三維動畫技術在直升機交互式電子技術手冊中的應用

樊亦婷

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

用戶技術資料作為綜合保障的重要組成部分，是支持使用操作和維護修理的重要工具和資源，直接關系到裝備綜合保障的成效和水平。在國外先進武器裝備中，已廣泛應用基于標準(S1000D/GJB 6600)的交互式電子手冊(IETM)的交付形式，基于三維動畫的IETM已是型號的基本要求。IETM是將技術手冊的內容以數(shù)字化的格式存儲，并以交互方式進行查閱，通過計算機控制的電子顯示系統(tǒng)，將維修技術人員或系統(tǒng)操作人員所需的特定信息(如文字、聲音、影像、圖片等)，精確地展現(xiàn)在使用者面前，以促進裝備使用和保障活動的實施。

在軍工領域，IETM必不可少。在現(xiàn)代直升機的操作和維修保障中，一般要求配備維修大綱、維護手冊、布線圖冊、圖解零件目錄、機載設備維修手冊、標準工藝手冊等多種類型的技術資料，通過3D交互式電子技術實現(xiàn)對多種類型手冊的三維交互式應用，滿足直升機配套交付內容豐富、形式多樣的IETM需求。IETM作為保障技術資料數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對裝備的保障工作提供技術支持，通過豐富的三維動畫對復雜裝備進行設備介紹和拆裝展示，能夠大大提高裝備系統(tǒng)操作、維修保障、培訓的工作效率。

隨著信息化和數(shù)字化技術的不斷進步，國外先進直升機用戶技術資料以此為依托，也在不斷進步，先后經(jīng)歷了非線性、線性、數(shù)據(jù)庫以及3D交互式電子技術手冊的發(fā)展。目前用戶技術出版物技術已非常成熟：一是實現(xiàn)了基于構型的單一數(shù)據(jù)源(即數(shù)據(jù)一次制作，重復使用)用戶技術資料管理技術，用戶技術資料與設計平臺關聯(lián)，包括源數(shù)據(jù)標注、影響分析、變更跟蹤等功能；二是實現(xiàn)了用戶技術資料的全構型編制和客戶化交付的功能，編制時，用戶技術資料采取的是全構型編制，交付時，用戶技術資料與交付用戶的直升機狀態(tài)完全一致；三是實現(xiàn)了用戶技術資料無紙化交付，并已實現(xiàn)3D用戶技術資料的交付；四是實現(xiàn)了用戶技術資料更改的全壽命數(shù)字化管理,為自主式信息化保障提供了重要支持。

當前，相較于國外先進直升機用戶技術資料，我國直升機用戶技術資料的開發(fā)、編制、管理、更改等還停留在用戶技術資料技術的初始階段。具體表現(xiàn)為：直升機用戶技術資料編制主要以word為工具進行編制；用戶技術資料交付以紙質為主，二維交互式電子技術手冊為輔。在直升機綜合保障工作中，信息化、無紙化成為當前提高手冊質量、使用和管理效率并降低使用成本的重要途徑。型號研制明確要求按國軍標規(guī)劃、開發(fā)和交付基于數(shù)據(jù)庫的交互式電子手冊(IETM)，并實現(xiàn)IETM的全壽命管理。

隨著三維技術的快速發(fā)展，基于IETM的三維動畫直升機技術資料應用已成為趨勢。針對這種情況，本文探索了三維動畫技術在直升機交互式電子手冊中的設計實現(xiàn)和應用，以便于后續(xù)在直升機綜合保障工作中提供技術支持[1]。

1 需求分析

隨著數(shù)字信息技術的發(fā)展，用戶需求也隨之變化，把握用戶需求，才能有效提升三維IETM系統(tǒng)的利用效率和服務效益。了解用戶在實際應用中對三維IETM的詳細需求，捕獲用戶需求后對需求進行分析，確保需求的合理性和可實施性。

