設(shè)計和3D智能數(shù)字化掃描，其中的3D智能數(shù)字化掃描是他們的研究重點。
二維照片 3D 數(shù)字化模型 ABS 材料3D 打印頭像 巧克力頭像
“這種新的數(shù)字化技術(shù)囊括了3D計算機圖形學(xué)、計算機視覺、模式識別與智能系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)等學(xué)科內(nèi)容。”吳懷宇將這些學(xué)科很好地融合，實現(xiàn)了3D打印的新突破，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出智能數(shù)字化設(shè)計軟件，“從無到有”地設(shè)計3D數(shù)字化產(chǎn)品。
據(jù)吳懷宇介紹，3D智能數(shù)字化軟件是3D打印的核心，其利用計算機來生成數(shù)字化的3D模型，以便輸出到3D打印機。“正所謂‘巧婦難為無米之炊’，缺少數(shù)字化文件支持的3D打印機將只是一個空殼，成為一臺擺設(shè)。”
此外，3D智能數(shù)字化技術(shù)也是3D打印實現(xiàn)“低成本大規(guī)模定制”、區(qū)別于傳統(tǒng)“昂貴費時的手工化定制”的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在。
在吳懷宇看來，3D智能數(shù)字化與3D打印的完美結(jié)合，不僅可以還原現(xiàn)實世界，而且在3D數(shù)字化的基礎(chǔ)之上通過再設(shè)計工作，創(chuàng)造出一個更加美好的世界來，實現(xiàn)用“虛擬”再造“現(xiàn)實”的嶄新境界。
“接地氣”不容易
經(jīng)過多年的研究和積累，吳懷宇的手中已經(jīng)有了很多看似非常簡單的3D打印技術(shù)。比如巧克力3D打印機，可以很方便地打印出各種各樣以巧克力為食品原料的三維模型。特別是與之配套的一款陶藝建模App，操作非常簡單、智能，可以輕松“一鍵式”DIY陶瓷藝術(shù)品，比如各種形狀的花瓶、杯子、鍋、碗、臉盤等等。用戶可以隨心所欲地在形狀上面設(shè)計精美的花紋，同時雕刻出專屬于自己的3D個性化簽名。這款軟件App的核心在于控制3D計算機圖形學(xué)領(lǐng)域的貝塞爾曲線旋轉(zhuǎn)形成曲面輪廓。
“其實很多技術(shù)，你看著越簡單，實際上越復(fù)雜。軟件越‘傻瓜化’，就要求所研發(fā)的技術(shù)越‘智能化’。這點很像全自動洗衣機，用戶操作起來特別簡單、一鍵式的，但它的內(nèi)部設(shè)計和控制裝置卻要比手動洗衣機復(fù)雜很多。”吳懷宇表示，想要使得科研成果普及開、真正用起來，做到“接地氣”非常不容易。
比如，一款已經(jīng)研制出的實時牙科3D掃描儀，其個頭很小，重量不及200克，伸入到嘴里可以對要更換的牙齒達(dá)到0.02毫米高精度的掃描，而以往要換牙齒則需要借助于“咬牙模”，既不方便且牙模精度極低。
“這臺看似很輕巧簡單的裝置，不僅存在著單目標(biāo)定精度的困難，而且其掃描數(shù)據(jù)量巨大，動態(tài)掃描更是增加了難度，對實時配準(zhǔn)算法的速度也有極高的要求，目前我們是國內(nèi)首家研發(fā)成功的。”吳懷宇介紹說，這種“高精尖”的裝置涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域，特別是3D計算機視覺和3D圖形學(xué)算法這樣的高門檻專業(yè)領(lǐng)域，目前國內(nèi)只有科研院所具備這種科研條件和技術(shù)儲備。
