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3D打印技术在工业设计的应用论文

摘要 ：3D打印技术是一项具有工业革命意义的先进制造技术，可推动工业设计模式发生变革，拓展工业设计的内涵，促使工业设计思维的解放，缩短设计周期，节省研发成本，降低企业风险。本文阐述了3D打印的技术体系，探讨了3D打印技术在工业设计上的应用，分析了3D打印技术对工业设计的影响。

关键词 ：3D打印；工业设计；应用；影响

一、3D打印技术

（一）3D打印技术原理。3D打印技术最早称为快速成形技术或快速原型制造技术，是在当代CAD/CAM技术、机械工程、分层制造技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的一种先进制造技术。它是以计算机三维数字模型为蓝本，用软件将其分解成若干层平面切片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将可粘合材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出产品。

（二）3D打印技术的常见细分类别及可使用材料。常见的3D打印技术根据成型技术的不同可以分为下表几个类别：

（三）3D打印的优势。3D打印技术是大批量生产形式向小批量、个性化生产形式发展的引领技术，其突出优势在于生产结构、外观复杂的物品而不增加成本、多样化不增加成本，在于无须组装、零时间交付、设计空间无限、零技能制造、不占空间、便携制、减少废弃副产品、材料无限组合及精确的实体复制。

二、3D打印在工业设计中的应用

（一）概念模型、功能原型的制作。在工业设计的流程中，需要反复制作不同作用和类型的零件、模型，传统的方法有着制作周期长、劳动强度高、精度差、成本高等诸多缺点，而使用3D打印技术可以快速、轻松、精准的得到所需的零件、模型。

（二）工业设计过程中所需工具的制作。工业设计是一个充满创造力活动，不同的产品、不同的设计师在设计过程中需要用到各种各样的器材和工具来辅助，这些工具大多数都是设计师根据需要自行制作。这时，可以通过3D打印机完成，而不是耗费大量的时间、精力通过各种加工方式去制作。3D打印设备在工具制作上不仅可以缩短时间，降低成本，还可以构造出结构更加精密、质量更加轻盈、更加符合人体工程学的产品，大幅度提高设计的效率。

（三）小批量产品生产。随着3D打印技术的发展，其打印成本和打印时间进一步下降，可以打印的材料、方式不断丰富，使其在小批量产品生产上与传统加工制造工艺相比，有着生产流程短、时间少、成本低等巨大优势，而且不受时间、空间、机床、模具的限制，只要有需要便可以随时暂停生产，对设计进行修改，解除了传统制造业的技术、成本、工期等限制，这样，设计的产品不但快速而且灵活的得以生产。

三、3D打印对工业设计的.影响

（一）解放束缚，改变设计理念。传统的设计造型受产品的生产、组装等工艺制约，使得设计师的创造力、想象力受到束缚。而随着3D打印技术的发展和成熟，结构、外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来，且浑然一体。如此，设计师可以将精力集中在产品形态、外观创意和功能创新、改进上，使产品的造型设计多元化、结构设计一体化、使用人性化趋势逐渐显现，在其技术、经济、美学、环境、人机等属性因素中，人机属性和美学属性因素所占的比例得到提高。传统的工业设计是建立在传统的大批量生产方式之上的，这就要求设计是根据一个模型来进行的，即使是所谓的个性化设计也只是将模型的生成范围缩小了。这意味着使用者的心理、生理及使用时间、环境等差异性在设计过程中难以体现。如鼠标设计就是这种典型的设计方式：传统设计模式是让使用者手掌的大小、使用的习惯、个性需求等去适应有限的规格、型号，而3D打印技术则可根据使用者的手形、习惯、个性需求等设计、生产出与其完全匹配的产品。3D打印技术使产品的个性化设计与生产成为可能，利用3D打印技术可以实现产品的量身定做，真正实现以人为本。

