使用低成本红外 3D 打印嵌入隐形 AR 标记和条形码的研究

麻省理工学院电气工程和计算机科学系的学生 Mustafa Doga Dogan 提出了一种可以识别和跟踪物体的隐形机器可读标签的想法。多根和麻省理工学院的其他研究科学家称这些红外标签。这些标签使用标准 3D 打印机嵌入到物体内部。它们肉眼看不见的事实使它们不引人注目。

此外，随着时间的推移，这些常规标签可以被移除或分离，或者变得不可读。但这些隐形标签比标准条形码更耐用。

这些标签是使用对可见光不透明但对红外光透明或半透明的定制塑料进行 3D 打印的。因此，基于红外的相机可以轻松读取这些标签。为了对这些标签进行解码，只需将一个简单、低成本的红外摄像头连接到现有的带有条码读取的移动设备上。但是，由于许多新智能手机现在都内置了红外摄像头，因此将来不需要额外的硬件。

这些标签的抽象概念来自带有嵌入信息的数字文件。多根认为类似的事情也可以用物理对象来完成。因此，他使用智能手机摄像头与红外 (IR) 范围和 条码读取软件一起扫描嵌入式条码。

下一步是使用适合红外相机使用的各种材料制造标签。此外，Dogan 的团队还尝试在 3D 打印机上制作标签。第一种选择是通过在塑料材料上刻出气隙来替代零和条形码。另一种选择是使用两层塑料——一层传输红外光，另一层嵌入条形码——这是不透明的。

多根和他的合作者创造了几个原型，包括在容器壁内刻有条形码的杯子、带有显示网络名称或密码的隐形标签的 Wi-Fi 路由器原型，以及一个简单的轮形视频游戏控制器，没有电子组件。相反，它内部有一个条形码（ArUco 标记）。

这项研究得到了 Alfred P. Sloan 基金会研究奖学金的支持。它将在今年 5 月在新奥尔良举行的 ACM CHI 计算系统中的人为因素会议上发表。

隐形 AR 标记和条形码

将不显眼的标签嵌入 3D 对象的现有方法需要复杂的制造或高成本的成像设备。我们提出了 InfraredTags，它们是肉眼无法察觉的 2D 标记和条形码，可以作为物体的一部分进行 3D 打印，并由低成本的近红外相机快速检测到。我们通过使用红外线传输灯丝打印物体来实现这一点，红外线相机可以看到这些物体，并通过在内部为标签位设置气隙，这些气隙在红外图像中以不同的强度出现。

我们构建了一个用户界面，便于将常见标签（QR 码、ArUco 标记）与对象几何图形集成，使它们可作为 InfraredTags 进行 3D 打印。我们还开发了一种低成本的红外成像模块，可以增强现有的移动设备并使用我们的图像处理管道解码标签。我们的评估表明，标签可以在几乎没有近红外照明（0.2lux）的情况下被检测到，距离最远可达 250 厘米。我们展示了我们的方法如何支持各种应用程序，例如对象跟踪和嵌入元数据以实现增强现实和有形交互。

由于其在增强和虚拟现实 (AR/VR)、包装、跟踪物流和机器人技术中的许多应用，在制造 3D 对象时将不显眼的标签嵌入到这些对象中的能力越来越重要。

在过去十年中，研究人员研究了几种插入肉眼无法察觉的标签的方法。实现这一点的一种方法是在表示标签位的对象内部留下气隙。例如，AirCode  在 3D 打印物体表面下方嵌入气隙，并利用投射结构光通过材料的散射来检测气隙的位置。InfraStructs 还将气隙嵌入到物体中，但使用太赫兹成像进行 3D 扫描，与可见光相比，它可以更好地穿透材料。

