基于AR 的教練機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)演示的成像原理與設(shè)備搭建★

楊天一，施 浩，劉德凡，陳巍巍

（上海工程技術(shù)大學(xué)航空運(yùn)輸學(xué)院/飛行學(xué)院，上海 201620）

1 研究背景

3D 投影技術(shù)也稱虛擬成像技術(shù)，是當(dāng)下用于科普方面最為流行的人工成像技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)。有著無(wú)需佩戴任何輔助設(shè)備即可看到立體三維圖像的功能優(yōu)勢(shì)，給人們帶來(lái)震撼的視覺體驗(yàn)。

初教-6 是20 世紀(jì)50 年代末期中國(guó)自行研制的螺旋槳式初級(jí)教練機(jī)。該機(jī)長(zhǎng)期服役于我國(guó)空軍及地方航校，是中國(guó)空軍初級(jí)教練機(jī)主力機(jī)型。為后續(xù)教練機(jī)的生產(chǎn)和加工提供了原產(chǎn)力，并在中國(guó)民用航空史上留下了濃墨重彩的一筆。像這樣珍貴的初級(jí)教練機(jī)對(duì)于航空專業(yè)的學(xué)員來(lái)說(shuō)也一定是極富有感染力的藝術(shù)品，但是其長(zhǎng)時(shí)間與空氣接觸，最初的一批模型出現(xiàn)氧化褪色和折舊報(bào)廢等老化現(xiàn)象。如今，全息投影技術(shù)可以對(duì)藝術(shù)品進(jìn)行拍攝成像，制作成三維立體圖像，用于人們觀賞。這樣不僅可以避免藝術(shù)品的破壞，還不影響人們觀賞。本文借助AR 系統(tǒng)開發(fā)了一套整合演示初教-6 教練機(jī)的外形結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和視覺沖擊，將初教-6 教練機(jī)以最真實(shí)且美觀的效果進(jìn)行還原并帶到大眾面前。認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)這種科普教育，教學(xué)的形式往往流于表面，即簡(jiǎn)單地對(duì)已有的實(shí)物飛機(jī)參觀，那些沒有實(shí)物的飛機(jī)則只能通過(guò)圖片或者文字的形式來(lái)讓學(xué)生了解。這種科普形式就導(dǎo)致學(xué)員無(wú)法更加真實(shí)地體驗(yàn)和觀察到那些曾經(jīng)在航空史乃至世界航空史意義重大上的飛機(jī)實(shí)體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

因此，本文的目標(biāo)即為建立一款具有交互功能的虛擬仿真系統(tǒng)，使用戶可以全方位細(xì)致地觀察這臺(tái)教練機(jī)的結(jié)構(gòu)，以此達(dá)到優(yōu)化教學(xué)的目的。如何將計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建出的模型通過(guò)三維效果展示出來(lái)，這對(duì)開發(fā)者建模的精細(xì)度和精確度以及演示平臺(tái)的真實(shí)性有著很高的要求。當(dāng)下的AR 技術(shù)，即為將虛擬和現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái)的技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上錄入一些數(shù)據(jù)生成模擬環(huán)境，在特定的儀器以及鏡面材料的投放下，給大眾一種裸眼3D 的效果，達(dá)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目的。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)的成像設(shè)備已經(jīng)運(yùn)用在繪圖課堂教學(xué)[1]、革命故事影像設(shè)計(jì)[2]、沉浸式視覺研究[3]、數(shù)字媒體設(shè)計(jì)[4]以及視覺真實(shí)性的關(guān)鍵[5]。

2 項(xiàng)目制作

2.1 成像方案設(shè)計(jì)

成像作為一種對(duì)樣本的造影技術(shù)，需要各個(gè)層次的光學(xué)技術(shù)相互配合，利用光學(xué)的某些性質(zhì)，維持樣本的特性并成像。在成像方案的選擇中，本文選用了透鏡成像，即由實(shí)際光線相交形成實(shí)像，并由光線的反向延長(zhǎng)線相交形成虛像。但兩者成像為實(shí)像與所需的的裸眼3D 功能背道而馳，并且凹面鏡難以實(shí)現(xiàn)加工折疊的工作，因此后續(xù)改用了鏡面成像，即選用可以透光同時(shí)反射形成虛像的半透光式鏡面材料，通過(guò)計(jì)算相應(yīng)的角度，讓其形成一個(gè)四棱錐式的反光成像體，也就是光的干涉條紋現(xiàn)象。此時(shí)再將做好的飛行原理動(dòng)畫導(dǎo)入到屏幕中，計(jì)算影像的相對(duì)位置和距離，使其在四個(gè)方向分別將光攝入鏡面覆膜材料中，使得四棱錐成像體的每一個(gè)面分別生成一個(gè)維度的虛像，再通過(guò)精準(zhǔn)的計(jì)算讓四個(gè)維度的虛像在空間內(nèi)的某個(gè)區(qū)域重疊，產(chǎn)生3D 影像的效果。模擬成像示意圖如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 3D 影像成像方案

