基于AR及3D打印技術(shù)制作FAST科普作品

廖雨晴 江林焱 葉行高 石慶河 張立云

【摘要】主要介紹了借助AR、3D打印技術(shù)制作FAST科普作品的過程，系列科普作品包括望遠(yuǎn)鏡的3D模型制作、宣傳視頻制作、AR制作及3D模型的打印多個環(huán)節(jié)構(gòu)成。希望通過此類形象直觀的方式向普通民眾展示FAST的基本構(gòu)造和原理，為FAST的推廣和提高大眾科學(xué)文化素養(yǎng)起到一定的推動作用。開展天文科學(xué)知識普及，提高公眾科學(xué)文化素質(zhì)，這對社會公眾特別是青少年是非常必要的，對于啟發(fā)和培養(yǎng)青少年的科學(xué)探索精神，提高我國的國民科學(xué)素養(yǎng)有重要的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】AR;3D打印;天文科普;FAST

2016年9月25日，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）在貴州平塘建成啟用，它是目前世界上最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。FAST的建成不僅為中國科學(xué)家探索未知宇宙和生命起源開啟了一道“天眼”，也將中國天文學(xué)研究推向一個更廣深的世界，對中國的天文物理研究和加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義。

為了讓更多的人了解天眼、認(rèn)識天眼，我們依托物聯(lián)網(wǎng)+、新媒體技術(shù)、增材制造等多學(xué)科，通過建立天眼3D模型、AR制作FAST以及3D打印天眼模型等一系列手段全方位宣傳FAST，生動形象地把FAST介紹給普通民眾。

一、FAST模型的建立

本項目的系列工作都需建立在初始模型的基礎(chǔ)上，我們主要借助專業(yè)建模軟件3D MAX完成模型的總體設(shè)計。首先是地形的創(chuàng)建，我們?nèi)サ狡教量h參觀實景，收集天眼相關(guān)圖片視頻及相關(guān)文獻(xiàn)，分析FAST地形，基于整個望遠(yuǎn)鏡位于貴州復(fù)雜的喀斯特地貌上：需要進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計，所以地形的制作亦需要將其因素包含其中。

制作完基本的地形后，又結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)整理出FAST主要結(jié)構(gòu)。FAST分以下主要幾個系統(tǒng)：（1）主動反射面系統(tǒng);（2）饋源支撐系統(tǒng);（3）測量與控制系統(tǒng);（4）接收機與終端及觀測基地。首先我們依據(jù)可獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)將以上主要部分的位置和比例大小進(jìn)行確定。以反射面為例，反射面結(jié)構(gòu)是FAST最主要部分之一：其本質(zhì)上是一個輕型的跨度超大、形式復(fù)雜、形狀實時可調(diào)的高精度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為了更好地體現(xiàn)鍋面三角板細(xì)節(jié)，我們針對box球體，提取球體的一半將面進(jìn)行細(xì)分單獨擠出，讓模型達(dá)到由許多個面組成的效果?！胺瓷涿妗钡南路绞怯?225套液壓促動器支撐的，在制作反射面模型下方的促動器時，為了使促動器均勻的分布在“反射面”的底部，而且要隨著“反射面”的幅度而改變會比較困難。經(jīng)過多次嘗試，終于在3D Studio Max中找到創(chuàng)建復(fù)合對象的“散布”命令，操作后達(dá)到了所要的效果。其他部分大多數(shù)都是鋼架結(jié)構(gòu)形式單一，可用多邊形中的晶格命令來制作。對于其他天眼的組成部分，由于是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無相關(guān)詳細(xì)的參考資料，所以，我們對其抽象處理，制作簡潔化。后期將制作完成的模型與前期的所搭建的模型進(jìn)行替換，把模型全部整合，最后進(jìn)行整體調(diào)整。

