基于AR 的教練機內(nèi)部結(jié)構(gòu)演示的建模原理與設(shè)計制作★

劉德凡，施 浩，楊天一

（上海工程技術(shù)大學航空運輸學院/飛行學院，上海 201620）

引言

當今時代，隨著科技日新月異的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)漸漸從一個遙遠的概念逐漸走入人們的生活。而與此同時，民用航空作為人們出行的必備選擇之一，在飛機種類、數(shù)量的要求上也是大大增加。這也使得各大航空公司對專業(yè)型及技術(shù)型機務(wù)人才的需求急劇上升。因此，在對該方面人才的培養(yǎng)過程中，如何找到最有效教學方法和最接近實物的逼真教學體驗就成為了重中之重。也只有通過這種途徑，才能真正培訓(xùn)出一名合格的機務(wù)人員。

本文旨在依托AR 技術(shù)解決當下航空教育資源短缺的問題。目前AR 增強現(xiàn)實的三維投影技術(shù)在科普展示和教學方面都有廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)，唐永樂等人已經(jīng)基于5G 的三維投影技術(shù)來構(gòu)建未來的新型教學模式[1]；張雪峰等人將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和起落架模型相結(jié)合來對模型進行設(shè)計制作并完成收放等動作[2]；鄭明俊等人利用AR 技術(shù)對飛機起落架進行排除故障等分析工作[3]；李宏達和馬曉燕運用全息投影技術(shù)來完成室內(nèi)建筑展示的設(shè)計與制作[4]；AR 增強現(xiàn)實技術(shù)如今還多方面地應(yīng)用在了教育事業(yè)當中，例如欒婷婷等人的遠程教育理工類課程設(shè)計[5]；林旭怡團隊的非物質(zhì)文化活態(tài)化研究[6]。

本文主要側(cè)重于AR 自主教育教學方面，是一種獨具一格的教學實踐形式，創(chuàng)新點分為以下幾點：

1）在設(shè)計形式上，本文在設(shè)計過程中的思路十分清晰。每一步的進行都有足夠的數(shù)據(jù)和素材作為支撐。讀者可以根據(jù)本文的設(shè)計思路清楚地了解到一個AR 呈現(xiàn)場景的制作過程，具有較強的可操作性。

2）在制作方式上，本文所介紹的AR 模型與場景的分步制作過程和最后的呈現(xiàn)形式都是創(chuàng)新性較強的。與此同時，這種特殊的AR 制作還并不僅僅局限于幾個模型或幾個零件，具有很強很高的包容性和自由度，使得制作和呈現(xiàn)更加簡單便捷。

3）在演示模式上，本文將航空飛機各組成部分的細節(jié)與AR 演示相結(jié)合，體驗者可以在讓人耳目一新的AR 體驗中了解與復(fù)雜的航空器械相比更加簡明的飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀。

4）在操作與交互上，本文將該AR 場景的呈現(xiàn)與控制界面移植在手機端，也就是說，通過手機與呈現(xiàn)屏幕的多屏協(xié)同的操控，體驗者可以自行抓取飛機上的各個重要組成部分的擬真模型并有針對性地了解到其演示效果。

本文所設(shè)計建構(gòu)的3D 模型為有“中國飛行員搖籃”之稱的初教-6 教練機（代號：HAIG CJ-6）。其是在20 世紀50 年代末期由中國研究人員自行研制的螺旋槳初級教練機。該機長期服役于中國空軍及地方航校，是中國空軍初級教練機主力機型。初教-6 是中國第一架自主設(shè)計、制造的螺旋槳初級教練機。該機研制成功、裝備部隊標志著新中國航空工業(yè)已從仿制發(fā)展到了自行設(shè)計飛機的新階段。不僅如此，初教6系列飛機為中國成功地培養(yǎng)了數(shù)以萬計的飛行員，堪稱中國飛行員的搖籃。同時初教-6 以其良好的操縱性和出色的安全性受到廣大航空愛好者的喜愛，在歐美航空俱樂部很受歡迎。本文將從模型測繪與數(shù)據(jù)比對、繪制建模圖紙、3ds Max 建模、貼圖、模型動畫制作與視頻錄制這五個方面對初教-6 這架教練機的建模原理與設(shè)計制作流程進行闡述。

1 模型設(shè)計原理與制作

1.1 模型測繪與數(shù)據(jù)比對

首先對學校機坪上已退役的實體初教-6 飛機（見下頁圖1）的機身、機翼、尾翼等各個組成部分進行尺寸及比例的初步測量，同時查詢學校的圖書館中相關(guān)資料以及網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)數(shù)據(jù)庫中的《初教6 型飛機飛行員手冊》來獲取初教-6 具體的高精度出廠數(shù)據(jù)（單位：mm）并與初步測得的飛機數(shù)據(jù)進行比對，接著計算出飛機在3D 軟件中最合適的模型比例，以便后續(xù)建模之用。

