WonderList論文心愿單|數字製造（一）

相信細心的同學已經注意到@李旻辰之前的關於機器學習的文章總結WonderList論文心愿單 - SIGGRAPH 2017 | CG中的深度學習的大標題改成了WonderList論文心愿單。沒錯，這就是GraphiCon的一個新系列，顧名思義，論文心愿單就是把我們感興趣的尤其是新發表的文章分類匯總成一些清單，加上簡短的介紹和我們的一些思考和理解。最近SIGGRAPH 2017和CHI 2017的文章都已經公布，希望我們的論文心愿單能對大家了解各個方向的發展現狀和前沿進展有所幫助。當然，受限於筆者的知識面和理解，未免會出現一些疏漏，不準確甚至錯誤，請大家不吝指正。

另外，我們在微信公眾號GraphiCon圖形控上還開設了一個新的小欄目，叫做SnapPaper論文速讀，結合文字，配圖和視頻簡要分析一篇文章的問題，方法和實現，每日一更，來一次paper on the go。感興趣的同學們可以關注我們的公眾號，二維碼在文末哦。

好啦，硬廣結束，讓我們進入正題。本期論文心愿單的主題是數字製造（Digital Fabrication），所謂數字製造，就是使用計算機和數學方法輔助製造。在圖形學研究中，數字製造狹義地說就是指3D列印相關方向，廣義上小到摺紙，大到建築都是數字製造的研究範疇。

SIGGRAPH 2017有4個fabrication相關的session：FABRICATING CURVES, SURFACES & VOLUMES，DYNAMIC FABRICATION，WORK IT, MAKE IT BETTER, STRONGER，FABRICATING LOOK & FEEL共計20篇文章，較往年有所增加，研究方向上除了傳統的appearance fabrication（視覺外觀製造），microstructure（微結構），structural optimization（結構優化），lightweight fabrication（輕量製造）等，也出現了諸如4D printing（4D列印），dynamic fabrication（動態結構製造）等新興的方向。

再看CHI 2017，至少有14篇fabrication相關文章（數據來自Personal Fabrication Research HCI and Graphics，今年CHI有600篇文章，筆者還沒有完全瀏覽完），同樣覆蓋了4D printing，micro structure，low fidelity fabrication（低保真製造）等熱門課題。值得注意的是，近幾年CHI上關於fabrication的paper也很多（CHI16至少15篇，CHI17至少14篇），而且在研究方向的廣度和創意上大有追上甚至趕超graphics中的fabrication的趨勢，當然客觀原因是CHI paper的完成度往往不及graphics paper，在這個清單結尾我們會更深入地討論下這個課題。

由於paper數量很多，數字製造論文心愿單會分成多期連載，每期大致10篇左右文章。這裡是第一期，我們來聊聊SIGGRAPH 2017的兩個session：FABRICATING CURVES, SURFACES & VOLUMES和DYNAMIC FABRICATION。

FABRICATING CURVES中的5篇文章有3篇和4D printing概念相關，還有一篇wire art和一片slicing的ToG文章。

Computational Design and Automated Fabrication of Kirchhoff-Plateau Surfaces這篇文章來自Disney Reseach Zurich，瀏覽一下Disney Research往年的文章，可謂「Disney出品，必屬精品」。這篇文章結合了shrinkable fabrics（可伸縮紡織物）和elastic rods（彈性棒狀結構）打造了一種新穎的4D列印流程。通過將棒狀結構列印在預拉伸的平面紡織物上形成不平衡狀態，釋放紡織物的拉力之後，通過紡織物本身的伸縮拉力和棒狀結構的彈性力平衡，可以形成複雜的曲面形狀。這篇文章實現了這類混合結構的模擬和互動式設計。真的非常酷。

CurveUps: Shaping Objects From Flat Plates With Tension-Actuated Curvature這篇文章來自IST Austria的Bernd Bickel『s Group。從Teaser上就能感受到這篇文章和上一篇有異曲同工之妙，對應於上一篇的shrinkable fabrics和elastic rods，這篇文章使用了shrinkable rubber sheet（可伸縮膠皮）和rigid tiles（剛性塊 ）形成三明治結構，通過平衡膠皮的伸縮拉力和剛性塊的接觸力形成複雜的曲面形狀。上一篇文章注重互動式設計，而這篇更像傳統的反向設計，即給出目標形狀，通過少量交互和大量的優化計算生成剛性塊的排列，釋放膠皮拉力之後就可以生成想要的形狀。

