基于AR 的教练机内部结构演示的建模原理与设计制作★

刘德凡，施 浩，杨天一

（上海工程技术大学航空运输学院/飞行学院，上海 201620）

引言

当今时代，随着科技日新月异的发展，增强现实技术渐渐从一个遥远的概念逐渐走入人们的生活。而与此同时，民用航空作为人们出行的必备选择之一，在飞机种类、数量的要求上也是大大增加。这也使得各大航空公司对专业型及技术型机务人才的需求急剧上升。因此，在对该方面人才的培养过程中，如何找到最有效教学方法和最接近实物的逼真教学体验就成为了重中之重。也只有通过这种途径，才能真正培训出一名合格的机务人员。

本文旨在依托AR 技术解决当下航空教育资源短缺的问题。目前AR 增强现实的三维投影技术在科普展示和教学方面都有广泛的应用。在国内，唐永乐等人已经基于5G 的三维投影技术来构建未来的新型教学模式[1]；张雪峰等人将虚拟现实技术和起落架模型相结合来对模型进行设计制作并完成收放等动作[2]；郑明俊等人利用AR 技术对飞机起落架进行排除故障等分析工作[3]；李宏达和马晓燕运用全息投影技术来完成室内建筑展示的设计与制作[4]；AR 增强现实技术如今还多方面地应用在了教育事业当中，例如栾婷婷等人的远程教育理工类课程设计[5]；林旭怡团队的非物质文化活态化研究[6]。

本文主要侧重于AR 自主教育教学方面，是一种独具一格的教学实践形式，创新点分为以下几点：

1）在设计形式上，本文在设计过程中的思路十分清晰。每一步的进行都有足够的数据和素材作为支撑。读者可以根据本文的设计思路清楚地了解到一个AR 呈现场景的制作过程，具有较强的可操作性。

2）在制作方式上，本文所介绍的AR 模型与场景的分步制作过程和最后的呈现形式都是创新性较强的。与此同时，这种特殊的AR 制作还并不仅仅局限于几个模型或几个零件，具有很强很高的包容性和自由度，使得制作和呈现更加简单便捷。

3）在演示模式上，本文将航空飞机各组成部分的细节与AR 演示相结合，体验者可以在让人耳目一新的AR 体验中了解与复杂的航空器械相比更加简明的飞机内部结构和外观。

4）在操作与交互上，本文将该AR 场景的呈现与控制界面移植在手机端，也就是说，通过手机与呈现屏幕的多屏协同的操控，体验者可以自行抓取飞机上的各个重要组成部分的拟真模型并有针对性地了解到其演示效果。

本文所设计建构的3D 模型为有“中国飞行员摇篮”之称的初教-6 教练机（代号：HAIG CJ-6）。其是在20 世纪50 年代末期由中国研究人员自行研制的螺旋桨初级教练机。该机长期服役于中国空军及地方航校，是中国空军初级教练机主力机型。初教-6 是中国第一架自主设计、制造的螺旋桨初级教练机。该机研制成功、装备部队标志着新中国航空工业已从仿制发展到了自行设计飞机的新阶段。不仅如此，初教6系列飞机为中国成功地培养了数以万计的飞行员，堪称中国飞行员的摇篮。同时初教-6 以其良好的操纵性和出色的安全性受到广大航空爱好者的喜爱，在欧美航空俱乐部很受欢迎。本文将从模型测绘与数据比对、绘制建模图纸、3ds Max 建模、贴图、模型动画制作与视频录制这五个方面对初教-6 这架教练机的建模原理与设计制作流程进行阐述。

1 模型设计原理与制作

1.1 模型测绘与数据比对

首先对学校机坪上已退役的实体初教-6 飞机（见下页图1）的机身、机翼、尾翼等各个组成部分进行尺寸及比例的初步测量，同时查询学校的图书馆中相关资料以及网络上有关数据库中的《初教6 型飞机飞行员手册》来获取初教-6 具体的高精度出厂数据（单位：mm）并与初步测得的飞机数据进行比对，接着计算出飞机在3D 软件中最合适的模型比例，以便后续建模之用。