圖1 飛機實體照片

1.2 繪制建模圖紙

在對飛機模型數(shù)據(jù)有了初步概念之后，使用AutoCAD 軟件對飛機的三視圖進行精確繪制，如圖2 所示。同時使用透視的方法，將飛機的座艙、起落架和發(fā)動機等內(nèi)部結(jié)構(gòu)也投影在圖紙的相應(yīng)位置上，最大程度地還原初教-6 飛機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最后，在圖紙上標注好飛機模型的網(wǎng)格線，以便后續(xù)建模時參考使用。圖紙整體繪制完畢后，導(dǎo)入3ds Max 軟件用以建模。同時，對校園內(nèi)的“八·一”涂裝初教-6 飛機進行拍照取樣，以便后續(xù)貼圖取用。

圖2 飛機三視圖圖紙

1.3 3ds Max 建模

本文以3ds Max 2021 版本作為主要建模平臺。在繪制好的CAD 底圖的幫襯下，飛機模型的大致外觀就可以很快地拉出來，但一些較小的零部件細節(jié)還需采用大量的可編輯多邊形、布爾等操作。需要注意的是，采取可編輯多邊形操作后，飛機模型將被分裂成大量的點、線、面，此時就要仔細甄別需要被修改的對象，否則會在框選時出現(xiàn)缺漏等問題；布爾是模型挖孔、切削等工作中較為便捷的方式，它的運算原理中包含交、并、補等常見功能，但是經(jīng)過運算后會產(chǎn)生一些不可見的多余模型，此時需要將多余的模型刪除，否則會在后續(xù)導(dǎo)出obj 文件等過程中產(chǎn)生卡頓，極大程度影響渲染速度。此外，在對這些細小構(gòu)件建模的過程中，一定要在每建完一個模型后都及時地將其賦上材質(zhì)，同時每個構(gòu)件在材質(zhì)球上最好都標上名字，將來如果需要進一步調(diào)整，就可以選擇相應(yīng)的材質(zhì)球，并將使用同一材質(zhì)的物體選出來，通過“Alt＋w”鍵來對單獨視窗里的物體進行編輯。在確定修改之后，對使用同一材質(zhì)的物體添editable mesh 命令，進行塌陷處理為同一物體，或直接使用建組命令進行單元統(tǒng)一。這樣就可以盡可能地減少面與線的運算，提高效率。飛機整體建模如圖3 所示，發(fā)動機建模如圖4 所示。

圖3 飛機整體建模

圖4 發(fā)動機建模

1.4 貼圖

由于初教-6 飛機的結(jié)構(gòu)和組成存在一定的復(fù)雜性，所以在貼圖時需要使用到更有針對性的UVW 貼圖功能進行繪制。在此之前還需要了解高光、漫反射等貼圖所需素材并將之前拍照取樣的初教-6 外形圖片導(dǎo)入Photoshop 軟件中進行對比度、飽和度等亮度調(diào)整處理。隨后進入3ds Max 軟件中選中飛機模型，點擊“修改”-“UVW 貼圖”，勾選對象，按比例對飛機模型的UVW 參數(shù)進行設(shè)置，點擊“Gizmo”對貼圖進行進一步的精細調(diào)整，最后點擊“渲染”查看即可。需要注意的是，在模型最后導(dǎo)出成品文件時還需按路徑再次附上全部貼圖文件，如下頁圖5 所示。

圖5 飛機貼圖

1.5 模型動畫制作與視頻錄制

由于在進行AR 教學演示的過程中除了基本的外形3D 環(huán)繞展示及部件展示外，還需要使模型完成相應(yīng)的基本動作并錄制3D 視頻進行演示。因此，在制作動畫之前需要將模型導(dǎo)入一個空白的新場景中，然后將需要進行動畫演示的部件解組并單獨選中，隨后，在底部的動畫區(qū)域中，選擇“自動關(guān)鍵點”按鈕，在動畫時間軸上，選擇一段時間，在這段時間里可以對該部件進行平移、旋轉(zhuǎn)等基本指令的操作以完成所需要的起落架收放、副翼收放、腳蹬前踏與回收等動作。最后，在這段包含了動作動畫的時間軸末尾處選中該點并點擊“設(shè)置關(guān)鍵點”即可完成該動畫制作。完成了動畫制作后，就可以保存在該場景中并在播放時使用OBS Studio 軟件進行錄制。而錄制好的視頻就可以導(dǎo)入相應(yīng)的AR 投影設(shè)備中進行，可以達到裸眼3D 效果的播放演示，以達到航空教學的目的。具體如圖6和圖7 所示。

圖6 飛機收放起落架動畫視頻錄制

圖7 飛機收放副翼動畫視頻錄制

2 結(jié)語

在目前的航空教學領(lǐng)域，飛機認知教學平臺由于其專業(yè)性強、用戶少、成本高，因此幾乎沒有針對該項目進行開發(fā)的廠家。而網(wǎng)絡(luò)上對于飛機的認知教學也僅僅局限于文字和圖片等真實性較差的方式，無法找到專業(yè)的教學資料供相關(guān)需要的人員使用。本文講解了如何利用3ds Max 軟件對初教-6 飛機進行3D 模型的設(shè)計制作并與具有裸眼3D 投影功能的AR 設(shè)備相結(jié)合，目的在于將該飛機最精細化的部分以最真實的方式帶到專攻航空專業(yè)類的學生面前，使得該專業(yè)學生能夠?qū)︼w機有一個更全面的認識，實現(xiàn)航空教學的目的。