此外，他設(shè)計的3D腳型掃描儀，可以瞬間獲得腳的高精度三維點云信息，而這款軟件可以自動根據(jù)三維形狀提取腳的43個參數(shù)，同時智能診斷出腳是否有扁平足、高弓足等問題，并利用3D打印去私人定制出適合自己腳型和尺碼的鞋子。
同樣的方法還可以衍生到定制衣服、褲子、眼鏡等生活必備品。“這些3D人體測量軟硬件產(chǎn)品是我們自主研發(fā)的成果，我們希望用它們?nèi)ブ悄芑夭杉砂偕锨f人的3D人體大數(shù)據(jù)，這項工作國內(nèi)外還沒有人做過。”吳懷宇說。
在人臉掃描方面，他的研究已經(jīng)可以實現(xiàn)“兩秒鐘”極速掃描，目前是世界上最快的掃描裝置，以實現(xiàn)臉部三維信息的實時獲取，并可3D打印出來。
“殺手級”應(yīng)用
讓吳懷宇引以為傲的當(dāng)屬基于單張圖像的3D重建技術(shù)——將平面的2D照片轉(zhuǎn)成3D數(shù)字模型。這個應(yīng)用是3D打印領(lǐng)域的“殺手級”應(yīng)用之一。
“3D打印機之所以普及不開，就是因為少了類似這種殺手級的應(yīng)用。”吳懷宇表示。
實際上，從一張二維照片還原為三維的信息，本質(zhì)上是一個“病態(tài)”的問題，因為信息缺失得很厲害，理論上是不可能實現(xiàn)的。
怎么彌補這個信息呢？這就需要告訴計算機電腦一個先驗?zāi)Ｐ?，即事先建立一個3D人臉的數(shù)據(jù)庫，為此，他選了500個樣本臉，其中男性250名，女性250名，這些樣本可以反映出人類臉型的很多共通性，通過這500個人臉構(gòu)建的統(tǒng)計先驗?zāi)Ｐ腿ビ嬎?，基本可以合成世界?0億人中大部分的正常人臉。
“我們的統(tǒng)計模型，既有利用這種共通性來架構(gòu)統(tǒng)計模型，也可以通過調(diào)節(jié)系數(shù)表現(xiàn)差異。”吳懷宇說。
其中，最困難的技術(shù)是要保證精度，這就首先要求匹配對應(yīng)、特征提取和姿態(tài)估計算法做到非常準(zhǔn)確，同時應(yīng)用人工智能領(lǐng)域最新的深度學(xué)習(xí)、稀疏表達(dá)等前沿技術(shù)去恢復(fù)出缺失的信息，使得原本“病態(tài)”的問題不再“病態(tài)”。其次需要仔細(xì)地設(shè)計優(yōu)化函數(shù)和算法，盡可能使3D模型合成后的紋理與原紋理一致，還要充分考慮光照、攝像機參數(shù)、物體縮放、圖像平移和旋轉(zhuǎn)、顏色對比度和RGB通道的增益和補償?shù)雀鞣N因素，更重要的是提升速度，做到1秒鐘之內(nèi)就可以實現(xiàn)3D人臉重建。“現(xiàn)在很多類似的軟件只能做到大概像，精度略顯粗糙，大多通過貼紋理來掩蓋技術(shù)上的不足，而我們的研究可以實現(xiàn)高精度建模后直接輸出3D打印。”
此外，吳懷宇表示，在不遠(yuǎn)的將來，隨著3D打印機速度和精度的不斷提升、設(shè)備和材料成本的不斷降低，“3D打印這個領(lǐng)域的競爭最終還是歸結(jié)于3D建模和3D掃描技術(shù)是否足夠智能化和大眾化”。
未來，如何開發(fā)出能夠激發(fā)用戶個性化創(chuàng)造熱情的“殺手級軟件應(yīng)用”，讓廣大用戶能夠“隨時隨地”創(chuàng)建出各種各樣的3D數(shù)字化形狀，將是引爆3D打印“無所不在地”走進千萬家庭的關(guān)鍵之一。
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