（二）3D打印技术对工业设计流程及成本的影响。在设计过程中，顺畅而高效的设计交流是工业设计开发取得成功的重要保证。其中各种类型的模型是交流的重要手段之一，手工制作的模型在精度、质感、触感等方面与概念的设计预期都存在较大偏差，而3D打印能克服这些缺点，使设计团队中的每个成员及用户都能够直观地看到和触摸这些概念模型，比较它们之间的结构、外形和功能的差别与优劣。另外，工业设计过程中的模型如果用手工制作的话将耗费相当长的时间，是缩短产品上市时间的最大障碍，采用3D打印可大大缩短概念模型和产品原型的制作时间，从以往的几天乃至几个星期缩短到几小时。近年来，随着产品复杂化和个性化的发展趋势，设计过程中模型加工和制造的成本非常高，复杂模型甚至要求制作专用模具和加工工艺以保证模型的精度和真实效果，而3D打印技术可实现模型随时、随地制作，大幅度降低设计成本。

（三）3D打印技术对设计产业的影响。传统的工业设计模式受到固有减式生产方式所制约，由专业设计师主导。但随着3D打印技术的日趋成熟，独立设计师对于传统加工业的依赖性将越来越小。对于那些具有较强的创新意识，具备一定的设计、研发能力的消费者很可能变成设计师和生产商。随着3D打印技术所带来的社会化制造，独立设计师和品牌也将崛起。

四、3D打印在工业设计中所面临的问题

3D打印由设计师、设计软件、设备、材料等共同作用，相互影响。在工业设计领域，3D打印技术解放了设计束缚，激发了设计师的创作灵感，但用于3D打印技术的设计软件、模型输出格式等方面依然需要进一步发展与完善。目前，3D打印技术可以与设计完美地结合在一起已经在诸多产品上得以证实，并获得了广泛的认可，但是如何让其在更多的产品生产中发挥应有的作用，仍是一个需要不断探讨的问题。同时，3D打印技术其本身又存在先天性不足，例如：打印尺寸受技术和打印机的限制、产品打印时间过长及大批量生产时无成本优势等，这些原因使3D打印仍不能代替传统制造工艺。结论：3D打印技术在工业设计领域已经获得了重大的发展和应用。在工业设计领域，3D打印技术不仅可以满足当下人们对个性化、订制化产品的要求，还可以实现结构、外观复杂产品的制造，提高设计制造精度，大大缩短设计周期，降低设计成本，激发了设计师的创作灵感，为产品设计带来新的生命力，同时催生了大量独立设计师及设计品牌，有良好的发展前景。同时，3D打印技术也存在一些技术和推广上的缺点与不足，但随着3D打印技术的发展、成熟及设计人员的不懈努力，一定会在工业设计领域得到越发广泛的应用。

参考文献：

[1]蔺薛菲.3D打印技术对制造业产品设计的影响研究[J].艺术与设计(理论),2015,08:103-105.

[2]付航,李鹏.3D打印技术在产品设计中的应用概况[J].美与时代(城市版),2015,10:85-87.

裸眼3D技术具有数据量小、传输效率高、显示内容可自适应调节，用户交互性好等优点。 下面是我整理了裸眼3d技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!

基于深度图的多视点裸眼3D立体视频技术研究

摘要：3D立体视频技术正引起越来越多的关注，但是目前绝大多数3D视频系统需要佩戴特殊眼镜才能够观看立体效果，或者要求观看者必须从某个固定角度进行观看。而多视点裸眼3D立体视频系统则可以避免以上两点限制，得到最好的3D观看体验。目前国际上最前沿的3D立体视频研究集中在基于深度图的多视点3D立体视频技术上面，本文对基于深度图的多视点裸眼3D立体视频系统的几个关键技术环节，包括深度图提取、虚拟视点合成、多视点视频合成等进行了研究并进行了相应的仿真实验，从实验效果来看，基于深度图的多视点裸眼3D立体视频系统具有数据量小、传输效率高、显示内容可自适应调节，用户交互性好等优点。