功能需求分析：不同型號對三維動畫的需求不同，了解用戶對三維動畫的功能需求，分析軟件平臺可實現(xiàn)以及可擴展的功能，確定需要定制開發(fā)的功能條目。

動畫需求分析：分析現(xiàn)有手冊內容，對動畫內容進行分類，確定擬采用的三維動畫動作腳本。全機模型展示，可進行旋轉、放大和縮小展示；系統(tǒng)三維展示，這部分內容旨在將設備按系統(tǒng)進行組成及安裝位置展示，并可通過產品結構逐級高亮展示到部件；拆裝展示，對設備安裝、拆卸、檢測等維護過程進行三維動畫展示；工作原理展示，通過信號流向示意，展示系統(tǒng)工作原理。

界面與顯示樣式需求：主要確定三維動畫的菜單欄、導航欄、標題欄、數(shù)據(jù)模塊內容顯示的位置及所占比例，以及三維動畫的鏈接、大小、警告/注意/注等的顯示需求，在使用操作中力求便捷；將手冊內容分類呈現(xiàn)，各類手冊互相關聯(lián)，熱點鏈接，查找方便，為使用維護人員的日常操作使用、預防性維護、故障隔離定位、備件信息查詢等提供直觀豐富、指導性強的內容瀏覽方式。

根據(jù)用戶需求準備好三維動畫所需要的場景、數(shù)據(jù)模型、工具、拆裝以及工作原理腳本，根據(jù)數(shù)據(jù)模型、產品結構組成原理圖、拆裝圖等了解產品的設計思路，檢查素材完整性和腳本的合理性；同時還需要考慮到軟件、技術手冊版本復雜等問題，進行模塊分解，實現(xiàn)模塊化管理，與需求、構型相關聯(lián)，確保正確統(tǒng)一。對有疑問的地方，與設計師溝通，確保三維動畫設計的思路正確[2]。

2 三維動畫技術

作為交互式電子技術手冊的輸入，三維動畫是否能清晰地表達所述的內容將影響到最終的手冊質量?；诂F(xiàn)有直升機設計模型制作三維動畫，研究三維動畫在交互式電子技術手冊中的具體顯示，包括動畫的縮略圖、瀏覽位置、瀏覽插件、三維動畫瀏覽、動畫步驟與內容、熱點與內容交互等。明確如何實現(xiàn)設備的主要系統(tǒng)布置位置表達清晰；如何在圖上添加重要設備的文字描述；如何針對重要零部件進行熱點描述，最終實現(xiàn)三維動畫、熱點、動畫步驟與手冊內容之間的交互，提高電子技術手冊內容的直觀性、生動性。

2.1 三維動畫的基本要求

三維動畫的應用是為了提高手冊內容的形象性、生動性，便于用戶準確地掌握型號裝備的基礎理論、維修保障、故障處置等技術要求。因此，對三維動畫提出以下幾點要求：

1) 制作的動畫應能夠清晰地表述所要描述的內容設計思路、結構組成原理、零部件拆卸安裝，并且提供動畫需要的零部件名稱和先后順序，參見表1。

2) 可利用專用工具的三維模型，如扳手、錘子、螺絲刀、起子、吊車、千斤頂和滑輪等輔助工具協(xié)助動畫制作。

表1 動畫設計思路表

3) 動畫制作過程中對于拆卸的零部件可先通過高亮顯示進行提示，再進行拆卸動作。

4) 輕量化處理需要有針對性地進行，不能將需要做成動畫的零件模型進行輕量化處理。

5) 模型的名稱、主要功能和參數(shù)需在動畫中標識出來，動畫的具體動作應標識清楚，能讓動畫制作人員在拿到模型和動畫腳本的情況下很明確地知道哪個零件是做什么的，會做什么動畫(如發(fā)動機，給出發(fā)動機的型號，零件名稱，零件作用；拆裝動畫發(fā)動機上有20個螺絲，做旋轉拆卸動畫)。

6) 視角距離適中，重要部件可放大顯示和字幕效果，視角轉換不要太多；保證動畫連貫流暢。

7) 拆除或安裝工作盡量以工作人員的實際視角進行演示。

8) 在活動的組件上，可見的圖標或導航標志不必拆下，而應保留在標識所在的組件框架內。

9) 動畫播放過程中畫面和聲音同步播放，順暢無明顯卡滯。

2.2 三維動畫設計實現(xiàn)

