中国科学报：《自动化所实现3D智能打印“零门槛”》

　　二维照片  3D 数字化模型   ABS 材料3D 打印头像  巧克力头像

    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”。

　　■本报见习记者 张晴丹 记者 彭科峰 

　　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。

　　“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。

    http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/7/323660.shtm