交互式电子技术手册中三维模型的应用研究

王怡恬，陈 静，王本国，张向阳，徐旺华，夏元杰

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

基于手持设备（便携式平板电脑）开发的IETM（Interactive Electronic Technical Manual，交互式电子技术手册）采用数字化、信息化、三维模型等技术手段，可辅助操作人员学习和掌握武器装备、辅助判断装备故障及对装备进行维护等，提高操作人员的训练和保障效率[1]。由于其采用交互式的方式将装备保障信息集成在平板电脑上，使用人员能更方便地查阅信息和维护装备，目前已在许多领域中得到推广应用。

1 IETM 基本情况

IETM 遵循S1000D 技术规范，通过建立并开发技术出版物协同编制管理系统，从收集原始资料、系统业务规划、结构编码规划、数据模块编辑、模块重组、技术手册发布等方面处理。包括技术内容（含技术插图、多媒体素材等）编著、管理、更改、发布和用户意见反馈处理等，使装备技术出版物全生命周期的各类工作达到信息化、知识化和自动化，从而实现以交互的方式进行查阅，将文字、表格、图像、声音、视频、动画等多种信息形式在平板电脑上以最优方式呈现给用户。

IETM 具有以下几个基本功能：①通用的显示界面；②支持技术手册结构导航目录树；③图文对照浏览、图文混排浏览；④手册内及手册之间文字、图形的链接调用；⑤关联信息显示设计；⑥可支持语音、视频等多媒体格式；⑦可通过文字交互、人机问答、自动过滤等方式进行故障诊断，引导决策；⑧支持智能图形、热点链接；⑨可进行灵活的信息检索。

图1 为IETM 的导航目录树。这种交互式电子手册能够通过不同目录层级的搜索及手册内部材料的相互调用，方便用户操作和使用。

图1 IETM 的导航目录树

IETM 制作流程如图2 所示，可分为结构分解、数据收集、数据管理及生成IETM 共4 个阶段，并且在制作过程中这4 个阶段是根据装备生产现状不断进行交互和更新的。

图2 IETM 制作流程图

2 三维模型处理

在IETM 制作过程中，数据管理中关于文字和图片的处理都相对简单，而为了操作人员更加简便和直观地使用，三维模型的处理就显得至关重要。不同软件建立的模型格式不同，为了符合IETM 标准，有必要对模型的格式进行统一；并且三维模型如果体积过大会大量占用移动设备的内存，影响其演示性能，使得操作人员无法快速读取模型，因此需要对模型进行轻量化处理。以下将对这2 个问题进行讨论。

2.1 三维建模格式统一

目前比较流行的三维CAD 软件有Pro/E、SolidWorks、CATIA、UG 等，这些三维CAD 软件有各自的优点，并在不同的领域发挥着不可替代的作用。目前常用的三维模型文件格式包括.stl、.igs、.stp、.3ds等[2]，讨论三维模型格式统一是为了让开发人员使用不同的三维软件建模时，模型能够通用，从而便于互相导入编辑，并且最终建立好模型后能方便地转换为电子手册能识别的格式。

.stl 文件是在计算机图形应用系统中，用三角网格来表现三维模型的一种文件格式。但是导出.stl 格式时往往会自动转存很多个小文件，对于稍复杂的三维模型甚至会自动分化为成千上万个小文件，对后续工作带来很大麻烦。

.igs 格式往往只注意了图形数据转换而忽略了其他信息的转换，因此导致兼容性很差。由不同软件生成的.igs 文件相互读取的过程中，可能会出现破面、信息不全、无法读出实体等问题。

.stp 是三维建模中比较常用的文件格式，该格式兼容性好，在各软件中转换时数据不会大量丢失。目前通过大部分三维建模软件建立的三维模型都可以导成.stp 格式。

.3ds 是3Dmax 建模软件的衍生格式，可用于渲染。由CATIA 或Sketchup 制作的三维模型可以直接导出为.3ds 格式。

主流的三维建模软件大部分都可输出.prt、.igs、.stp、.dwg 和.x_t 等格式。.prt 格式一般是单个零件，.dwg是二维图纸，虽然UG 和SolidWorks 可以输出.x_t 格式但是CATIA 等软件无法读取该格式，因此能够通用的三维模型格式就是.igs 和.stp 格式。由于.igs 文件在互相读取转换的过程中经常出现信息不全的情况，而.stp 文件兼容性好且不会大量丢失数据，因此推荐在三维建模时统一输出为.stp 文件。

IETM 中植入的模型要求是.vab 格式，需要利用3D Builder 软件进行转换，但最终为了植入移动设备中模型体积不能过大，这就需要在转换植入模型前对三维模型进行轻量化处理。

2.2 三维模型轻量化处理

一般的三维建模软件都具备模型缩放、视角变换、零件选择等功能，同样的在IETM 中植入三维模型后也要求具备缩放和视角变换等基本功能，这些操作都将占用内存资源。

大型装配体三维模型体积可能达到上百兆，这些数据量巨大的数字化模型会在设计使用过程中产生一些问题，具体如下：①模型的数据量过大，导致在计算机操作中实时性差，影响三维模型的运动仿真和检查；②模型数据量过大影响其在网络中的传输速度；③某些大型装配体信息量充足，但涉及一些保密要求时应去除相应的内部特征信息，从而保证内部技术不被泄露。为了解决以上问题，一般需要对三维模型进行轻量化处理，而IETM 采用移动设备，其硬件性能和处理能力都不能与电脑相提并论，如果要求IETM操作流畅不卡顿势必要将三维模型体积压缩，生成简化模型来代替原始模型参与设计，从而使其占用最小的内存资源[3]，能够顺利植入IETM 平台中。

