基于AR技术的激光打印机交互应用设计与开发

秦璐，司占军，刘哲

基于AR技术的激光打印机交互应用设计与开发

秦璐，司占军，刘哲

（天津科技大学，天津 300457）

针对激光打印机的使用、维护和培训等需求，探究AR技术在激光打印机的虚拟交互和工艺流程上的应用研究。以三星M2876HN型号的激光打印机为研究对象，使用3ds Max 2018来制作模型和动画，通过Unity 3D配合Vuforia SDK开发AR效果的应用软件。发布了移动应用，该应用可以实现对激光打印机的识别，展示激光打印机的内部结构、耗材的更换和内部运转动画，可以对模型进行旋转缩放和查看激光打印机的信息。将AR技术和激光打印机相结合不仅为激光打印机功能展示提供了新模式，而且模拟了激光打印机使用过程的一些问题，增加了用户与激光打印机的互动体验。

激光打印机；AR技术；Unity；Vuforia

随着社会的发展，越来越多的工作需要在电脑上完成，激光打印机经过多年发展和推广，如今已经几乎成为办公的必备设施[1]。在新用户接触和使用激光打印机的过程中，会因为缺少对激光打印机的内部结构和打印原理的了解，经常会遇到更换耗材或者打印机故障等问题，由于纸质和视频等传统媒体对激光打印机信息传递不够全面，因此需要新的媒体对激光打印机进行更全面直接的展示和介绍。

增强现实（Augmented Reality，AR）指将计算机生成的虚拟物体或信息实时注册到三维世界中[2]，使用者既能看到真实世界，又能通过设备与虚拟物体互动[3]。长期以来，工程研究界一直着眼于AR技术在装配操作方面的应用[4]。AR技术在许多方面都有广泛的应用，比如教学培训、游戏娱乐、军事和文物古迹数字重现等领域[5]。随着计算机技术、信息网络、智能设备的不断发展和革新，一些AR设备已经进入市场，渲染质量、舒适性方面有了显著的改进，在各个行业中用户的感受日益重要[6]。由于AR头盔等设备具有局限性[7]，AR技术在手机等智能移动设备上的应用将是一个重要研究方向。通过AR技术将激光打印机模型叠加到实机上，从而实现激光打印机的虚拟交互，展示激光打印机的信息和功能，AR技术可运用到激光打印机的使用、维护和展示等方面。

1 激光打印机工作原理

激光打印机的工作流程主要包括页面转换、充电、曝光、显影、转印、定影等[8]。激光打印机内的图像处理器会将打印文件的图文信息转换为点阵数据，在打印工作后呈现到打印纸上[9]。

感光鼓又叫硒鼓，由接地金属筒、光导层和透明绝缘保护层组成，光导层在受到光照前是绝缘体，经过光照后会变成导体，这种光导特性是激光打印机工作的核心原理。充电辊给感光鼓充电使感光鼓上产生电荷[10]，然后激光发射器发出激光对感光鼓的光导层进行曝光，被激光照射到的部分光导层变成导体，这部分的电荷与接地金属筒导通消失，没有被照射到的地方电荷依然存在[11]，这时感光鼓上的电荷分布就形成了静电潜像。墨粉在墨仓中摩擦后会带上电荷，显影辊将墨仓里的墨粉吸附在表面，显影辊和感光鼓接触时，墨粉被吸附到了感光鼓上有电荷的地方，感光鼓表面就形成了墨粉构成的图像。

图1 激光打印机工作原理

2 系统设计

2.1 开发环境

操作系统为Windows 10家庭中文版，处理器为Intel(R) Core(TM) i7–9750H CPU@2.60 GHz 2.59 GHz，64位操作系统，安装内存为8.00 GB。

2.2 开发工具

建模软件使用3ds Max 2018（简称3d Max）完成，3d Max功能强大而且灵活，方便实现模型结构、模型材质和模型动画的制作。

选用Vuforia SDK（简称Vuforia）配合Unity 3D开发引擎（简称Unity）进行AR设计和软件制作，Vuforia是美国参数技术公司（PTC）的增强现实技术解决方案，是当前最流行的增强现实开发平台之一。在Unity中Vuforia具有很好的交互功能和三维展示效果，可以通过使用Visual Studio编写脚本和使用插件实现对目标物体的控制。Unity支持Android、iOS等操作系统的使用，可以实现应用程序的封装。

2.2 软件设计

选用三星M2876HN型号的激光打印机作为原型，通过收集资料对激光打印机进行实际测量，首先使用3d Max进行整体建模，将模型进行训练完成识别，然后进行零件建模和动画制作，最后将素材导入Unity中进行交互的制作和软件的打包导出。

文中的设计可以展示激光打印机的整体外观和打印部分的零件，AR识别激光打印机成功后可以展示激光打印机的功能、激光打印机的运行动画和打印过程中的零件运转，技术路线见图2。

