MIT和INKBIT開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展的光譜封裝方法，在40秒內(nèi)放置670個(gè)物體

2023年6月30日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院（MIT）和Inkbit公司合作開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展的計(jì)算方法，將用于提升3D打印的效率和速度。

△使用SSP將對(duì)象快速打包到SIGGRAPH字母中

新穎的SSP技術(shù)

這種方法被稱(chēng)為"密集、無(wú)互鎖且可擴(kuò)展的光譜封裝"（SSP），為增材制造提供了巨大的潛力。研究表明，SSP可以通過(guò)高密度批量3D打印非互鎖零件來(lái)最大限度地提高3D打印吞吐量。

首席研究員Wojciech Matusik認(rèn)為，當(dāng)前的批量3D打印方法對(duì)容器體積的利用率非常有限，密度通常約為20%。他說(shuō)：“如果我們能夠提高封裝密度，我們就可以提高打印過(guò)程的整體效率，從而降低制造零件的總體成本?！?br />

Matusik補(bǔ)充道：“我們獲得的密度接近40%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)算法獲得的密度?！?br />
SSP還為一系列非3D打印技術(shù)應(yīng)用提供了價(jià)值，例如在倉(cāng)庫(kù)和運(yùn)輸中，各種物體定期包裝到不同尺寸的盒子中。

普渡大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Bedrich Benes表示，這項(xiàng)工作代表了有效組織3D對(duì)象這一長(zhǎng)期存在問(wèn)題的突破性解決方案。他說(shuō)：“所提出的解決方案最大限度地提高了封裝密度，并有可能在從機(jī)器人到制造等許多實(shí)際領(lǐng)域找到應(yīng)用。”

△ACM Transactions on Graphics雜志

該研究論文將于下個(gè)月發(fā)表在《ACM Transactions on Graphics》雜志上。此外，這項(xiàng)新技術(shù)將于8月在全球最大的計(jì)算機(jī)圖形和交互技術(shù)會(huì)議SIGGRAPH 2023上展示。

在3D打印的批量生產(chǎn)中，批量生產(chǎn)扮演著重要的角色。許多公司正在擴(kuò)展其增材制造能力，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。因此，優(yōu)化生產(chǎn)密度以提高3D打印的吞吐量顯然是必要的。

頻譜打包如何工作？

為了開(kāi)發(fā)這種新穎的計(jì)算方法，研究人員采用了體素化技術(shù)。在這種方法中，容器和要進(jìn)行封裝的物體都被表示為由小立方體或"體素"組成的3D網(wǎng)格。這個(gè)網(wǎng)格清晰地顯示了哪些體素被填充，哪些是空的。

為了確定每個(gè)物體的可用空間，SSP算法計(jì)算了每個(gè)體素的碰撞指標(biāo)，即計(jì)算占用體素的數(shù)量，用以表示對(duì)象之間的重疊或"碰撞"。然后，物體只能放置在沒(méi)有碰撞的體素中。

接下來(lái)，需要確定物體的最佳位置。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，算法在每個(gè)體素上計(jì)算了另一個(gè)度量，旨在局部最大化堆積密度。這個(gè)度量衡量了物體與容器壁或其他物體之間的距離，距離越大，度量值越高。目標(biāo)是最小化物體之間的間隙，通過(guò)將物體放置在值最低的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。研究人員將這個(gè)過(guò)程比作俄羅斯方塊游戲，要盡量減少空白空間。

△通過(guò)SSP算法生成的包裝具有34.3%的堆積密度

最后，SSP算法必須確保封裝是"無(wú)互鎖"的，這是為了確保所有物體能夠到達(dá)其指定位置，并在需要移除時(shí)能夠與其他物體分離。

這個(gè)過(guò)程需要大量的計(jì)算。因此，研究團(tuán)隊(duì)采用了快速傅里葉變換（FFT），這是一種以前未應(yīng)用于封裝問(wèn)題的數(shù)學(xué)技術(shù)。FFT允許通過(guò)一系列相對(duì)較小的計(jì)算來(lái)解決最小化體素重疊和最小化容器中體素間隙的任務(wù)，從而大幅提高了封裝速度。這樣就不需要在物體的所有可能位置上進(jìn)行測(cè)試，從而大幅提高了封裝速度。

實(shí)際上，在一次演示中，這項(xiàng)技術(shù)能夠在短短40秒內(nèi)有效地放置670個(gè)物體，堆積密度約為36%。此外，只需兩個(gè)小時(shí)即可排列6596個(gè)物體，堆積密度為37.3%。