关键词：裸眼3D立体视频;深度图;3DTV

目前3D立体视频技术正引起越来越多人的关注，其中主流的3D技术主要包括双目立体视频(包含2个视点的视频数据)和多视点立体视频(包含8个以上视点的视频数据)。双目立体视频又可分为配戴眼镜观看和双目裸眼立体显示两种，其中前者必须佩带偏振眼镜，为观看带来了不便，后者则要求观看者必须从固定的角度进行观看，当有多人同时观看同一块显示器时，因为多数观看者无法获得最佳观看位置从而大大影响观看体验。而对于多视点立体视频技术而言，由于同一块裸眼3D立体显示器上可同时提供多个视点的内容，所以观看者可以从任意自由的角度来观看，极大地提升了观看的便利性。所以多视点立体视频已经成为当前技术研究的主流。但是，多视点立体视频相对于双目立体视频而言数据量成倍增长，为存储和传输带来了不便，而基于深度图的多视点立体视频技术具有数据量小的优点，因而成为最有潜力的多视点立体视频方案。本文深入研究了基于深度图的多视点3D立体视频技术中的若干关键技术环节，并进行了相应的仿真实验。本文的章节内容安排如下：第2节介绍基于深度图的多视点3D立体系统整体架构，第3节介绍深度图提取，第4节介绍虚拟视点生成，第5节介绍多视点视频合成，第6节总结全文。

一、基于深度图的多视点3D立体视频系统框架

基于深度图的多视点3D立体视频系统的技术框架如图1所示。首先需要进行原始视频序列的拍摄，虽然最终多视点裸眼立体显示系统需要9个甚至更多的视点的视频内容，但是实际的原始视频序列拍摄阶段只需要拍摄2-3个视点的视频即可，这是因为基于深度图的虚拟视点生成技术可以在解码端通过2-3个视点的视频生成多个视点(在本文中为9个视点)的虚拟视点视频，所以基于深度图的多视点立体视频技术具有数据量小，易传输的优点，克服了多视点视频数据量大的缺陷。

在原始视频序列拍摄完成后需要进行深度图的提取和相机参数的计算，该步骤中提取的深度图的质量直接决定了后期生成虚拟视点视频的质量。完成以上步骤后则需进行压缩编码并通过网络传输到解码端，解码端对数据进行解码后会进行基于深度图的虚拟视点生成，将原始的2-3个视点的视频数据变成9个视点的视频数据，获得的9个视点的视频数据还不能直接在多视点裸眼3D立体显示器上面播放，必须针对该显示器所使用的3D光栅结构进行多视点视频合成。

本文的后续章节将会对深度图提取、虚拟视点生成、多视点视频合成三个环节进行详细介绍并进行相应的仿真实验。

二、深度图提取

深度图介绍

深度图是一副灰度图像(如图2-b)，灰度值的范围为0-255。灰度值可结合场景的景深信息进行换算得到深度值，立体视频系统的实际应用中使用的是深度值。

深度图上的像素是0-255的灰度值，前文提到过深度图主要用于虚拟视点生成，在该过程中，我们用到的是实际的深度值，所以需要建立一个转换关系，将深度图中的像素灰度值换算为实际的深度值：

公式(1)中z就是我们在虚拟视点生成过程所需要的深度值，v表示图2-b中的深度图像中像素的灰度值，Znear和Zfar分别表示该视频所拍摄的场景中的最近深度和最远深度，这两个值需要在原始视频序列的拍摄过程中进行测定。

基于块匹配的深度图提取

用并排平行排列的两台相机拍摄同一场景，获得两幅图像，要获得其中一幅图像的深度图，需要用另一幅图像来与之进行像素配对，经过像素点的配对匹配之后就会获得该幅图像每个像素点在两幅图像中间的视差，而深度值与视差值之间的关系如下：

其中z为我们要求的深度值，d为经过像素匹配后得到的视差值，f为相机的焦距，b为两台相机之间的基线距离。所以有了视差值d之后就可以很容易的获得深度值z。但是最关键的环节是获得准确的视差值，所以需要进行精确的像素点匹配，但是实际上由于不同相机之间曝光参数的差异，即使拍摄的是同一场景，像素点之间依然存在亮度差异，所以我们采用了图像块匹配的办法，在一定程度上提高了像素点匹配的鲁棒性，在本文的试验中所使用的是3×3大小的图像块，必须指出的是，本文默认拍摄原始视频序列的是严格水平平行的两台相机，所以在进行图像块的匹配时只进行水平搜索而不进行垂直搜索。整个深度图提取过程如图3所示。