同時，由于3D打印模型需要的建模比較簡化，因此，我們準(zhǔn)備了兩份模型，一份用來打印模型，另外一份進(jìn)行視頻制作及后期渲染。

二、宣傳視頻的制作

當(dāng)模型確定后，接下來是渲染。渲染前期分析了每個部位的材質(zhì)和貼圖以及場景所需要的物件。以FAST環(huán)境為例，大射電望遠(yuǎn)鏡有一個近乎苛刻的要求，那就是在周邊一定區(qū)域內(nèi)，必須有足夠干凈的無線電磁環(huán)境，所以在制作時，不需要把建筑群體融入到場景中來，只需要完善植物即可。從網(wǎng)上找到素材后，針對地貌開始制作，運用3D Max中Multi Scatter插件操作。其他結(jié)構(gòu)的材質(zhì)貼圖均使用V-Ray 3.20渲染器進(jìn)行操作，對物體的反射值、凹凸值、模糊值、UVW貼圖等調(diào)整。所有物體材質(zhì)貼完后做鏡頭預(yù)覽動畫，根據(jù)分鏡腳本，從整體到局部的形式表現(xiàn)，先把預(yù)覽動畫用Adobe Premiere合成，修改后再確定最終的輸出畫面。

以最后確定的視頻為參考，再進(jìn)行渲染中期的制作，確定燈光氛圍，以暖色調(diào)為主，根據(jù)每個鏡頭的不同，適當(dāng)調(diào)整光源的方向。先渲染單幀圖像，場景搭配合理后，用光子圖替換方法渲染出一個序列。渲染后期，把所有完成好的序列導(dǎo)入Adobe After Effects，再次進(jìn)行調(diào)色、加光暈等，確定主體物，次要物體進(jìn)行遮罩模糊等步驟，最后導(dǎo)入Adobe

Premiere合成剪輯，加字幕配音輸出成片。

三、AR的制作

隨后，需要單獨渲染索系支撐塔、主動反射面、促動器、饋源艙、電動機等配件效果圖，運用開發(fā)AR系統(tǒng)的專屬APP：把FAST射電望遠(yuǎn)鏡3D原模型和三維展示動畫植入專屬APP里。同時我們可以通過開啟客戶端（智能手機、智能平板）的AR程序，便可使用專屬APP掃描3D MAX模型，立馬打開AR系統(tǒng)獲取線上的內(nèi)容，而我們看見的模型和平時看見的不一樣，我們看見的是“活的FAST射電望遠(yuǎn)鏡模型”的效果，更神奇的是3D模型在AR軟件中可以旋轉(zhuǎn)觀察，給人身臨其境的感覺，點擊模型上設(shè)置的部件按鈕會彈出相應(yīng)的三維動畫演示部件的功能用途，同時還配備文字說明，讓觀眾更直觀的了解FAST射電望遠(yuǎn)鏡的各個系統(tǒng)的詳細(xì)信息及其功能用途。

四、3D打印FAST模型

使用專業(yè)建模軟件3D MAX分別建立FAST各個部件的3D模型，導(dǎo)出格式為STL的3D文件，再由通用切片軟件cura把模型切片并建立支撐，再以桌面級3D打印機、專業(yè)級3D打印機聯(lián)合打印，在模型組合過程中，我們使用了熱熔膠槍，雙面膠等各種粘合方式粘合，最終呈現(xiàn)打印成品。

五、反饋與總結(jié)

大力發(fā)展科普教育成為提高全民科學(xué)文化素質(zhì)的重要措施，也是提高我國核心競爭力的重要手段。FAST的主要科學(xué)目標(biāo)是中性氫觀測、脈沖星的發(fā)現(xiàn)以及地外文明的搜尋，是中國乃至世界開展天文研究的利器。但FAST的建設(shè)過程中并非僅僅由天文學(xué)家獨立完成，其中牽涉到多學(xué)科、跨行業(yè)的各大高校、科研所、設(shè)計院，從工程師到普通民工及當(dāng)?shù)鼐用穸荚鵀镕AST做出貢獻(xiàn)。而本團(tuán)隊成員同樣來自數(shù)字媒體藝術(shù)、自動化、信息工程等不同專業(yè)的非天文專業(yè)學(xué)生。在系列作品的制作過程中，各專業(yè)學(xué)生利用自身專業(yè)所學(xué)知識，取長補短、合力合作完成以上作品。許多工作對于我們來說均是“超綱”的內(nèi)容，但在FAST精神的鼓舞下，堅決克服困難，完成作品，最終也受益良多。而本項目的開展，正迎合了當(dāng)前高校注重過程培養(yǎng)的思路，為高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才開拓了新的道路。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金（U1631236）：小質(zhì)量恒星轉(zhuǎn)動與磁活動的研究及其星震學(xué)限制。