图1 飞机实体照片

1.2 绘制建模图纸

在对飞机模型数据有了初步概念之后，使用AutoCAD 软件对飞机的三视图进行精确绘制，如图2 所示。同时使用透视的方法，将飞机的座舱、起落架和发动机等内部结构也投影在图纸的相应位置上，最大程度地还原初教-6 飞机的内部结构。最后，在图纸上标注好飞机模型的网格线，以便后续建模时参考使用。图纸整体绘制完毕后，导入3ds Max 软件用以建模。同时，对校园内的“八·一”涂装初教-6 飞机进行拍照取样，以便后续贴图取用。

图2 飞机三视图图纸

1.3 3ds Max 建模

本文以3ds Max 2021 版本作为主要建模平台。在绘制好的CAD 底图的帮衬下，飞机模型的大致外观就可以很快地拉出来，但一些较小的零部件细节还需采用大量的可编辑多边形、布尔等操作。需要注意的是，采取可编辑多边形操作后，飞机模型将被分裂成大量的点、线、面，此时就要仔细甄别需要被修改的对象，否则会在框选时出现缺漏等问题；布尔是模型挖孔、切削等工作中较为便捷的方式，它的运算原理中包含交、并、补等常见功能，但是经过运算后会产生一些不可见的多余模型，此时需要将多余的模型删除，否则会在后续导出obj 文件等过程中产生卡顿，极大程度影响渲染速度。此外，在对这些细小构件建模的过程中，一定要在每建完一个模型后都及时地将其赋上材质，同时每个构件在材质球上最好都标上名字，将来如果需要进一步调整，就可以选择相应的材质球，并将使用同一材质的物体选出来，通过“Alt＋w”键来对单独视窗里的物体进行编辑。在确定修改之后，对使用同一材质的物体添editable mesh 命令，进行塌陷处理为同一物体，或直接使用建组命令进行单元统一。这样就可以尽可能地减少面与线的运算，提高效率。飞机整体建模如图3 所示，发动机建模如图4 所示。

图3 飞机整体建模

图4 发动机建模

1.4 贴图

由于初教-6 飞机的结构和组成存在一定的复杂性，所以在贴图时需要使用到更有针对性的UVW 贴图功能进行绘制。在此之前还需要了解高光、漫反射等贴图所需素材并将之前拍照取样的初教-6 外形图片导入Photoshop 软件中进行对比度、饱和度等亮度调整处理。随后进入3ds Max 软件中选中飞机模型，点击“修改”-“UVW 贴图”，勾选对象，按比例对飞机模型的UVW 参数进行设置，点击“Gizmo”对贴图进行进一步的精细调整，最后点击“渲染”查看即可。需要注意的是，在模型最后导出成品文件时还需按路径再次附上全部贴图文件，如下页图5 所示。

图5 飞机贴图

1.5 模型动画制作与视频录制

由于在进行AR 教学演示的过程中除了基本的外形3D 环绕展示及部件展示外，还需要使模型完成相应的基本动作并录制3D 视频进行演示。因此，在制作动画之前需要将模型导入一个空白的新场景中，然后将需要进行动画演示的部件解组并单独选中，随后，在底部的动画区域中，选择“自动关键点”按钮，在动画时间轴上，选择一段时间，在这段时间里可以对该部件进行平移、旋转等基本指令的操作以完成所需要的起落架收放、副翼收放、脚蹬前踏与回收等动作。最后，在这段包含了动作动画的时间轴末尾处选中该点并点击“设置关键点”即可完成该动画制作。完成了动画制作后，就可以保存在该场景中并在播放时使用OBS Studio 软件进行录制。而录制好的视频就可以导入相应的AR 投影设备中进行，可以达到裸眼3D 效果的播放演示，以达到航空教学的目的。具体如图6和图7 所示。

图6 飞机收放起落架动画视频录制

图7 飞机收放副翼动画视频录制

2 结语

在目前的航空教学领域，飞机认知教学平台由于其专业性强、用户少、成本高，因此几乎没有针对该项目进行开发的厂家。而网络上对于飞机的认知教学也仅仅局限于文字和图片等真实性较差的方式，无法找到专业的教学资料供相关需要的人员使用。本文讲解了如何利用3ds Max 软件对初教-6 飞机进行3D 模型的设计制作并与具有裸眼3D 投影功能的AR 设备相结合，目的在于将该飞机最精细化的部分以最真实的方式带到专攻航空专业类的学生面前，使得该专业学生能够对飞机有一个更全面的认识，实现航空教学的目的。