首先，將提供的直升機用戶技術資料加工成符合要求的矢量圖、音頻、視頻和三維動畫。

直升機技術插圖制作主要包括普通圖片(JPG，PNG，BMP等)和熱點圖(CGM)制作，CGM圖形需要定義熱點。通常需要制作成熱點圖的圖片類型包括：設備組成圖、電路圖、工作原理圖等。多媒體制作主要為視頻、三維模型和三維動畫的制作。

采用Cortona 3D Rapid Author作為三維IETM技術資料制作工具，直接將3D數(shù)據(jù)模型生成三維裝備介紹、零件拆裝、維修保障的虛擬仿真動畫。三維動畫制作流程參見圖1。

圖1 三維動畫制作流程

三維動畫技術資料制作步驟：

1) 三維模型導入

導入已有的三維數(shù)模，自動轉換成輕量化模型，并根據(jù)導入數(shù)模結構展示BOM信息，以及圖解零件目錄。

2) 三維模型處理

直升機總體模型處理時，整機數(shù)模太大會導致軟件難以運行。將直升機外殼及駕駛艙、旋翼、尾槳、起落架等模型進行整機處理，并對不需要顯示的分系統(tǒng)進行刪減，從而減小數(shù)模，加快軟件運行速度。導入三維模型數(shù)據(jù)后，自動生成與源數(shù)據(jù)一致的結構樹，根據(jù)實際情況自由編輯結構樹，包括復制、刪除、調整父子項結構等。支持單個或整體地設置可視化模型質量，包括顯示精度、材料顏色、透明度等。支持對三維模型的切割、放大、縮小、復制和移動等。

3) 三維動畫制作

三維動畫動作腳本設計：根據(jù)動畫要求設計動作腳本內容，在三維動畫制作中，直接調用函數(shù)就能得到所需的動作指令，實現(xiàn)對動作的設計和調整，大大節(jié)約了時間，并保證了動畫效果。

通過調整動作指令中的參數(shù)，實現(xiàn)動畫效果。動作指令中任何有下劃線標識的參數(shù)都可以被編輯。常用的動作指令參見表2。

表2 動作指令

針對拆裝類的動畫制作，支持一鍵反轉功能，即當拆除動作全部制作完成后，可以選擇所有動作一鍵反轉完成安裝動作，大大縮短制作時間。

動畫立體感設計：在直升機外殼模型的基礎上，增加輕量化處理后的座艙、起落架、尾槳等模型，使直升機外形更加豐富和形象化；在內部涉及管路走向原理的動畫中增加框梁，按照真實情況沿著框梁布置走向，增加動畫的立體感。

動畫展示視角設計：以人站立于機庫外側觀察直升機的視角，將動畫拉近縮遠展示，根據(jù)現(xiàn)場維護人員反饋的視角信息調整，確保與真實操作視角一致。增加導向標志，便于動畫展示的同時標注直升機整體的方位信息。

在三維動畫制作過程中，通過動作腳本內容進行動畫制作，參照三維動畫的基本要求，立體感以及視角設計等，達到最佳效果[3]。

4) 三維動畫輸出

三維動畫制作完成后，點擊“發(fā)布”按鈕，將當前項目發(fā)布到本地文件夾，形成三維素材文件(wrl格式)。

3 三維動畫在IETM中的應用

三維IETM的制作過程主要分為四個部分：素材分析、三維動畫的制作、IETM系統(tǒng)素材調用、三維IETM發(fā)布。

三維IETM制作流程如圖2。

圖2 三維動畫在IETM中的應用

1) 系統(tǒng)素材分析

分析各個系統(tǒng)手冊的三維素材需求情況，結合直升機三維素材的應用場景，羅列出各系統(tǒng)三維素材的需求清單。

結合各手冊的內容完整性以及S1000D標準中對內容要素的要求，針對三維素材主要有以下幾點要求：①支持全局展示和分層展示；②支持模擬拆裝、檢測、維修等過程；③支持添加工具等輔助信息；④支持模擬系統(tǒng)工作原理等效果；⑤支持與IETM系統(tǒng)的無縫對接。