对三维模型进行轻量化处理要满足以下几个要求：①轻量化模型必须首先保证在移动设备上的浏览体验，由于移动设备的计算和图形渲染能力相对有限，为了保证良好的浏览体验，模型必须具有较快的显示速度，能够满足实时交互的需求；②轻量化过程一般会对产品模型的几何信息进行简化和压缩，并对尺寸、属性、配合、参数等信息进行简化提取，但是这个过程不能破坏模型的可用性；③由于移动设备的存储和内存容量都较小，因此轻量化的模型必须具有较小的存储体积，从而减少移动设备的内存占用。

对三维模型进行轻量化处理后有很多优点，具体如下：①如果隐藏了内部特征信息只显示模型外壳，可起到保密作用；②模型经过轻量化后，对一些复杂的表面和细微特征进行了简化处理，能够大大减少模型的数据量，从而提高网络传输速度，方便植入移动设备；③轻量化模型具有更加简化的结构和较低的表面复杂度，在IETM 平台上操作模型，对移动设备的要求降低。

三维建模软件输出的.stp 文件保留了模型的全部信息，但体积较大，可以通过删除或简化内部特征来减小体积，这种压缩方式虽然能将模型体积变小，但会丢失很多信息并且操作复杂，实际植入电子手册后缺失了模型的许多关键信息，无法完整地体现电子手册的价值，因此在简化模型时尽量保留原始信息，只有必要保密要求时才进行删减。经笔者多次尝试找到一种简单的轻量化处理方法，只需使用CATIAComposer软件将建好的.stp 文件导入，如果有保密要求可相应删除部分内部模型，除此之外不用做任何处理，然后另存为.3ds 文件即可。经过这种转换后模型体积大大缩小且不会丢失相关信息，实验结果如表1 所示。

表1 模型格式转换后体积对比（单位：MB）

采用这种方法压缩模型的优势如下：一方面，利用.3ds 文件制作拆装动画非常方便；另一方面模型体积大大缩小，再将该文件转换为.vab 格式时体积也不会过大，植入IETM 时不会有太大问题。

2.3 三维模型处理流程

经过前面2 小节的讨论以及制作IETM 时的经验，笔者总结出了关于三维模型制作、转换格式、植入设备的整个流程，如图3 所示。首先，利用三维建模软件如UG、SolidWorks 等软件进行三维模型设计，完成后输出.stp 文件，便于不同软件交互时信息能够被完整保存；其次，将生成的.stp 文件输入至CATIA Composer软件中进行格式转换，将原始模型另存为.3ds 格式即完成了轻量化处理；最后，将轻量化后的三维模型输入至3D Builder 软件进行转换得到.vab 文件即可植入IETM 中直接阅读和使用，并且具备缩放、视角转换、零部件选择等功能，而将.3ds 文件输入至诸如CATIA、3DMax 等动画制作软件中则可方便地利用自动爆炸图或手动制作的方式完成模型的拆装动画，输出统一的视频格式后就能方便地植入IETM 中。上述流程从三维建模开始，直至模型植入IETM 设备前，完成了模型格式统一和轻量化处理，对于IETM 中三维模型的使用和处理提供了完整的思路。

图3 三维模型处理流程图

3 应用实例

根据上述三维模型植入电子手册前的处理要求，按照2.3 节提出的三维模型处理流程，以某电视摄像机为例，从前期三维建模开始，历经整个处理过程并将其植入IETM 移动设备中。首先利用UG 进行原始建模，然后利用CATIA Composer 进行模型简化和格式统一，再将简化后的模型通过3D Builder 软件转化为.vab文件，最后将.vab 文件植入IETM 移动设备中。各阶段成果如下：①利用UG 进行建模，并且输出.stp 装配体文件，图4 为原始装配体，其存储体积为14.5 M；②将电视的.stp 装配体导入CATIA Composer 软件，另存为.3ds 格式输出为轻量化的模型，其存储体积为3.19 M；③将轻量化的.3ds 模型导入3D Builder 软件转化为.vab 文件，并利用IETM 编辑软件导入移动设备中，最终在移动端展示效果，如图5 所示。

图4 电视摄像机原始模型

图5 轻量化模型植入IETM 效果图

4 结束语

本文简单介绍了IETM 的基本情况，其中三维模型的植入受到移动设备性能的限制，因此前期建模和模型简化工作显得尤为重要。详细讨论了三维模型的各种不同格式的优缺点，根据目前主流的建模软件认可的格式建议建模输出的统一格式为.stp 文件，并且根据模型轻量化要求使用了一种简单的格式转化及模型简化方法。实验结果表明，该方法能非常简便地压缩模型体积且不损失核心特征，最终总结出了整个三维模型植入IETM 前的处理流程，并以某电视摄像机为例，经过整个处理流程能够顺利植入IETM 设备中，表明经过该流程设计模型能够顺利植入IETM 中且不会因为模型本身影响移动设备的处理性能。