3 制作过程

3.1 模型的制作

三星M2876HN激光打印机的耗材采用鼓粉分离式，鼓粉分离降低了打印的成本，还可以减少废弃物对环境造成的污染[13]，硒鼓的寿命要远长于墨粉盒，墨粉用完后只需要更换墨盒，一个硒鼓可以支持使用3～4个墨盒。收集三星M2876HN激光打印机的结构参数等资料，对实机的整体结构和内部零件进行数据的测量，采用从整体到局部的建模方式[14]，使用3d Max对激光打印机进行整体机身建模，整体建模用于模型训练和搭建数据库，见图3。

图2 技术路线

图3 三星M2876HN激光打印机模型

在模型制作过程中，如果模型的大小超过400 000个多边形或20多个部件，就需要简化模型才能进行模型训练，以便在移动设备上实时运行。简化过程包括减少模型的网格多边形数量和计算机视觉算法的简化，但是任何简化方法都会引入人为误差，因此简化需要对应的比例，例如将模型尺寸按1∶10的比例进行简化，将与模型对应的网格从10 000个多边形减少到1 000个多边形，通常不会影响计算机视觉算法，数据显著减少的同时，依然可以实现良好的检测和跟踪性能。

所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种在较短的距离内可以使用无线电进行联系的技术，在没有互联网的情况下照样可以实现无线上因特网。现在的蓝牙技术已经是十分的娴熟，应用也非常的广泛，电话、笔记本电脑、手表、平板电脑和一些手持设备都在使用，在有限的区域内还可以组成一个巨大的无线通信网络。尤其是在手机和手持设备的普及更是方便了我们的日常生活，一些音频、视频和文件的传输对我们的日常工作提供了大大的便利。

整体建模完成后再对激光打印机每个部件进行细致建模，还原激光打印机的内部结构[15]，将所有部件组装到激光打印机的整体模型，并对主要耗材进行建模，见图4。

图4 主要耗材

3.2 动画制作

动画的制作是为了展示打印机的工作原理以及在使用激光打印机过程中面临的一些问题。根据分析零部件的运转、各滚轮的运转方向来制作激光打印机的工作原理和更换耗材的过程，制作爆炸图动画方便观察激光打印机的各部件，使用3d Max中的动画系统中关键帧来录制动画，见图5。

图5 制作帧动画

在制作激光打印机的打印工艺流程动画时，通过3d Max中的IK骨骼动画来模拟纸张的运动，IK骨骼动画是一种反向运动的动画[16]，在骨骼链中父骨骼根据子骨骼的位移和旋转来进行运动。通过IK解算器来解算骨骼的位移和运动方向，IK解算器可以创建反向运动学解决方案，用于旋转和定位骨骼链中的链接，管理链接中骨骼的位移和旋转。

创建骨骼和打印纸的运动路线，首先将打印纸的运动和骨骼绑定起来，通过样条线IK解算器解算骨骼的运动；然后将骨骼蒙皮到打印纸上，配置骨骼的权重使每节骨骼控制对应部分的打印纸，见图6；最后使用关键帧记录打印纸在激光打印机的运动过程的动画。在导出动画和模型时要将动画从起始帧烘焙到最后一帧。

图6 骨骼蒙皮和封套

3.3 制作模型识别

3.3.1 模型目标生成器

数据库的搭建需要使用Vuforia工具中的模型目标生成器（Vuforia Model Target Generator，MTG)。MTG是一个桌面应用程序，通过导入三维模型并对其进行训练，快速地将现有的三维模型转换为Vuforia数据包，这个数据包支持创建单个或多个视图模型目标，并且可以提供自动识别等功能。

在MTG中首先要设置模型轴向、大小和部件颜色，确定捕捉位置，MTG会根据模型的复杂性来确定模型是否可以用于模型识别，模型最多只能由400 000个多边形组成，最多可以包含20个部件和5个纹理，并且需要使用右手坐标系统。MTG支持动态模式和静态模式，且使用静态模式会更加省电。设置识别范围和指示视图来引导模型识别，进行360度全方位识别需要创建高级视图，再导出数据包，通过深度学习框架来训练数据包，以实现自动识别。模型目标生成器见图7。

图7 模型目标生成器

3.3.2 高级模型目标跟踪和识别

使用MTG创建高级视图，设置目标指示视图和识别范围。对于激光打印机，需要设置360度的识别范围。如果创建无识别范围的指示视图，可以在训练高级模型目标之前返回，并添加指示视图中的识别范围。设置2个或2个以上的指示视图时，应该覆盖不同的识别范围，相同的目标范围会导致数据包变大并难以识别。只有在视图的目标范围有显著差异时，才能配置每个高级模型目标的多个指示视图。