String-Actuated Curved Folded Surfaces是TU Vienna的Martin Kilian和UCL的Niloy Mitra組合作的文章。主要是解決Martin發表在SIGGRAPH 2008的Curved Folding中製造耗時的問題。Curved Folded Surface是一種製造可展曲面的方法，即通過沿著曲線摺痕摺疊平面面片（比如紙）形成複雜的曲面形狀的方法，然而這種方法的問題之一就是即使有了摺痕，人工摺疊這目標形狀仍是十分費時的。今年這篇文章通過計算構造一個牽引線網路，讓我們只要拉一根驅動線就可以自動生成Curved Folded Surface。

Image-Based Reconstruction of Wire Art是HKU的Wenping Wang組和UCL的Niloy Mitra組合作的文章。乍一看挺像10年那篇Analysis, Reconstruction and Manipulation using Arterial Snakes，不過10年那篇從電雲出發，這篇從圖像出發，看似小小一點差別，整個問題的方向就不一樣了。這篇文章通過對多視角圖像根據極線幾何生成多組可能的3D曲線段，再解一個全局選擇問題生成全局的3D曲線段。結果看起來非常漂亮，看來多視角重建結合一些新應用也還是挺有意思的。

Optimal Discrete Slicing看這篇文章的作者陣容也只能嘆一句「行家一出手，就知有沒有」，一作Marc Alexa可謂是數字製造領域一等一的大佬之一，第三作者Sylvain Lefebvre也是近年來非常高產的老師之一。這篇文章解了一個比較傳統的問題，就是3D列印中的切片問題，切片的起點，厚度等等都可能影響最終的列印質量。這篇文章提出的演算法能夠解出給定切片層數時的最優切片方案，並且是可證明的最優解。更多的細節可以看原文或者期待一下我們的SnapPaper里的解說。

第二個session DYNAMIC FABRICATION涉及的都是可懂的或者可變形結構的設計。

Interactive Design of Animated Plushies這篇文章來自CMU的Stelian Coros組，他們使用類似muscular hydrostat（肌肉性靜水骨骼，像章魚的觸手和大象的鼻子）的結構，使毛絨玩具能夠像設計師所想一樣運動。由於原文還沒放出，並不知曉太多細節，等原文放出後會補充更多內容。

Functionality Aware Retargeting of Mechanisms to 3D Shapes又是一篇來自IST Austria的Bernd Bickel組的文章。這篇文章嘗試解決功能性結構遷移設計的問題，具體來說就是當我們有一個具有某種功能的機械結構，想把它遷移到其它形狀上的時候，每一個功能部件的參數都需要調整以適應新的形狀並保持原有的功能。本文通過將功能性結構表達為一系列可微的約束方程，在高維空間中尋找滿足用戶指定的形狀和位置要求並符合功能性約束的組態，輔助用戶進行互動式的功能性結構遷移設計。

A Computational Design Tool for Compliant Mechanisms又是一篇來自Disney Research Zurich的文章。這篇文章嘗試使用柔性結構替代機械結構中的轉軸和關節，使整體結構更易於製造，同時也能夠實現設計的動作。這篇文章原文也沒有放出，更多細節稍後補上。

Computational Design of Telescoping Structures這又是一片來自於CMU的Stelian Coros組的文章。他們利用管狀元素實現可伸縮結構，根據用戶給定的輸入曲線或者完整的3D形狀，生成盡量逼近用戶輸入的可伸縮結構。文中他們對此類可伸縮結構的幾何性質有很詳盡的描述，值得一讀。

Dynamics-Aware Coarsening for Fabrication Design這是一篇來自MIT的Wojiech Matusik組的文章。這是一個大家都夢寐以求的課題，就是如何準確快速地模擬動態彈性物體。他們通過使用 Dynamics-Aware Coarsening (DAC) 和Boundary Balanced Impact (BBI) model實現了大幅形變和有摩擦接觸條件下的動態彈性物體模擬，比當前最快的方法還要快79倍。計算效率的提升也使得計算輔助設計柔性動態機構成為可能，像是文中的彈力蛙，模擬的軌跡和實際製造出的模型軌跡簡直一模一樣，十分漂亮。這篇文章一定要好好讀讀。

以上就是我們第一期數字製造論文心愿單的10篇文章。值得一提的是，從這10篇文章的作者可以看出，數字製造相對來說是一個非常小的圈子，以上提到的眾多作者中，除了Niloy Mitra之外都在Disney Research，尤其是Disney Research Zurich工作過。如果有想做這方面相關研究的同學，找Disney Research Zurich出來的老師一定沒錯的！

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