导读：想象一下，如果可以自己在家利用3D打印机，制作一款能与AR/VR头显一起使用的带有追踪功能的输入设备玩游戏，将会是多么有趣的一件事？而这一切可以通过一枚“隐形”的AR标签实现。
2022年4月2日获悉，来自Meta（Facebook）Reality Labs和麻省理工学院（MIT）的研究人员已经开发出一种3D打印物体的方法，这些物体可以印上人们肉眼看不见的AR标签。
该研究团队近日发布了一篇题为“InfraredTags: 使用低成本、基于红外线的3D打印和成像工具嵌入不可见的AR标签和条形码”的研究论文，其在论文中指出，通过设计具有内置间隙的部件，可将图案转化为二维码，然后用红外（IR）发射灯丝将AR标签3D打印到物体间隙中，从而可以创建出与AR设备对接的物体。
工程师们说，这样做就可以追踪这些物品的运动，甚至可以将它们用作游戏控制器，这可以让用户在家里自己利用3D打印机制造多种多样的游戏输入设备。
△使用这种方法，研究人员发现他们能够打印一个方向盘控制器来玩赛车游戏。图源：MIT/Facebook Reality Labs
让AR标签整合变得更容易
现在，AR技术已经被应用于如医疗外科、培训、元宇宙等多个方面，开始真正地成为主流。而3D打印也是一种前沿技术，经常被誉为是传统方法的颠覆者，研究人员也看到了两种技术的适配性，并开始尝试将两者结合起来探索它们的潜力。
虽然已经开发了一些方法来实现这一目标，但麻省理工学院以及Facebook团队表示，想要这项技术被广泛采用仍然存在着局限性。例如，关于该团队2017年推出的AirCode和InfraStructs程序，研究人员认为它们只是取得了有限的成功，因为想要实现它们的功能必须以复杂的、昂贵的硬件设置为代价。
为了解决这些问题，工程师们建议用红外灯丝对物体进行3D打印，并利用空气间隙来印上AR标签，还可以用低成本的相机进行扫描。虽然他们承认这项技术在2019年的LayerCode项目中已经进行了试验，但当时需要提前将树脂材料浸泡在红外染料中，并通过昂贵的改装打印机进行沉积，因此该团队后续围绕现成的材料开展了研究。
“（在我们的方法中）物体的主要几何形状是使用红外灯丝3D打印而成的，而标签本身是通过留出空气间隙来创建的，"该团队在他们的论文中解释道。"因为主要的几何形状在红外区域是半透明的，近红外相机可以看穿它并捕捉到空气间隙，即标签，它能够以不同的强度显示出来。”
△研究人员的InfraredTag嵌入界面。图源：MIT/Facebook Reality Labs
用打印的控制器进行游戏
为了将他们的无障碍AR标签整合印刷的愿景变为现实，研究人员最初用一个日常的FDM系统，使用带红外发射的PLA（聚乳酸，一种新型生物降解材料）将标签嵌入到一个物体中。虽然这能够制作出一个可读的标签，但该团队后来发现，通过将他们的材料与常规的PLA混合，他们能够改善间隙和填充区域之间的对比度，从而产生更清晰的标签。
在优化了他们的3D打印方法后，工程师们又将注意力转移到了二维码与数字设备的对接上。虽然研究人员坚持认为他们的标签可以通过许多智能手机的红外相机读取，但该团队也承认这是一个高级功能，可能有许多智能手机并没有搭载红外相机。所以为了确保他们的方法可以使用，他们还开发了一个定制的成像模块和应用程序。
研究人员设计的这款适配器由一个红外摄像头和可见光截止过滤器以及两个红外LED组成，用于在黑暗中照亮物体，它们被安装在一个TPU 3D打印的外壳上，据说可以与任何现代智能手机一起使用。更重要的是，在使用过程中，这个附加装置会向用户显示他们能看到的东西，而不是仅仅向他们提供红外信号。在AR应用中使用时，还可以在上面叠加更多信息。
这项技术被研究团队命名为“InfraredTag”，为了进行现场测试，该团队将其用于3D打印一个嵌入标签的轮子，这使得轮子的运动可以被追踪，并能够作为游戏的转向输入设备使用。该团队建议，在未来，像这样的物体可以理想地用于适配带有红外功能的AR头显，如微软的HoloLens 2，同时也非常适合于数据共享。
“在物体本身的空间嵌入元数据或文档信息，可以提供更丰富的环境信息，并允许信息共享，”该团队总结道。“例如，我们可以将物体的制造/原产地链接（如缩短的Thingiverse URL）嵌入到InfraredTag中，供用户查询，以备他们想从创作者那里获得更多信息或自己进行3D打印。”
△该团队为没有配备红外装备的智能手机设计的适配器。图源：MIT/Facebook Reality Labs
AR在3D打印领域中的影响越来越大
尽管结合3D打印和AR技术的实验仍处于早期阶段，但AR正日益吸引着增材制造行业的目光。
在过去，将水印集成到3D打印部件中的技术引起了埃克塞特大学和杜伦大学研究人员的关注，他们将其描述为对人们隐私的 “日益增长的威胁”。然而，InfraTrac的首席执行官Sharon Flank后来给这些说法泼了冷水，说她不认为追踪3D打印设计文件是制造商面临的 “大危险之一”。
Meta 公司本身也投入了大量精力来研究利用增材制造技术开发游戏控制器的潜力，其在之前已经制造了3D打印的AR手套。这些手套也是由该公司的Reality Labs 团队与康奈尔大学的研究人员共同开发的，当它们被披露时，人们认为这些支持触觉反馈的可穿戴设备可以配合Oculus Rift使用。
除了Meta外，Luxexcel也与波导制造商WaveOptics合作，使用3D打印技术打印了具有AR功能的智能眼镜。这两家公司的镜片模块被设计为既可用于视力矫正，又可用于AR，同时保留了常规的外形尺寸，使它们能够被整合到传统的眼镜框中。
有关这项研究的详细信息可以在”InfraredTags: Embedding Invisible AR Markers and Barcodes Using Low-Cost, Infrared-Based 3D Printing and Imaging Tools“一文中具体了解，该论文由Mustafa Doga Dogan、Ahmad Taka、Michael Lu、Yunyi Zhu、Akshat Kumar、Aakar Gupta和Stefanie Mueller共同撰写。
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