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  "paper_id": "47e039544b30b8cd5e6b51c4ac6e0962",
  "paper_title": "InfraredTags: Embedding Invisible AR Markers and Barcodes Using Low-Cost, Infrared-Based 3D Printing and Imaging Tools",
  "paper_authors": [
    "Mustafa Doga Dogan",
    "Yunyi Zhu",
    "Ahmad Taka",
    "Akshat Kumar",
    "Michael Lu",
    "Stefanie Mueller",
    "Aakar Gupta"
  ],
  "publication_date": "2022-04-29至2022-05-05",
  "publication_venue": "CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI '22)",
  "abstract": "现有将不显眼标签嵌入三维物体的方法要么需要复杂制造流程，要么需要高成本成像设备。本文提出 InfraredTags，即可嵌入三维打印物体中、肉眼不可见的二维标记和条形码，并能通过低成本近红外相机快速检测。该方法使用红外可透射丝材打印物体，并在物体内部以空气间隙表示标签比特；这些空气间隙在红外图像中呈现出不同强度。作者构建了可将 QR 码、ArUco 标记等常见标签与物体几何集成的用户界面，还开发了可扩展现有移动设备的低成本红外成像模块及图像处理流水线。评估表明，标签可在低至 0.2 lux 的近红外照明下、最远 250 cm 处被检测到，并可用于物体追踪、元数据嵌入、增强现实和实体交互等应用。\n",
  "keywords": [
    "不显眼标签",
    "识别",
    "追踪",
    "标记",
    "3D打印",
    "个人制造",
    "红外成像",
    "计算机视觉",
    "增强现实"
  ],
  "paper_institutions": [
    "MIT CSAIL",
    "Facebook Reality Labs"
  ],
  "output_language": "zh",
  "provider": "doubao",
  "model": "doubao-seed-2.1-pro",
  "prompt_template": "simple",
  "extracted_at": "2026-10-20T04:19:20.506147Z",
  "template_tag": "simple",
  "summary": "### 摘要\n\n针对 AirCode 需投影-相机装置且解码需 3–4 分钟、InfraStructs 需昂贵太赫兹扫描仪且扫描需数分钟、LayerCode 需改造 SLA 打印机与定制材料等问题，本文提出 InfraredTags：在肉眼看来普通的三维打印物体内部嵌入 QR 码和 ArUco 标记，并用低成本近红外相机在单帧中快速读取。其核心机制是使用 3dk.berlin 的黑色红外可透射 PLA 制作主体，以内部空气间隙表示亮比特、以红外 PLA 或普通 PLA 表示暗比特，强度关系可概括为 **I(空气间隙) > I(红外PLA) > I(普通PLA)**；1 mm 红外 PLA 在近红外区透射率约 45%，而可见光透射率仅 0%–15%，普通黑色 PLA 在近红外区接近 0% 透射。作者基于 Rhinoceros 3D 与 Grasshopper 实现标签导入、定位、投影和 STL 生成，单材料打印输出一个带空气间隙的模型，双材料打印输出红外 PLA 外壳与普通 PLA 标签两个模型；读取端采用去掉红外截止滤光片的 Raspberry Pi NoIR 相机、可见光截止滤光片和两个 940 nm 红外 LED，模块重 132 g 并可附着在手机上，图像经 CLAHE、高斯模糊和高斯自适应阈值二值化后交给 ZBar 或 Dynamsoft 解码。