2.2 硬件設(shè)備選擇

利用可塑性好、反光效果好且透光的PEC 鏡面覆膜材料，通過(guò)剪裁、折疊、黏合等操作對(duì)鏡面覆膜材料進(jìn)行反復(fù)加工，并計(jì)算相對(duì)應(yīng)的角度和數(shù)據(jù)將其設(shè)計(jì)成四棱錐狀成像體，并按一定比例去除四棱錐頂尖部分形成小孔，使得電子屏幕里的樣本可以通過(guò)小孔進(jìn)入鏡面材料內(nèi)，通過(guò)各個(gè)鏡面反射形成虛像，并將四個(gè)虛像在空間中某一位置完整重合，使所成的像更加清晰準(zhǔn)確。為了完成以上的操作，還需使用到一塊正方形電子屏幕作為播放設(shè)備，并對(duì)四棱錐狀成像設(shè)備計(jì)算的數(shù)據(jù)如下：反光面——頂角72°，底角54°，底邊30 cm；四棱錐——母線與底面成57.3°，高度19 cm；電子屏——邊長(zhǎng)30.5 cm。

上述數(shù)據(jù)中長(zhǎng)度的計(jì)算目的在于將搭建好的成像設(shè)備能夠完整地覆蓋電子屏幕，并通過(guò)高度的中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，方便小組成員計(jì)算每個(gè)虛像的空間位置，角度的計(jì)算目的在于保證將光攝入膜板后的成像形狀更真實(shí)，避免由于光的折射導(dǎo)致成像的某個(gè)部位存在長(zhǎng)度偏差，也為四像重疊的工作進(jìn)行了鋪墊和保障。成像體初步搭建圖如圖2 所示。

圖2 成像體初步搭建

2.3 AR 場(chǎng)景搭建

利用Adobe Premiere 2021 將錄制好的飛行原理動(dòng)畫分別在上下左右四個(gè)位置通過(guò)0°、90°、180°、270°四個(gè)維度向?qū)ΨQ中心環(huán)繞展示，在Adobe Premiere 2021 軟件內(nèi)，控制每一個(gè)動(dòng)畫的尺寸為43.6 個(gè)單位，通過(guò)坐標(biāo)的計(jì)算設(shè)計(jì)其與中心距離均為212 cm。將在四棱錐成像體尖部做好的圓孔，通過(guò)計(jì)算使其圓心位置與計(jì)算機(jī)屏幕的中心位置重合，使得對(duì)應(yīng)在屏幕上的動(dòng)畫中心與屏幕中心距為9.745 cm，使得裸眼視角內(nèi)看到的虛像中高度大致約為10.5 cm，保證其裸眼視角的真實(shí)性和美觀性，同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)視覺沖擊的效果，并且該步驟的完成為后續(xù)將模型導(dǎo)入AR 設(shè)備中調(diào)整位置、大小以及角度做好了準(zhǔn)備工作。

需要提到的是，四棱錐成像體是鏡面覆膜材料，和電子屏幕之前難免存在滑動(dòng)摩擦的現(xiàn)象，難以保證設(shè)備工作時(shí)成像能夠穩(wěn)定重合。因此，利用透光式亞克力板制作塑料框架，覆蓋在成像體上方，就起到固定作用并讓設(shè)備整體更有框架感。同時(shí)，利用乳白色亞克力板制作不透光式框架底座，環(huán)繞在電子屏幕周圍，便可以進(jìn)一步保證遮光性，減小入射光的亮度損失。兩個(gè)塑料框架的搭建和安裝保障了本套AR 設(shè)備的嚴(yán)謹(jǐn)性和穩(wěn)定性，為裸眼3D 視覺效果的呈現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。圖3 為AR 成像設(shè)備基本外觀。