高级模型目标支持全方位识别和跟踪包含在同一个高级模型目标数据库中的1个或多个模型，无需用户将模型轮廓与现实物体对齐就可开始模型识别跟踪。在MTG中训练1个或多个模型目标，MTG会将模型上传到Vuforia云中进行深度学习训练。

3.3.3 模型训练

将制作好的激光打印机的整体模型导入MTG中，生成模型目标并设置其识别范围，将模型导入高级模型目标数据库时，要考虑训练模型的外观模式。如果模型在材质和颜色等方面采用真实对象的设置，应选择Realistic选项，生成的数据库将仅适用于具有相同颜色、图案的现实对象，常用于增加形状不够独特物体的识别准确度。对没有真实的颜色或材质的模型应选择Non–realistic选项，生成的数据库不会查看真实物理对象的实际颜色，用于缺少外观信息但结构独特的物体。三星M2876HN激光打印机的颜色信息单调但结构独特，因此选择Non–realistic选项，然后进行模型训练，训练时间与模型大小有关，见图8。

图8 模型训练

训练成功后就可以将训练好的数据库导出为Vuforia数据包。如果训练失败，可能的原因有：三维模型太大，需要减少模型的网格多边形数量、纹理和对象数量；某些或全部对象在视觉上相似，这意味着它们在视觉上无法进行区分，需要设置指示视图的目标识别范围；模型或指示视图没有足够的细节或边缘来支持识别和跟踪；旋转对称的物体会导致360度识别范围的高级模型目标训练失败。

3.4 软件的制作

3.4.1 素材的处理

创建Unity项目，将模型和Vuforia数据包等资源导入项目中。模型导入后可能会出现材质丢失等现象，这时可以从模型的材质中选择使用嵌入的材质。在3d Max中制作的模型动画是一个整体，因此需要将模型中的动画进行拆分，将动画拆分为对应片段后进行命名。

Unity的动画系统非常的灵活且强大，支持动画融合、混合、拆分动画，可以控制动画的各个方面，并支持基于物理的布娃娃系统和程序动画。添加Animator组件，在Assets中新建一个动画状态机，把需要用到的动画拖入动画状态机中，设置动画间的传递关系，使用bool和float动画设置切换值来设置动画切换的条件，将动画状态机挂到模型上，通过脚本控制动画的播放，见图9。

图9 动画控制器

3.4.2 UI界面的设计

UI交互设计需要用到Unity中的UGUI系统，使用Canvas、Image和Button等控件。根据设计好的素材来创建不同的场景，主要有对激光打印机的信息展示和模型识别，并根据内容和功能设计虚拟交互，通过编写脚本来控制交互。

3.4.3 模型的预览

为了展示打印机的整体和部件模型，设计了模型的预览功能，点击不同的图标就可以对这个部分进行预览，且可以查看当前部分的基本信息。实现的基本原理是在场景中创建模型和摄像机，使用脚本对模型设置交互，将摄像机捕捉到的模型画面渲染到Render Texture上，然后将Render Texture显示到UI面板上，实现三维模型在UI面板上的显示、旋转和缩放等功能，见图10。

图10 模型预览

3.4.4 AR识别的制作

AR识别功能是用户体验增强现实的最重要的部分，在Unity中Vuforia插件提供了一系列工具，方便创建和管理数据库。在Hierarchy中创建Model Target，选择导入的Vuforia数据包作为模型识别的数据库，并将激光打印机模型和识别模型贴合。设计UI界面，对各个功能进行编写脚本、制作交互，达到通过点击按钮来控制激光打印机模型的目的。

当模型识别成功后，激光打印机的三维模型会覆盖在实机上，同时出现UI界面，点击按钮可以查看激光打印机每个部分的功能。在打印过程的展示中对外壳等部件进行隐藏，以便更好地展示打印的运转过程。爆炸图效果通过模拟激光打印机炸开来展示所有部件，也可以控制激光打印机模型进行更换硒鼓、墨盒和打印等操作，见图11。

图11 AR功能的实现

3.4.5 测试发布

配置好各个场景的顺序和信息，将制作好的软件打包成APK格式导出，在安卓手机上进行安装并运行，在移动端运行过程中可能会出现Unity控制台中没有出现过的问题，此时需要进行问题排查，然后在Unity中调试并重新发布。

4 结语

AR技术运用到激光打印机能够展示激光打印机的系统组成和打印运转过程，用户可以更加直观地认识到激光打印机的内部结构和相关特性，将激光打印机的信息从二维平面上扩展到三维空间中，而且用户可以与激光打印机进行虚拟交互，提供了一种全新使用体验。随着科学技术的不断发展，数字化会普及到生活的方方面面，AR技术在印刷行业有着巨大的潜力，一定会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，天津科技大学硕士生，主攻虚拟现实技术。

司占军（1971—），男，硕士，天津科技大学教授，主要研究方向为数字媒体技术。

责任编辑：曾钰婵