2014年07月01日14:27
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2014年5月，日本一名大学职工因利用3D打印机制造手枪而被逮捕的事件仍是记忆犹新。个人能制作危险物品是3D打印机的负面因素等观点引起了广泛关注。据报道，这名大学职工是从国外网站上下载3D数据并制作出了手枪的。
虽然也有人指出，“就算没有3D打印机，以前也有人用其他方法制造枪支，因此只指责3D打印机不太公平”。但是，用树脂制作的枪支用金属探测器是检测不出来的，这就让问题变得更加棘手。有意见称，与复印机、一体机等植入了无法制造假钞的功能一样，厂家也必须在责任范围内为3D打印机附加能控制危险数据输出的功能。
恰在这时，大日本印刷发布了用来检查3D数据的“安全程序”，目的是防止用户制作这种危险物品以及有可能侵犯版权的仿制品。比如，当程序判断出形状数据与手枪数据相似时，就会停止打印（图1）。
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| 图1：大日本印刷的安全程序的概要 |
相似的3D数据指的是……
这种程序必须要有可自动判断3D数据描述的形状是否存在问题的技术。就是说，要判断“是否与手枪部件相似”、“是否与某公司拥有版权的老鼠卡通形象相似”等，因此必须对比3D数据，以查明形状“是否相似”。
3D打印机使用的数据是由微多边形（小三角形或四边形）的聚合体定义成立体的。完全相同当然没有问题，但要判断稍有改动的3D数据是否与原始数据相同却并非易事。就算表现出的形状相同，但若多边形的细节或分割方法不同，文件中的bit（0、1）的排列就会完全改变，数据容量也不相同。要查明“形状有两个突起还是三个突起”等，就需要从形状中提取突起部分之类的处理，这同样不容易实现。
大日本印刷想出了简化多边形作对比的方法。简化理由有三点，第一是容易统一多边形的粒度以便容易对比；第二是可消除形状的微小差异；第三是可减轻比对的计算负荷。首先是删去对整个3D形状影响较小的三角形，同时删去或者修正相邻的三角形。然后对3D数据的尺寸和角度（朝向）做符合标准的“规格化”处理。最后再进行多边形之间的比对。
规格化处理时，要计算出各个多边形的中心位置的平均值并以此为原点，将其与最远的多边形的距离作为标准长度，并将其方向作为Z轴。在比对处理中，要对比表面积、体积及坐标等，来观察相似性。总之，可谓是一种可直接处理多边形的方法。
从库中选出CAD数据相似的部件
判断相似形状的技术已用于制造业的设计开发制造用BOM（Bill of Materials）工具及部件库工具。尽量利用已有的设计，而非总是做新的设计是最近制造业低成本化的一大趋势。为此，就要搜索是否有接近目的形状的现有部件。由于比较对象往往不是多边形的集合体，而是表面由曲面及平面构成的3D-CAD数据，因此算法与使用3D打印机时不同。
例如，日本图研公司为BOM（Bill of Materials）管理系统“PreSight/visualBOM”设置了以名为“Osada法”的算法来检索类似形状部件的功能。这种算法能以一定的密度在形状表面的曲面（或者平面）上生成很多点，并计算出取出其中任意两点间的距离。并以横轴为距离、纵轴为组合数（频率）制成矩形图（频率分布），作为形状的特征量。比较两个形状的矩形图（对二者之差的绝对值作积分运算），越相近（积分值越小）则相似度越高。
加拿大3D Semantix公司开发出了用来检索相似形状部件的系统“3DPartFinder”，并将其植入PDM工具中。该系统可以查找出3D形状与检索部件相似的部件，并显示出检索结果（图2）。
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图2：加拿大3D Semantix公司的“3DPartFinder” 可一览显示与检索关键字相似的形状。 |
该系统采用的算法是，以数学方式表示3D数据的特征，并将其作为大小约15KB的“signature”数据提取出来，然后在signature之间进行对比。signature数据与压缩表示数据不同，无法据此复原形状，只能用来判断形状的相似度。
虽然相似形状检索功能已开始普及，但其实用化历史还很短。图研公司在发布系统时说，“本来以为市场上已经有几种3D相似形状检索功能，但发现几乎没有，所以只能自己开发”。今后该公司还要积累业绩，将误判（将相同的形状误认为不同，或者将不同的形状误认为相同）概率降到最小程度。（作者：木崎 健太郎，日经技术在线！供稿）
