秦璐,司占軍,劉哲
基于AR技術(shù)的激光打印機(jī)交互應(yīng)用設(shè)計(jì)與開發(fā)
秦璐,司占軍,劉哲
(天津科技大學(xué),天津 300457)
針對(duì)激光打印機(jī)的使用、維護(hù)和培訓(xùn)等需求,探究AR技術(shù)在激光打印機(jī)的虛擬交互和工藝流程上的應(yīng)用研究。以三星M2876HN型號(hào)的激光打印機(jī)為研究對(duì)象,使用3ds Max 2018來制作模型和動(dòng)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(dòng)應(yīng)用,該應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光打印機(jī)的識(shí)別,展示激光打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、耗材的更換和內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)畫,可以對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)縮放和查看激光打印機(jī)的信息。將AR技術(shù)和激光打印機(jī)相結(jié)合不僅為激光打印機(jī)功能展示提供了新模式,而且模擬了激光打印機(jī)使用過程的一些問題,增加了用戶與激光打印機(jī)的互動(dòng)體驗(yàn)。
激光打印機(jī);AR技術(shù);Unity;Vuforia
隨著社會(huì)的發(fā)展,越來越多的工作需要在電腦上完成,激光打印機(jī)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(jī)的過程中,會(huì)因?yàn)槿鄙賹?duì)激光打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和打印原理的了解,經(jīng)常會(huì)遇到更換耗材或者打印機(jī)故障等問題,由于紙質(zhì)和視頻等傳統(tǒng)媒體對(duì)激光打印機(jī)信息傳遞不夠全面,因此需要新的媒體對(duì)激光打印機(jī)進(jìn)行更全面直接的展示和介紹。
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)指將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或信息實(shí)時(shí)注冊(cè)到三維世界中[2],使用者既能看到真實(shí)世界,又能通過設(shè)備與虛擬物體互動(dòng)[3]。長(zhǎng)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(xué)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(jì)算機(jī)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(jìn)入市場(chǎng),渲染質(zhì)量、舒適性方面有了顯著的改進(jìn),在各個(gè)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(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用將是一個(gè)重要研究方向。通過AR技術(shù)將激光打印機(jī)模型疊加到實(shí)機(jī)上,從而實(shí)現(xiàn)激光打印機(jī)的虛擬交互,展示激光打印機(jī)的信息和功能,AR技術(shù)可運(yùn)用到激光打印機(jī)的使用、維護(hù)和展示等方面。
激光打印機(jī)的工作流程主要包括頁(yè)面轉(zhuǎn)換、充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影等[8]。激光打印機(jī)內(nèi)的圖像處理器會(huì)將打印文件的圖文信息轉(zhuǎn)換為點(diǎn)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(hù)層組成,光導(dǎo)層在受到光照前是絕緣體,經(jīng)過光照后會(huì)變成導(dǎo)體,這種光導(dǎo)特性是激光打印機(jī)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(duì)感光鼓的光導(dǎo)層進(jìn)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(shí)感光鼓上的電荷分布就形成了靜電潛像。墨粉在墨倉(cāng)中摩擦后會(huì)帶上電荷,顯影輥將墨倉(cāng)里的墨粉吸附在表面,顯影輥和感光鼓接觸時(shí),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(jī)工作原理
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。
建模軟件使用3ds Max 2018(簡(jiǎn)稱3d Max)完成,3d Max功能強(qiáng)大而且靈活,方便實(shí)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)、模型材質(zhì)和模型動(dòng)畫的制作。
選用Vuforia SDK(簡(jiǎn)稱Vuforia)配合Unity 3D開發(fā)引擎(簡(jiǎn)稱Unity)進(jìn)行AR設(shè)計(jì)和軟件制作,Vuforia是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司(PTC)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決方案,是當(dāng)前最流行的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的控制。Unity支持Android、iOS等操作系統(tǒng)的使用,可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的封裝。
選用三星M2876HN型號(hào)的激光打印機(jī)作為原型,通過收集資料對(duì)激光打印機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,首先使用3d Max進(jìn)行整體建模,將模型進(jìn)行訓(xùn)練完成識(shí)別,然后進(jìn)行零件建模和動(dòng)畫制作,最后將素材導(dǎo)入U(xiǎn)nity中進(jìn)行交互的制作和軟件的打包導(dǎo)出。
文中的設(shè)計(jì)可以展示激光打印機(jī)的整體外觀和打印部分的零件,AR識(shí)別激光打印機(jī)成功后可以展示激光打印機(jī)的功能、激光打印機(jī)的運(yùn)行動(dòng)畫和打印過程中的零件運(yùn)轉(zhuǎn),技術(shù)路線見圖2。
三星M2876HN激光打印機(jī)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?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境造成的污染[13],硒鼓的壽命要遠(yuǎn)長(zhǎng)于墨粉盒,墨粉用完后只需要更換墨盒,一個(gè)硒鼓可以支持使用3~4個(gè)墨盒。收集三星M2876HN激光打印機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)等資料,對(duì)實(shí)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部零件進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量,采用從整體到局部的建模方式[14],使用3d Max對(duì)激光打印機(jī)進(jìn)行整體機(jī)身建模,整體建模用于模型訓(xùn)練和搭建數(shù)據(jù)庫(kù),見圖3。