研究未使用通用公开数据集，而是制作可控测试件来验证制造与成像约束：0–6 mm 不同外壳厚度的棋盘格用于确定可见性与红外可检测性边界，10–80 mm 的 4×4 ArUco 标记用于距离测试，15–80 cm 距离拍摄的 124 张 21×21 QR 图像与 200 组滤波参数组合用于评估距离相关预处理；这些设置能隔离厚度、材料、距离和照明影响，验证方法在普通 FDM 工艺和低成本传感器上的可行性。结果显示，可见光对比度降至人眼无法分辨的 5% 时，单材料、白 PLA、黑 PLA 和蓝 PLA 双材料所需最小外壳厚度分别为 1.08、1.32、1.08 和 1.20 mm，对应代码厚度分别为 2.00、0.50、0.50 和 0.50 mm；外壳厚至 3.5 mm 仍可达到约 90% 二值化准确率；最小可检测 ArUco 标记在单材料下为 9 mm、双材料下为 6 mm，最远检测距离达 250 cm；单材料和双材料标签所需最低近红外照度分别为 1.1 lux 和 0.2 lux；4×4 ArUco 与 21×21 QR 码平均解码耗时分别为 6 ms 和 14 ms，三组滤波参数可使 QR 检测准确率达 79.03%，高于模糊标签下现有读取器不足 57% 的表现。这些结果支持了低成本、毫秒级、兼容常见二维码并可在同一物体中嵌入多枚标签的主要创新。真实场景包括 AR 中识别并控制家电、嵌入 Thingiverse 链接或材料/日期等元数据、用无电子元件的被动物体作为游戏方向盘和控制器，以及通过不同面标签实现空间感知与 WiFi 配网；约束则包括需要足够近红外照明、用户需将相机大致对准不可见标签、曲面代码会发生透视畸变、FDM 喷嘴分辨率限制标签尺寸，以及不同批次红外丝材透射率可能波动。未来可结合 SLA 等高分辨率打印、高分辨率相机、红外逆反射材料、抗变形标签、曲面密布标签或小的触觉定位标记，以缩小标签、增加容量并改善曲面与黑暗环境下的可用性。\n\n### 关键要点\n\n- 单材料方案用红外可透射 PLA 打印主体，并以内部空气间隙表示标签比特；穿过空气间隙的红外光经过的材料更少，因此在红外图像中形成更亮像素。\n- 双材料方案用红外 PLA 做外壳、普通 PLA 做暗比特并保留空气间隙作为亮比特；普通 PLA 近红外透射率接近零，因此比单材料方案具有更高对比度。\n- 实验确定的推荐外壳厚度为单材料 1.08 mm、配白 PLA 1.32 mm、配黑 PLA 1.08 mm、配蓝 PLA 1.20 mm；代码厚度分别为 2.00 mm 和 0.50 mm。\n- 嵌入界面基于 Rhinoceros 3D 和 Grasshopper，支持导入 STL 模型与 SVG 标签，将标签投影到曲面、向内平移指定外壳厚度并挤出代码几何。\n- 移动读取模块包含 Raspberry Pi NoIR 相机、可见光截止滤光片、两个 940 nm 红外 LED、Raspberry Pi Zero 与电池，总重 132 g，可通过柔性 TPU 手机壳附着到不同设备。\n- 图像处理流水线依次执行灰度化、CLAHE 局部对比度增强、高斯模糊和高斯自适应阈值二值化，然后使用现有条码库解码。\n- 在 15–80 cm 距离拍摄的 124 张 QR 图像上测试 200 组滤波参数后，三组参数即可达到 79.03% 的检测准确率，而模糊标签下现有 QR 读取器准确率不足 57%。\n- 4×4 ArUco 标记的最小可打印尺寸在单材料下为 9 mm、双材料下为 6 mm；双材料因材料透射差异更大，可分辨更小比特并支持更远检测距离。\n- 标签检测最低需要约 1.1 lux 近红外照度（单材料）或 0.2 lux（双材料），阳光、含近红外成分的室内灯或模块自带红外 LED 均可提供照明。\n- 同一物体可嵌入多枚标签，从而支持多角度扫描、部分遮挡容忍，以及在路由器等设备不同面上呈现 SSID、密码等不同空间信息。\n- 应用展示包括在 AR 中识别音箱和恒温器并显示控制菜单、嵌入对象来源链接与制造元数据，以及追踪无电子元件的三维打印方向盘作为游戏控制器。\n- 主要限制是不可见标签不易被用户发现、曲面标签在斜视下会畸变、FDM 分辨率和相机分辨率限制标签大小，且不同批次红外 PLA 的透射特性可能需要重新标定。"
}