对国际视频标准制定组织MPEG提供的多视点视频序列进行实验提取的深度图如图4所示。

三、虚拟视点生成

虚拟视点生成技术[2]可以将左右视点中的像素投影到两视点中间的任意位置，从而生成原本没有被相机拍摄到的虚拟视点的视频图像(如图5所示)，该生成过程需要用到左右两个视点的深度图以及相机参数。该技术主要用到了3D投影的算法，3D投影算法用于发现两个图像平面之间的对应点，具体过程为将一个图像平面上的点投影到3D世界坐标系，然后再将该点从3D世界坐标系投影到另一个图像坐标平面。

对于任一给定的点p0，坐标为(u0，v0)，位于图像平面V0。如果要找到改点在图像平面V1的对应点P1的坐标(u1，v1)，那么整个3D投影过程应按如下式所示进行计算：

在这里，z是3D世界坐标中的点沿着相机坐标系的到相机的Z轴到相机的距离，P是对应的投影矩阵。该投影矩阵P由相机的内部矩阵K，旋转矩阵R和平移矩阵T组成，具体P的描述如下所示： 其中，K是3×3的上三角矩阵，由焦距f，倾斜参数?酌和虚拟相机位置上的理论点(u'，v')组成。R和T描述了世界坐标空间下的相机位置。

经过以上步骤即可初步实现基于深度图的视点合成。

四、多视点视频合成

裸眼3D立体显示原理

要使观看者体验到3D立体效果，其核心的原理是使双眼分别同时看到不同的画面，从而获得立体感，最简单的方法就是目前最为常见的佩带特殊眼镜，这样可以强制控制两眼所看到的内容，但是该方案为观看者带来了极大的不便(特别是本身就戴眼镜的观众)。本文使用的方案为裸眼3D立体显示，主要实现途径为在显示器屏幕前增加视差栅栏，通过栅栏控制各像素光线的射出方向，使某些图像仅射入左眼，某些图像仅射入右眼，从而形成双目视差，产生立体视觉(如图6所示)。

多视点视频合成

本文中所使用的裸眼3D视差栅栏结构上更为复杂，可以通过其栅栏遮挡控制9个视点的图像内容，从而实现了在同一块显示器上同时显示9个视点的图像，虽然观看者在同一时刻双眼只能分别看到其中两个视点的图像从而获得立体感，但9个视点的图像使得显示器的可观看角度大大增加。为了配合9视点光栅栅栏的显示，我们需要对9个视点图像的RGB像素进行重排列，重排列的顺序如图7所示。图中的数字代表视点的编号，按图中的顺序将9个视点图像的RGB值重新组合排列，会得到一幅分辨率为原先每个视点图像9倍大小的立体图像，立体图像可用于在多视点裸眼3D显示器上播放。由9个视点图像合成的立体图像如图8所示(该图像只有在9视点裸眼栅栏式立体显示器上才可以看到立体效果)。

结论

基于深度图的多视点立体视频技术是当前3D立体视频的研究热点，该技术不需要佩带特殊的3D立体视频眼镜，并且具有总数据量小、观看可视角度大的优点。本文深入研究了基于深度图的多视点裸眼3D立体视频系统的几个关键技术环节，包括深度图提取、虚拟视点合成、多视点视频合成等进行了研究并进行了相应的仿真实验。

参考文献

[1]Müller，K.;Merkle，P.;Wiegand，T.;，"3-DVideoRepresentationUsingDepthMaps，"ProceedingsoftheIEEE，，，，April2011

[2]Ndjiki-Nya，P.;Koppel，M.;Doshkov，D.;Lakshman，H.;Merkle，P.;Muller，K.;Wiegand，T.;，"DepthImage-BasedRenderingWithAdvancedTextureSynthesisfor3-DVideo，"Multimedia，IEEETransactionson，，，，June2011

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[4]Sourimant，G.;，"Asimpleandefficientwaytocomputedepthmapsformulti-viewvideos，"3DTV-Conference：TheTrueVision-Capture，TransmissionandDisplayof3DVideo(3DTV-CON)，2010，vol.，no.，，7-9June2010

[5]Hopf，K.;，"Anautostereoscopicdisplayprovidingcomfortableviewingconditionsandahighdegreeoftelepresence，"CircuitsandSystemsforVideoTechnology，IEEETransactionson，，，，Apr2000

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