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MIT新工具解决AI建模后的3D打印制造可行性

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AI生成的3D模型 这只杯子, 能装咖啡吗? 轻点画面,看看问题在哪 封死的杯口 倒不进一滴咖啡。 研究团队把120个热门模型交给AI重建,94个带着 两类以上这样的毛病。

让AI设计一个龙缠杯身、龙尾当把手的马克杯,它很快就能交出一个精致的3D模型。

可仔细一看,杯口被一块平板封死了。

照这个模型打印出来,连一滴咖啡也倒不进去。

这不是个例。

MIT计算机科学与人工智能实验室联合谷歌等机构专门研究了这个问题,论文将发表在11月的人机交互顶会UIST上。

他们开发的工具叫InstructMesh,思路很简单。


AI生成的模型先别急着打印,让普通人用鼠标涂一笔、说一句话,把它修到能打印为止。


龙纹杯从生成到打印的全过程。从左到右依次是输入提示词、AI生成、涂出封死的杯口并要求去掉、修好的模型、打印出的实物。

图源:InstructMesh论文

第一问

AI为什么会做出看着像、却用不了的东西

原因出在AI的学习方式上。

目前主流的3D生成模型,训练时主要看渲染出来的图片像不像,只要各个角度看起来对,就算合格。

至于杯口有没有开、杯壁够不够厚、两个零件有没有连上,从图片上很难看出来,模型自然也就不在意。

研究团队先做了一次摸底。

他们从3D打印模型分享网站Thingiverse挑出最热门的120个模型,各渲染一张图片,交给微软开源的3D生成模型TRELLIS重建,再请两位建模专家把重建结果和原模型逐一对照。

结果,120个模型中有94个同时存在两类以上的毛病,平均每个模型有2.4处。最常见的三类毛病是:

多出不该有的凸起和碎块,占65.8%;该开的孔没有开,占48.6%;该实心的地方做成了空心,或者反过来,占36.9%。


摸底找到的九类毛病,每列一类。上排是AI重建的模型,下排彩色部分是专家标出的出错位置。

图源:InstructMesh论文

要修这些毛病,专业人士会打开Blender这类建模软件,一个面一个面地改,外行根本无从下手。

重写提示词让AI再生成一遍,又常常是这里修好了,那里又变了样。

第二问

不改成品,改毛坯

InstructMesh最关键的一步是选对了下手的地方。

TRELLIS这类模型生成3D模型分两步走。

第一步先搭出一个粗糙的毛坯,它由64×64×64的小方块网格组成,就像用乐高拼出的大致轮廓。

第二步再由解码器在毛坯的基础上补出光滑的表面、纹理和细节。

InstructMesh只改第一步的毛坯。

添几个方块,或者挖掉几个方块,再把改好的毛坯交回解码器,由AI重新生成细节。

好比雕塑家不去打磨抛光好的铜像,而是回到泥坯上捏几下,再重新翻模。方块之间没有复杂的连接关系,增减都不容易出错;

鳞片和花纹交给AI重新补齐,修过的地方也不会显得突兀。


系统流程。提示词先变成方块毛坯,再解码成杯子。发现杯口封死后,系统在毛坯上挖掉对应的方块,重新解码,得到能装水的杯子。

图源:InstructMesh论文

研究者把常见的修补操作归纳为六个基本动作:

往外加料的有拉伸、加厚、填充,往里减料的有修剪、掏空、压平。

他们还为这些动作调好了十二套参数预设,用来应对不同的毛病。


六个基本动作的效果,左边三个加料,右边三个减料,粉色是用户选中的区域。

图源:InstructMesh论文

第三问

外行怎么下指令

界面上的操作很简单,先用画笔涂出有问题的部位,再用一句话说明要怎么改;

也可以不打字,直接拉滑块选择动作、调节幅度。

下面这张卡片,点一下走一步。

涂一笔 说一句 看预览 重生成 毛坯交回AI,细节重新长出来 杯口打开,能装咖啡了。一次局部修改加重新生成, 平均43.7秒。 走完了 涂一笔 说一句 看预览 重生成 改动先标红,给你过目 要挖掉的方块标红,要加的标绿。毛坯藏在后台, 预览让人看得见改了什么。 轻点下一步 涂一笔 说一句 看预览 重生成 往外加料 往里减料 拉伸 加厚 填充 修剪 掏空 压平 再说一句:去掉这个盖子 GPT-4只做选择题,从六个动作里挑一个、配好参 数。测试中它选对了92.1%。 轻点下一步 涂一笔 说一句 看预览 重生成 先用画笔涂出封死的杯口 不用懂建模,涂到大致位置就行。零碎的误涂,系 统会自动忽略。 轻点下一步