圖2 技術(shù)路線

圖3 三星M2876HN激光打印機(jī)模型
在模型制作過程中,如果模型的大小超過400 000個(gè)多邊形或20多個(gè)部件,就需要簡(jiǎn)化模型才能進(jìn)行模型訓(xùn)練,以便在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)時(shí)運(yùn)行。簡(jiǎn)化過程包括減少模型的網(wǎng)格多邊形數(shù)量和計(jì)算機(jī)視覺算法的簡(jiǎn)化,但是任何簡(jiǎn)化方法都會(huì)引入人為誤差,因此簡(jiǎn)化需要對(duì)應(yīng)的比例,例如將模型尺寸按1∶10的比例進(jìn)行簡(jiǎn)化,將與模型對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格從10 000個(gè)多邊形減少到1 000個(gè)多邊形,通常不會(huì)影響計(jì)算機(jī)視覺算法,數(shù)據(jù)顯著減少的同時(shí),依然可以實(shí)現(xiàn)良好的檢測(cè)和跟蹤性能。
所謂藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù),實(shí)際上是一種在較短的距離內(nèi)可以使用無線電進(jìn)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(shí)現(xiàn)無線上因特網(wǎng)。現(xiàn)在的藍(lán)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(gè)巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。尤其是在手機(jī)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(duì)我們的日常工作提供了大大的便利。
整體建模完成后再對(duì)激光打印機(jī)每個(gè)部件進(jìn)行細(xì)致建模,還原激光打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[15],將所有部件組裝到激光打印機(jī)的整體模型,并對(duì)主要耗材進(jìn)行建模,見圖4。

圖4 主要耗材
動(dòng)畫的制作是為了展示打印機(jī)的工作原理以及在使用激光打印機(jī)過程中面臨的一些問題。根據(jù)分析零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)、各滾輪的運(yùn)轉(zhuǎn)方向來制作激光打印機(jī)的工作原理和更換耗材的過程,制作爆炸圖動(dòng)畫方便觀察激光打印機(jī)的各部件,使用3d Max中的動(dòng)畫系統(tǒng)中關(guān)鍵幀來錄制動(dòng)畫,見圖5。

圖5 制作幀動(dòng)畫
在制作激光打印機(jī)的打印工藝流程動(dòng)畫時(shí),通過3d Max中的IK骨骼動(dòng)畫來模擬紙張的運(yùn)動(dòng),IK骨骼動(dòng)畫是一種反向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過IK解算器來解算骨骼的位移和運(yùn)動(dòng)方向,IK解算器可以創(chuàng)建反向運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)路線,首先將打印紙的運(yùn)動(dòng)和骨骼綁定起來,通過樣條線IK解算器解算骨骼的運(yùn)動(dòng);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(duì)應(yīng)部分的打印紙,見圖6;最后使用關(guān)鍵幀記錄打印紙?jiān)诩す獯蛴C(jī)的運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)畫。在導(dǎo)出動(dòng)畫和模型時(shí)要將動(dòng)畫從起始幀烘焙到最后一幀。