圖3 AR 成像設(shè)備展示

2.4 3D 模型導(dǎo)入

將事先在3ds Max 軟件中制作錄制完成并在Pr軟件中處理好的3D 模型動(dòng)畫上傳至演示設(shè)備主機(jī)中，這些視頻包括，內(nèi)部駕駛艙、發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表及通訊設(shè)備、起落架等裝置和整套初教六教練機(jī)模型及其相關(guān)動(dòng)作，利用先前工作中在Pr 軟件里調(diào)整好的數(shù)據(jù)，便可在AR 設(shè)備當(dāng)中展示出一個(gè)具有3D 效果且可環(huán)繞轉(zhuǎn)動(dòng)的初教六教練機(jī)模型。通過(guò)后續(xù)交互功能的實(shí)現(xiàn)，學(xué)院可以自行抓取飛機(jī)的各個(gè)角度，并且有層次地遞進(jìn)到飛機(jī)內(nèi)部，對(duì)駕駛艙，發(fā)動(dòng)機(jī)等裝置進(jìn)行全方位3D 視角的觀察。還可以觀看3D 演示動(dòng)畫，包括飛機(jī)的升降，滾轉(zhuǎn)，偏航等。以上3D 動(dòng)畫均可在AR設(shè)備中進(jìn)行四周環(huán)繞播放。圖4 和下頁(yè)圖5 為飛機(jī)3D 投影環(huán)繞效果演示圖。

圖4 飛機(jī)整體3D 投影環(huán)繞效果演示

圖5 飛機(jī)副翼的收放3D 效果演示

2.5 實(shí)現(xiàn)交互功能

將模型動(dòng)畫全部導(dǎo)入AR 設(shè)備中后，通過(guò)手機(jī)與相應(yīng)主機(jī)屏幕的無(wú)線連接開啟多屏協(xié)同功能，即可實(shí)現(xiàn)一系列可操控且可調(diào)整的飛行原理的部件的3D動(dòng)畫展示。建立這種交互功能可以讓學(xué)員對(duì)3D 動(dòng)畫進(jìn)行實(shí)時(shí)的操控，例如學(xué)員可以通過(guò)在手機(jī)中拖拽教學(xué)動(dòng)畫的播放進(jìn)程條來(lái)實(shí)現(xiàn)AR 設(shè)備中影像的角度轉(zhuǎn)換，還可以將視角拉進(jìn)教練機(jī)內(nèi)部，一地金的方式有層次地拉取教練機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件組成，也可以有選擇性地抓取出想要觀看的某一個(gè)指定部件的3D動(dòng)畫，進(jìn)行更有目的性的觀摩和學(xué)習(xí)。圖6 為手機(jī)多屏協(xié)同交互端效果演示圖。

圖6 手機(jī)多屏協(xié)同交互端效果演示

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下航空教育資源短缺的關(guān)鍵原因，是開發(fā)飛機(jī)認(rèn)知實(shí)習(xí)的用戶少且成本高。本文提出通過(guò)AR 設(shè)備的介入，目的在于將教練機(jī)最精細(xì)化的帶到大眾面前，讓所有領(lǐng)域人員都能對(duì)其有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)科普的作用，并且由于飛機(jī)專業(yè)性強(qiáng)、用戶少、成本高、沒有廠家樂意開發(fā)，目前網(wǎng)上也無(wú)法找到相關(guān)教學(xué)系統(tǒng)供學(xué)員使用，導(dǎo)致學(xué)員對(duì)該系統(tǒng)似懂非懂，達(dá)不到所要求的知識(shí)與能力提升，本文中全息投影技術(shù)，將數(shù)據(jù)整合在系統(tǒng)中并用直觀的方式表達(dá)出來(lái)，彌補(bǔ)了當(dāng)前飛機(jī)教育短缺的問題。使得飛機(jī)科普方面以及教育課程不再具有專業(yè)領(lǐng)域限制，可以減少開發(fā)成本，提高效率，使非專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)生可以進(jìn)行有興趣的科普認(rèn)知，是專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)生可以更有效地了解到駕駛艙內(nèi)的儀表系統(tǒng)以及通訊設(shè)備。本項(xiàng)目的應(yīng)用前景不止航空領(lǐng)域，其建立模型導(dǎo)入到設(shè)備后的3D效果有高度真實(shí)性，也可用于博物館進(jìn)行文物展覽，可避免氧化折舊的問題；也可用于院校實(shí)習(xí)，避免加工過(guò)程受傷的現(xiàn)象。