虽然这两种方法都可以在 3D 对象中嵌入标签，但它们需要复杂的硬件设置（例如，AirCode中的投影仪相机设置）、昂贵的设备（例如，InfraStructs中的太赫兹扫描仪）以及订单上的较长成像时间分钟。为了解决这些问题，我们提出了一种将 3D 打印结构内部的气隙与红外传输灯丝相结合的新方法。这使得物体半透明，并且当用红外相机观察时可以检测到气隙。因此，我们的方法只需要一个低成本的红外成像模块，并且由于标签是从单帧中检测到的，因此可以更快地实现扫描。

一种使用基于红外的 3D 打印材料的方法是LayerCode ，它通过使用普通树脂和与近红外染料混合的树脂打印物体来创建 1D 条形码。因此，虽然打印的物体在人类看来没有经过修改，但红外摄像机可以读取代码。然而，这种方法需要一台经过修改的 SLA 打印机，该打印机带有两个罐、定制固件和定制打印材料。相比之下，我们的方法使用更容易获得的低成本材料。

在本文中，我们介绍了 InfraredTags，这是一种将标记和条形码嵌入到物体几何形状中的方法，不需要复杂的制造或高成本的成像设备。我们通过使用现成的熔融沉积建模 (FDM) 3D 打印机和市售的红外 (IR) 传输灯丝 [用于制造，以及现成的近红外相机用于检测。物体的主要几何形状是使用 IR 灯丝 3D 打印的，而标签本身是通过为钻头留出气隙来创建的。由于主要几何结构在 IR 区域中是半透明的，因此近红外相机可以看穿它并捕捉到气隙，即标记，它在图像中以不同的强度显示。通过双材料 3D 打印来自红外不透明灯丝的比特，而不是将它们作为气隙留下，可以进一步提高图像的对比度。我们的方法可以嵌入二维标签，例如 QR 码和 ArUco 标记，并且可以在对象中嵌入多个标签，这允许从多个角度进行扫描，同时容忍部分遮挡。为了能够使用传统智能手机检测 InfraredTag，

为了使用户能够将标签嵌入到 3D 对象中，我们创建了一个用户界面，允许用户将标签加载到编辑器中并将它们放置在所需的位置。然后，编辑器将标签投影到 3D 几何体中，以将它们与对象几何体一起嵌入。制作完成后，当用户使用我们的成像模块拍照时，我们的自定义图像处理管道通过增加对比度来检测标签以准确地对其进行二值化。这使得新的应用程序能够与 3D 对象交互，例如在增强现实 (AR) 环境中远程控制电器和设备，以及使用现有的被动对象作为有形游戏控制器。

总之，我们的贡献如下：

• 一种将隐形标签嵌入物理对象的方法，方法是使用红外传输灯丝在现成的 FDM 3D 打印机上 3D 打印它们。
• 一个用户界面，允许用户将标签嵌入到对象的内部几何图形中。
• 用于识别嵌入在 3D 打印中的标签的图像处理管道。
• 一种低成本且紧凑的红外成像模块，可增强现有移动设备。
• 基于 3D 打印和成像约束的 InfraredTags 检测精度评估。

红外线标签

InfraredTag 被嵌入，使得物体在可见光下看起来不透明且未修改，但在近红外光下显示标签。我们通过使用红外传输灯丝 3D 打印物体的主要几何形状来实现这一点，而标签本身是通过为比特留出气隙来创建的。由于主要几何结构在红外区域是半透明的，近红外相机可以看穿它并捕捉到气隙，即标签，它在图像中以不同的强度显示。在本文的其余部分中，我们将红外透射灯丝称为红外灯丝或IR 灯丝。
在接下来的部分中，我们将描述 IR 灯丝和适当的红外相机的特性，然后讨论如何将 IR 灯丝用作独立的单一材料打印或与另一个灯丝一起在物体内部创建标记。

在此处阅读有关 MIT 对 InfraredTags 的研究的更多信息：使用基于红外线的低成本 3D 打印和成像工具嵌入隐形 AR 标记和条形码。