基于三維素材的要求，對制作三維動畫的工程數(shù)據(jù)來源，即三維模型有如下要求：①保證各個系統(tǒng)模型結構的完整性，尤其針對需要制作三維素材的系統(tǒng)；②針對超大系統(tǒng)或者全機需要有對應的輕量化結構模型；③針對三維圖解的模型需要有屬性信息來減少后期工作。

2) 三維動畫的制作

根據(jù)操作說明文檔創(chuàng)建對應動畫過程，根據(jù)實際需要進行三維動畫模型的處理，例如刪除不需展示的部分零件，修改零件顯示顏色效果等。在三維窗口中播放創(chuàng)建的動作，測試其是否與實際所需效果相符。如果播放不準確，可對該動畫再進行編輯。

企業(yè)各物流部門信息系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的標準，導致系統(tǒng)之間溝通難度大，不能使信息共享的目的順利實現(xiàn)，對技術服務平臺和公共物流信息平臺的建立造成了極大的影響。

3) 素材調用

通過CSDB數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實體對象上傳功能，將制作完成的三維素材(wrl格式)上傳，作為系統(tǒng)中的實體對象，授權給對應編寫人員。在后續(xù)程序類的數(shù)據(jù)模塊編寫過程中，插入該三維素材，獲取動畫中每一個步驟的熱點ID。通過熱點引用的方式，將拆裝步驟文本內容與三維動畫的步驟熱點相關聯(lián)，利用拆裝步驟控制三維動畫的播放，實現(xiàn)熱點互聯(lián)和單步觸發(fā)的效果。

4) 三維IETM發(fā)布

制作完成后的數(shù)據(jù)模塊可以按照要求發(fā)布成對應的手冊，導入IETM系統(tǒng)瀏覽器中查看。系統(tǒng)提供多種效果的展示，例如直升機整機三維展示，進行全機旋轉、漫游、放大、縮小等。

4 運行效果及關鍵技術分析

基于IETM平臺和三維動畫技術，實現(xiàn)直升機各系統(tǒng)、部件的功能原理、裝配操作等更加直觀的展示，使得電子技術手冊更靈活、更直觀。比如在描述裝備的拆裝流程時，可以通過三維動畫替代文字以及圖片。首先，根據(jù)動畫要求(拆裝順序、零件高亮顯示、旋轉、視角變換等)設計動作腳本內容，通過腳本內容完成動畫制作，將制作完成后的動畫導入IETM系統(tǒng)中，包括結構、零件號等信息；然后，根據(jù)具體任務需要和要求，設置內容與動畫的對應關系；最后將結果進行發(fā)布，使用戶可以完成模型瀏覽和手冊查看[4]，參見圖3。

圖3 運行效果圖

本文所述技術研究具有以下創(chuàng)新點：

2) 國際標準支持：支持S1000D等技術出版物國際標準，內置符合標準的業(yè)務規(guī)則校驗；

3) 結構化編輯模式：突破傳統(tǒng)XML編輯器的標記編輯模式，創(chuàng)新采用“所見即所得”，極大提高了內容編寫效率；

4) 深度的圖形技術應用：內嵌支持CGM矢量圖及各種三維數(shù)模格式，提供圖形瀏覽、三維播放、熱點集成等深度應用。

5 總結

在需求分析階段必須清楚用戶對三維動畫的各項需求，同時結合現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型和技術能力有效控制用戶的需求期望，分析用戶合理需求，完成三維動畫設計，實現(xiàn)基于區(qū)域、系統(tǒng)等模型逐層展示、三維拆裝、圖解零部件目錄、成果展示等效果，方便用戶更加生動形象地去觀察設備，了解設備的構造和原理，實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境之間的交互。

同時，本文所研究的三維動畫和IETM中數(shù)據(jù)模塊的設計和實現(xiàn)過程，可為后續(xù)新型號直升機進行三維IETM設計提供技術借鑒。當然，隨著用戶需求的不斷提高，三維動畫技術和IETM平臺也處在進一步完善的過程中。