圖6 骨骼蒙皮和封套
3.3.1 模型目標(biāo)生成器
數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建需要使用Vuforia工具中的模型目標(biāo)生成器(Vuforia Model Target Generator,MTG)。MTG是一個(gè)桌面應(yīng)用程序,通過導(dǎo)入三維模型并對(duì)其進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)包支持創(chuàng)建單個(gè)或多個(gè)視圖模型目標(biāo),并且可以提供自動(dòng)識(shí)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(huì)根據(jù)模型的復(fù)雜性來確定模型是否可以用于模型識(shí)別,模型最多只能由400 000個(gè)多邊形組成,最多可以包含20個(gè)部件和5個(gè)紋理,并且需要使用右手坐標(biāo)系統(tǒng)。MTG支持動(dòng)態(tài)模式和靜態(tài)模式,且使用靜態(tài)模式會(huì)更加省電。設(shè)置識(shí)別范圍和指示視圖來引導(dǎo)模型識(shí)別,進(jìn)行360度全方位識(shí)別需要?jiǎng)?chuàng)建高級(jí)視圖,再導(dǎo)出數(shù)據(jù)包,通過深度學(xué)習(xí)框架來訓(xùn)練數(shù)據(jù)包,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。模型目標(biāo)生成器見圖7。

圖7 模型目標(biāo)生成器
3.3.2 高級(jí)模型目標(biāo)跟蹤和識(shí)別
使用MTG創(chuàng)建高級(jí)視圖,設(shè)置目標(biāo)指示視圖和識(shí)別范圍。對(duì)于激光打印機(jī),需要設(shè)置360度的識(shí)別范圍。如果創(chuàng)建無識(shí)別范圍的指示視圖,可以在訓(xùn)練高級(jí)模型目標(biāo)之前返回,并添加指示視圖中的識(shí)別范圍。設(shè)置2個(gè)或2個(gè)以上的指示視圖時(shí),應(yīng)該覆蓋不同的識(shí)別范圍,相同的目標(biāo)范圍會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包變大并難以識(shí)別。只有在視圖的目標(biāo)范圍有顯著差異時(shí),才能配置每個(gè)高級(jí)模型目標(biāo)的多個(gè)指示視圖。
高級(jí)模型目標(biāo)支持全方位識(shí)別和跟蹤包含在同一個(gè)高級(jí)模型目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)中的1個(gè)或多個(gè)模型,無需用戶將模型輪廓與現(xiàn)實(shí)物體對(duì)齊就可開始模型識(shí)別跟蹤。在MTG中訓(xùn)練1個(gè)或多個(gè)模型目標(biāo),MTG會(huì)將模型上傳到Vuforia云中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。
3.3.3 模型訓(xùn)練
將制作好的激光打印機(jī)的整體模型導(dǎo)入MTG中,生成模型目標(biāo)并設(shè)置其識(shí)別范圍,將模型導(dǎo)入高級(jí)模型目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí),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(shí)對(duì)象的設(shè)置,應(yīng)選擇Realistic選項(xiàng),生成的數(shù)據(jù)庫(kù)將僅適用于具有相同顏色、圖案的現(xiàn)實(shí)對(duì)象,常用于增加形狀不夠獨(dú)特物體的識(shí)別準(zhǔn)確度。對(duì)沒有真實(shí)的顏色或材質(zhì)的模型應(yīng)選擇Non–realistic選項(xiàng),生成的數(shù)據(jù)庫(kù)不會(huì)查看真實(shí)物理對(duì)象的實(shí)際顏色,用于缺少外觀信息但結(jié)構(gòu)獨(dú)特的物體。三星M2876HN激光打印機(jī)的顏色信息單調(diào)但結(jié)構(gòu)獨(dú)特,因此選擇Non–realistic選項(xiàng),然后進(jìn)行模型訓(xùn)練,訓(xùn)練時(shí)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(kù)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(duì)象數(shù)量;某些或全部對(duì)象在視覺上相似,這意味著它們?cè)谝曈X上無法進(jìn)行區(qū)分,需要設(shè)置指示視圖的目標(biāo)識(shí)別范圍;模型或指示視圖沒有足夠的細(xì)節(jié)或邊緣來支持識(shí)別和跟蹤;旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的物體會(huì)導(dǎo)致360度識(shí)別范圍的高級(jí)模型目標(biāo)訓(xùn)練失敗。
3.4.1 素材的處理
創(chuàng)建Unity項(xiàng)目,將模型和Vuforia數(shù)據(jù)包等資源導(dǎo)入項(xiàng)目中。模型導(dǎo)入后可能會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)丟失等現(xiàn)象,這時(shí)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(dòng)畫是一個(gè)整體,因此需要將模型中的動(dòng)畫進(jìn)行拆分,將動(dòng)畫拆分為對(duì)應(yīng)片段后進(jìn)行命名。
Unity的動(dòng)畫系統(tǒng)非常的靈活且強(qiáng)大,支持動(dòng)畫融合、混合、拆分動(dòng)畫,可以控制動(dòng)畫的各個(gè)方面,并支持基于物理的布娃娃系統(tǒng)和程序動(dòng)畫。添加Animator組件,在Assets中新建一個(gè)動(dòng)畫狀態(tài)機(jī),把需要用到的動(dòng)畫拖入動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)中,設(shè)置動(dòng)畫間的傳遞關(guān)系,使用bool和float動(dòng)畫設(shè)置切換值來設(shè)置動(dòng)畫切換的條件,將動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)掛到模型上,通過腳本控制動(dòng)畫的播放,見圖9。

