预览工具帮助制作者可视化3D打印物件

<p>设计师、制作者和其他人员经常使用3D打印来快速原型化各类功能性物件，从电影道具到医疗设备。准确的打印预览至关重要，这样用户才能知道制作出的物件会如预期般运作。</p><p>但大多数3D打印软件生成的预览侧重于功能而非美观。打印出的物件可能最终与用户预期的颜色、纹理或明暗效果不同，导致多次重新打印，浪费时间和精力，也耗费材料。</p><p>为了帮助用户想象制作出的物件外观，来自MIT等机构的研究人员开发了一款以外观为优先的易用预览工具。</p><p>用户上传其3D打印软件中的物件截图，以及一张打印材料的图片。基于这些输入，系统自动生成制作出的物件可能外观的渲染图。</p><p>这款名为VisiPrint的AI驱动系统可与多种3D打印软件配合使用，并能处理任何材料示例。它不仅考虑材料的颜色，还考虑光泽度、半透明性，以及制作工艺细节如何影响物件外观。</p><p>这种注重美学的预览在牙科等领域可能特别有用，例如帮助临床医生确保临时牙冠和牙桥与患者牙齿的外观相匹配；或在建筑领域，帮助设计师评估模型的视觉影响。</p><p>“3D打印可能是一个非常浪费的过程。一些研究估计，多达三分之一的材料直接进了垃圾填埋场，往往来自用户最终丢弃的原型。为了让3D打印更可持续，我们希望减少获得理想原型所需的尝试次数。用户不应该在确定设计之前，把每种打印材料都试一遍，”电气工程与计算机科学（EECS）研究生、<a href="https://maxineaps.github.io/visiprint-project-site/VisiPrint.pdf" target="_blank">VisiPrint论文</a>的第一作者Maxine Perroni-Scharf表示。</p><p>论文合作者包括：同为EECS研究生的Faraz Faruqi、MIT本科生Raul Hernandez、光州科学技术院研究生SooYeon Ahn、普林斯顿大学计算机科学教授Szymon Rusinkiewicz、MIT Thomas and Gerd Perkins EECS讲席教授兼计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）成员William Freeman，以及资深作者、MIT EECS与机械工程系副教授兼CSAIL成员Stefanie Mueller。该研究将在ACM CHI计算系统人因会议上发表。</p><p><strong>精准的美学效果</strong></p><p>研究人员聚焦于熔融沉积成型（FDM），即最常见的3D打印类型。在FDM中，打印材料丝材被熔化后，通过喷嘴挤出，逐层制作物件。</p><p>生成精准的美学预览具有挑战性，因为熔化和挤出过程会改变材料外观，每一层的沉积高度以及喷嘴在制作过程中遵循的路径也会产生影响。</p><p>VisiPrint使用两个协同工作的AI模型来克服这些挑战。</p><p>VisiPrint预览基于两个输入：用户3D打印软件（称为“切片”软件）中数字设计的截图，以及打印材料的图片——后者可从在线来源获取或从打印样本拍摄。</p><p>基于这些输入，计算机视觉模型从材料样本中提取对物件外观重要的特征。</p><p>这些特征被输入到生成式AI模型中，该模型计算物件的几何形状和结构，同时融入喷嘴挤出每一层时将遵循的所谓“切片”路径。</p><p>研究人员方法的关键在于一种特殊的条件化方法。这涉及仔细调整模型的内部工作机制来引导它，使其遵循切片路径并遵守3D打印过程的约束。</p><p>他们的条件化方法利用深度图来保留物件的形状和明暗效果，以及反映内部轮廓和结构边界的边缘图。</p><p>“如果这两者的平衡不当，你可能会得到糟糕的几何形状或错误的切片路径。我们必须小心地将它们以正确的方式结合起来，”Perroni-Scharf说。</p><p><strong>以用户为中心的系统</strong></p><p>该团队还开发了一个易用的界面，用户可以在其中上传所需图片并评估预览效果。</p><p>VisiPrint界面允许更高级的制作者调整多项设置，例如某些颜色对最终外观的影响。</p><p>最终，美学预览旨在补充切片软件生成的功能性预览，因为VisiPrint并不估算可打印性、机械可行性或失败可能性。</p><p>为了评估VisiPrint，研究人员开展了一项用户研究，要求参与者将该系统与其他方法进行比较。几乎所有参与者都表示，它在整体外观和与打印物件的纹理相似度方面表现更好。</p><p>此外，VisiPrint的预览过程平均耗时约一分钟，比任何竞争方法都快了两倍以上。</p><p>“与其他AI界面相比，VisiPrint确实表现出色。如果你给更通用的AI模型相同的截图，它可能会随机改变形状或使用错误的切片路径，因为它没有直接的条件化，”她说。</p><p>未来，研究人员希望解决模型预览中出现极精细细节时可能产生的伪影问题。他们还希望添加功能，让用户能够优化材料颜色之外的打印过程其他方面。</p><p>“思考我们制作物件的方式很重要。我们需要继续致力于开发减少浪费的方法。为此，AI与实体制造过程的结合是未来工作中一个令人兴奋的领域，”Perroni-Scharf说。</p><p>“‘所见即所得’是20世纪80年代桌面出版得以‘实现’的主要原因，因为它让用户第一次尝试就能得到想要的结果。是时候让3D打印也实现WYSIWYG了。VisiPrint是朝这个方向迈出的重要一步，”哈索·普拉特纳研究所计算机科学教授Patrick Baudisch表示，他并未参与这项工作。</p><p>这项研究部分由MIT Morningside设计学院奖学金和MIT MathWorks奖学金资助。</p>