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中科院自动化所实现3D智能打印“零门槛”

未知 2019-07-16 10:53

  我们的研究可以实现3D打印零门槛,通过技术研发达到的智能化使得人们可以马上上手,让3D打印真正民用化,变得接地气。

  目前,尽管3D打印的概念很火热,但是其应用门槛却很高,涉及到计算机三维图形学、计算机视觉、人工智能技术、大数据、机电一体化等,是一门综合性学科。而该领域大部分的研究则止步于三维计算机视觉和图形学。

  我们的研究可以实现3D打印零门槛,通过技术研发达到的智能化使得人们可以马上上手,让3D打印真正民用化,变得接地气。中科院自动化研究所副研究员吴怀宇博士在接受《中国科学报》记者采访时表示。

  3D智能数字化技术

  以3D打印为代表的第三次工业革命,实际上是以数字化、人工智能化制造与新型材料的应用为标志。

  3D打印发展到现阶段,为了让人们所想即所得地进行数字化创造,计算机需要知道如何更好地生成3D形状,即能够智能地理解用户的意图。

  最近,吴怀宇博士通过多年研究研发出3D智能数字化技术,主要分为3D智能数字化设计和3D智能数字化扫描,其中的3D智能数字化扫描是他们的研究重点。

3D打印

二维照片 3D 数字化模型 ABS 材料3D 打印头像 巧克力头像

  这种新的数字化技术囊括了3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别与智能系统、机器学习等学科内容。吴怀宇将这些学科很好地融合,实现了3D打印的新突破,在此基础上又开发出智能数字化设计软件,从无到有地设计3D数字化产品。

  据吴怀宇介绍,3D智能数字化软件是3D打印的核心,其利用计算机来生成数字化的3D模型,以便输出到3D打印机。正所谓巧妇难为无米之炊,缺少数字化文件支持的3D打印机将只是一个空壳,成为一台摆设。

  此外,3D智能数字化技术也是3D打印实现低成本大规模定制、区别于传统昂贵费时的手工化定制的基础和关键所在。

  在吴怀宇看来,3D智能数字化与3D打印的完美结合,不仅可以还原现实世界,而且在3D数字化的基础之上通过再设计工作,创造出一个更加美好的世界来,实现用虚拟再造现实的崭新境界。

  接地气不容易

  经过多年的研究和积累,吴怀宇的手中已经有了很多看似非常简单的3D打印技术。比如巧克力3D打印机,可以很方便地打印出各种各样以巧克力为食品原料的三维模型。特别是与之配套的一款陶艺建模App,操作非常简单、智能,可以轻松一键式DIY陶瓷艺术品,比如各种形状的花瓶、杯子、锅、碗、脸盘等等。用户可以随心所欲地在形状上面设计精美的花纹,同时雕刻出专属于自己的3D个性化签名。这款软件App的核心在于控制3D计算机图形学领域的贝塞尔曲线旋转形成曲面轮廓。

  其实很多技术,你看着越简单,实际上越复杂。软件越傻瓜化,就要求所研发的技术越智能化。这点很像全自动洗衣机,用户操作起来特别简单、一键式的,但它的内部设计和控制装置却要比手动洗衣机复杂很多。吴怀宇表示,想要使得科研成果普及开、真正用起来,做到接地气非常不容易。

  比如,一款已经研制出的实时牙科3D扫描仪,其个头很小,重量不及200克,伸入到嘴里可以对要更换的牙齿达到0.02毫米高精度的扫描,而以往要换牙齿则需要借助于咬牙模,既不方便且牙模精度极低。

  这台看似很轻巧简单的装置,不仅存在着单目标定精度的困难,而且其扫描数据量巨大,动态扫描更是增加了难度,对实时配准算法的速度也有极高的要求,目前我们是国内首家研发成功的。吴怀宇介绍说,这种高精尖的装置涉及到多个学科领域,特别是3D计算机视觉和3D图形学算法这样的高门槛专业领域,目前国内只有科研院所具备这种科研条件和技术储备。

  此外,他设计的3D脚型扫描仪,可以瞬间获得脚的高精度三维点云信息,而这款软件可以自动根据三维形状提取脚的43个参数,同时智能诊断出脚是否有扁平足、高弓足等问题,并利用3D打印去私人定制出适合自己脚型和尺码的鞋子。

  同样的方法还可以衍生到定制衣服、裤子、眼镜等生活必备品。这些3D人体测量软硬件产品是我们自主研发的成果,我们希望用它们去智能化地采集成百上千万人的3D人体大数据,这项工作国内外还没有人做过。吴怀宇说。

  在人脸扫描方面,他的研究已经可以实现两秒钟极速扫描,目前是世界上最快的扫描装置,以实现脸部三维信息的实时获取,并可3D打印出来。

  杀手级应用

  让吴怀宇引以为傲的当属基于单张图像的3D重建技术将平面的2D照片转成3D数字模型。这个应用是3D打印领域的杀手级应用之一。

  3D打印机之所以普及不开,就是因为少了类似这种杀手级的应用。吴怀宇表示。

  实际上,从一张二维照片还原为三维的信息,本质上是一个病态的问题,因为信息缺失得很厉害,理论上是不可能实现的。

  怎么弥补这个信息呢?这就需要告诉计算机电脑一个先验模型,即事先建立一个3D人脸的数据库,为此,他选了500个样本脸,其中男性250名,女性250名,这些样本可以反映出人类脸型的很多共通性,通过这500个人脸构建的统计先验模型去计算,基本可以合成世界上60亿人中大部分的正常人脸。

  我们的统计模型,既有利用这种共通性来架构统计模型,也可以通过调节系数表现差异。吴怀宇说。

  其中,最困难的技术是要保证精度,这就首先要求匹配对应、特征提取和姿态估计算法做到非常准确,同时应用人工智能领域最新的深度学习、稀疏表达等前沿技术去恢复出缺失的信息,使得原本病态的问题不再病态。其次需要仔细地设计优化函数和算法,尽可能使3D模型合成后的纹理与原纹理一致,还要充分考虑光照、摄像机参数、物体缩放、图像平移和旋转、颜色对比度和RGB通道的增益和补偿等各种因素,更重要的是提升速度,做到1秒钟之内就可以实现3D人脸重建。现在很多类似的软件只能做到大概像,精度略显粗糙,大多通过贴纹理来掩盖技术上的不足,而我们的研究可以实现高精度建模后直接输出3D打印。

  此外,吴怀宇表示,在不远的将来,随着3D打印机速度和精度的不断提升、设备和材料成本的不断降低,3D打印这个领域的竞争最终还是归结于3D建模和3D扫描技术是否足够智能化和大众化。

  未来,如何开发出能够激发用户个性化创造热情的杀手级软件应用,让广大用户能够随时随地创建出各种各样的3D数字化形状,将是引爆3D打印无所不在地走进千万家庭的关键之一。

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