飞机三维数据可视化探究与实现

2015-12-23刘宁

科技视界 2015年32期

刘宁

（中国商飞上海航空工业〈集团〉有限公司，中国上海201210）

1 研究背景和意义

飞机的研制、生产是一个庞大的系统工程。在整个研制过程中，会产生巨量的数据，人工处理这些数据将耗费大量的时间。传统的数据展现方式，常常以单纯的文本、表格等形式表现出来，不仅单调乏味，且界面复杂，导致用户体验不佳。而将数据以可视化的形式展现出来，可解决这一难题。通过Unity三维软件,能够将飞机三维数模呈现在平台中，通过定位飞机的GIS地理位置，实时的获取该位置的零件详细信息，如FO、FRR、生产、试飞、试验数据等，实时掌握飞机的研制状况，及时的发现并解决问题。用户还可以通过详细的数据分析，制定下一步的研制、生产计划，为整个项目节省人力和时间成本。

航空业作为最具代表性的高科技产业，是体现国家科技能力的重要标志。而我国航空业起步晚，困难多，时间紧迫。因此，我们需要一个先进、有效的手段，为整个研发的过程服务，缩短我们与发达国家的差距，或在不久的将来，能够达到世界先进水平。因此，这个实现飞机数据的可视化展示，对航空业的发展具有重大意义。

1.1 飞机三维数据可视化应用简述

通过Unity三维软件,为飞机数模建立一个虚拟的三维场景，将整个飞机数模置入这一虚拟场景当中。可以筛选飞机的不同型号和飞机的外观表现形式。以带蒙皮形式展现，可以全360度观察飞机的各个部段；以全机数模形式表现，可以观察其内部数据，全面了解飞机各个系统的位置、情况及工作进度。在平台界面设计上，除了飞机三维空间展示，还有详细的列表设计。在列表当中，实时提取了该飞机地理位置上的信息。如FO、FRR等。

在功能上，通过C#程序语言来实现界面上的交互操作。如通过的鼠标的一些列缩放旋转等操作，来查看飞机的各级系统信息。

2 实现所需的软件

2.1 Unity

Unity是由Unity Technologies开发的一个建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity类似于Director,Blender game engine,Virtools或Torque Game Builder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件其编辑器运行在Windows和Mac OSX下，可发布游戏至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android平台。也可以利用Unity web player插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览。它的网页播放器也被Mac widgets所支持。

Unity被广泛应用到航空航天、军事国防、工业仿真、教育培训、医学模拟、建筑漫游等领域。一般称之为Serious Games（严肃游戏）。在严肃游戏领域，Unity在很多方面具有非常明显的优势，例如完备的引擎功能、高效的工作流程、更逼真的画面效果、跨平台发布及第三方插件等，这使得Unity在严肃游戏领域也广受欢迎与关注。

2.2 C#语言

C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。并定于在微软职业开发者论坛(PDC)上登台亮相。C#是微软公司研究员Anders Hejlsberg的最新成果。C#看起来与Java有着惊人的相似；它包括了诸如单一继承、接口、与Java几乎同样的语法和编译成中间代码再运行的过程。但是C#与Java有着明显的不同，它借鉴了Delphi的一个特点，与COM（组件对象模型）是直接集成的，而且它是微软公司.NET windows网络框架的主角。

3 用户需求分析

经过调研，收集各方用户的需求，飞机三维数据可视化平台目前主要满足两个需求：展示试飞试验数据信息和显示数据装配大纲信息。

其中，试验类别有：机上地面试验、压力试验、密封试验、APU燃油切断阀试验、导线综合试验、水箱排放试验、刹车功能系统实验、中央警告系统机上功能试验等。

装配大纲部分，以特定约束条件过滤，展示三维生产监控数据。

3.1 界面设计

在界面设计上，设计师前期做好操作界面交给GUI开发人员。开发人员通过Unity软件中的GUI工具，将图标、图片信息及菜单的设计原图在平台的虚拟场景上来实现，使用户能够直观的选取自己所需要的模块。

UI设计部分如图1所示，以公司的企业标准色为基色，体现高科技感，使用扁平化设计风格，凸显简洁及易用性，节省分析师的时间成本。

图1 公司人力资源情况

3.3 技术流程

先由讨论组收集、明确用户需求，然后将平台架构和主要功能明确，再开始由设计到实现平台功能的过程。技术人员的构成如下：

UI设计：负责整个平台的整体风格，界面布局、图标的设计和表现。

GUI设计：通过Unity软件的GUI工具，将设计师的图标、图片等设计效果，通过GUI工具与C#开发语言相结合，在平台空间中，搭建整个界面，并实现菜单的交互操作和飞机模型的显示效果控制等。

软件开发：将试飞试验数据信息和装配大纲信息，通过提取BI或其他平台数据，在Unity软件中实时查看、更新。

三维设计：将最新生成的全机三维数模，通过Deep Exploration、3Dmax、Maya等三维软件，将数模优化、精简。同时还需渲染一个具有科技感和美感的虚拟环境，使飞机能在Unity创建的虚拟环境中，以最佳和最快速的效果展示给用户。

4 构建与场景生成

一期搭建了三维数字可视化平台，主要开发了两个场景。选中左边场景的飞机机头部份，右边的列表会显示相关的生产进度、质量、配送信息都展现出来。如图2所示。

图2 飞机装配大纲信息

4.1 功能设置

（1）初步设计以下功能：

A）显示三维对象信息(零部件、三维组合对象ID-零部件、位置等)；

B）生产节点（节点id）质量、配套等信息；

C）为了增加飞机模型结构、系统的可读性，在飞机上增加标注。

（2）实现方式：

A）以零部件模型名称，建立标签（数据库建立对应的label表，用来维护标签信息，并增加类别、level等字段，外键：三维对象ID。）

B）为标签设定level级别

C）按放大比例，用不同字号显示不同level的标签文字

D）高级功能（开发算法，智能改变标签文字的显示方式）

E）放大5倍时，仅显示大部段名称

F）放大至4倍时，显示大部段名称和系统名称

4.2 模型优化处理

通过Deep Exploration软件中打开飞机原数模格式为.CRG格式的源文件,然后导出文件为.RH格式。

再次打开Deep Exploration软件，打开.RH格式的文件进行查看，会发现模型量巨大，选取软件中的模型属性工具,察看该模型的具体点、线、面的数量的大小，选取软件中的优化工具，将模型按百分比优化，再导出文件为.OBJ格式。

4.3 模型整合与导出

打开Maya三维软件，导入之前保存好的.OBJ的文件。打开Display-poly count工具，查看模型的点、线、面的数量。如需要优化，使用Mesh-reduce工具，调整优化百分比，将模型量优化到最合适的大小。

4.4 基于Unity3D引擎的虚拟环境渲染

利用Unity强大的渲染功能，可以在场景中营造一个逼真的环境效果。使用Lightmapping（光照贴图技术）是一种增强静态场景光照效果的技术，它可以通过较少的性能消耗使得静态场景看上去更真实、丰富以及更有立体感；Unity使用的是Autodesk的Beast插件，并提供了相应的用户界面，在Unity使用Lightmapping非常方便，利用简单的操作就可以制作出平滑真实且不生硬的光影效果。