圖9 動(dòng)畫控制器
3.4.2 UI界面的設(shè)計(jì)
UI交互設(shè)計(jì)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(jì)好的素材來創(chuàng)建不同的場(chǎng)景,主要有對(duì)激光打印機(jī)的信息展示和模型識(shí)別,并根據(jù)內(nèi)容和功能設(shè)計(jì)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(jī)的整體和部件模型,設(shè)計(jì)了模型的預(yù)覽功能,點(diǎn)擊不同的圖標(biāo)就可以對(duì)這個(gè)部分進(jìn)行預(yù)覽,且可以查看當(dāng)前部分的基本信息。實(shí)現(xiàn)的基本原理是在場(chǎng)景中創(chuàng)建模型和攝像機(jī),使用腳本對(duì)模型設(shè)置交互,將攝像機(jī)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(shí)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(shí)別的制作
AR識(shí)別功能是用戶體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(kù)。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(shí)別的數(shù)據(jù)庫(kù),并將激光打印機(jī)模型和識(shí)別模型貼合。設(shè)計(jì)UI界面,對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行編寫腳本、制作交互,達(dá)到通過點(diǎn)擊按鈕來控制激光打印機(jī)模型的目的。
當(dāng)模型識(shí)別成功后,激光打印機(jī)的三維模型會(huì)覆蓋在實(shí)機(jī)上,同時(shí)出現(xiàn)UI界面,點(diǎn)擊按鈕可以查看激光打印機(jī)每個(gè)部分的功能。在打印過程的展示中對(duì)外殼等部件進(jìn)行隱藏,以便更好地展示打印的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。爆炸圖效果通過模擬激光打印機(jī)炸開來展示所有部件,也可以控制激光打印機(jī)模型進(jìn)行更換硒鼓、墨盒和打印等操作,見圖11。

圖11 AR功能的實(shí)現(xiàn)
3.4.5 測(cè)試發(fā)布
配置好各個(gè)場(chǎng)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(jī)上進(jìn)行安裝并運(yùn)行,在移動(dòng)端運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)Unity控制臺(tái)中沒有出現(xiàn)過的問題,此時(shí)需要進(jìn)行問題排查,然后在Unity中調(diào)試并重新發(fā)布。
AR技術(shù)運(yùn)用到激光打印機(jī)能夠展示激光打印機(jī)的系統(tǒng)組成和打印運(yùn)轉(zhuǎn)過程,用戶可以更加直觀地認(rèn)識(shí)到激光打印機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)特性,將激光打印機(jī)的信息從二維平面上擴(kuò)展到三維空間中,而且用戶可以與激光打印機(jī)進(jìn)行虛擬交互,提供了一種全新使用體驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字化會(huì)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(huì)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(xué)碩士生,主攻虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
司占軍(1971—),男,碩士,天津科技大學(xué)教授,主要研究方向?yàn)閿?shù)字媒體技術(shù)。
責(zé)任編輯:曾鈺嬋