用文字下指令时,背后由GPT-4负责理解。

但它并不直接改动几何形状,只做一道选择题,从六个动作里挑出一个,再配好参数。

至于改哪里,由用户涂抹的区域决定。

还有一个难题,毛坯藏在后台,用户看不到改动效果。

所以系统在正式生成前先给出预览,要加的部分标绿,要挖的部分标红,满意了再点确认。


预览效果。上排输入开个洞,杯口被标红后挖开;下排输入把这两部分连起来,绿色区域长出一截新把手。

图源:InstructMesh论文


InstructMesh的网页界面,从左到右是一次完整的修改流程。

图源:InstructMesh论文

第四问

外行能不能修好模型吗

团队先自己用这套工具修复测试集里的毛病,再请独立评审逐个判定。

各类毛病的修复成功率在83%到96%之间,其中开孔类最容易修好。


团队自测的修复成功率,开孔类和壁厚类最高,部件粘连重复类最低。

图源:InstructMesh论文

真正的考验在外行身上。研究者招募了12名非技术专业的学生,他们都没有接触过3D建模或CAD软件。

每人要处理5个有毛病的模型,每个模型限时10分钟。


实验用的五个模型。上排是原始模型,中排是AI重建版,下排粉色是需要修复的位置。

图源:InstructMesh论文

结果,学生们找出了90.4%的毛病。经独立专家复核,156处毛病中有140处修好了,成功率89.7%。

更有意思的是,学生对自己有没有修好的判断,和专家的结论高度一致,只有7.1%的情况对不上。

外行实测 12个从没学过建模的学生, 每个模型限时10分钟 每格一处毛病,共156处;粉色是修好的140处 89.7% 毛病修好了 90.4% 毛病被找出 7.1% 自评与专家不符 修一处毛病通常只要两三分钟。网格上的细小裂缝最 难发现,被截断的部件最费时间。


学生找毛病的表现。网格上的裂缝、破洞这类拓扑错误最难发现。

图源:InstructMesh论文


修复用时。一处毛病通常两三分钟修完,补全被截断的部件最费时。

图源:InstructMesh论文


学生修复各类毛病的成功率。从图上估读在75%到100%之间,论文图注称都超过80%,略有出入。

图源:InstructMesh论文

第五问

打字还是拉滑块交互?

第二轮实验招募了12名新参与者,专门比较两种操作方式。

用文字描述更省力,适合大改;

拉滑块更精确,适合补缝、开孔这类细活。

最终6人更喜欢用文字,6人更喜欢滑块,而12人全都希望两种方式都保留。

一位参与者说,它让原本看不见的操作变得看得见了。


两种方式的打分对比,绿色越多越认可。右下角一组是对预览功能的评价。

图源:InstructMesh论文

第六问

3D打印出来的实物

团队用Stratasys J55全彩3D打印机打印了一批实物。

贝壳造型的哨子原本没有共鸣腔,加上气道后能吹出清脆的声音;

牛仔布纹理的护膝原本没有绑带孔,开孔后能绑在腿上;

蝴蝶眼镜原本镜片是实心的、镜腿是断开的,修好后能正常佩戴。

最有意思的是一个虾形外壳,里面装的是一种靠电机振动、用细腿爬行的刷毛机器人。

原模型前后的腿互相抵消了前进的力,肚子里也没有放电机的空间。

修短挡路的腿、挖出电机舱后,它就能朝一个方向爬了。

还有一个章鱼分酒器,原本头和腿都是实心的。

在头顶开口、打通每条腿里的通道后,从头顶倒酒,酒就能同时流进几个杯子。


左边上下是龙纹杯和贝壳哨,中间是护膝和蝴蝶眼镜,右上是虾形刷毛机器人,右下是章鱼分酒器。

图源:InstructMesh论文

第七问

还做不到的事

第一,精度有限。毛坯只有64×64×64格,一格约占物体尺寸的1.5%。

以10厘米高的杯子为例,一格约1.5毫米,比这更细小的缺陷修不了。

还做不到的事 毛坯只有64格见方 0 10厘米 一格约1.5毫米 比一格还细的缺陷 修不了,精度被毛坯卡住 肉眼看不出的毛病 内部壁厚、装配公差,要靠人先发现 会动的结构 铰链、卡扣,目前还不支持

第二,毛病得靠人先发现。

肉眼能看出的问题,外行能找到九成;

但内部壁厚不足、装配公差不对这类问题,往往要到切片时甚至打印失败后才会暴露。

第三,铰链、卡扣这类需要活动的结构,目前还修不了。

最后

回到那只龙纹杯

MIT的InstructMesh做的事,让用户看一眼、说一句话,一分钟内就能在毛坯上把AI生产的模型变得更加合理从而制造出来更有实用价值。

这个工具从AI生成到打印之间,多了一道可打印性修复的工序。

生成模型会越来越逼真,但杯口被封死这类物理世界的理解问题还大量存在。

解决这类问题的核心价值可以让AI设计和真实可制造的通道进一步打通。

我们也将持续关注这类工具。

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