基于虚拟仿真的民用大飞机客舱内饰创新设计初探

李禾煦 黄念一 龚子怡

摘要：随着科学技术的不断发展，人们探索新知识的方法逐渐多元化。设计从徒手手绘到建模渲染，再到现在能直接通过虚拟仿真技术让人身临其 境。虚拟仿真技术自20 世纪80 年代诞生，几十年的发展逐渐成熟，并逐步应用于各个领域，但在民航大飞机客舱内饰研究上还未得到充分发挥与体现。文章针对虚拟仿真技术应用于民用飞机内饰设计进行了初步探索，提供进行具有增强现实感受沉浸式的客舱内饰创新设计方法，在飞机客舱内饰设计的领域进行创新，探究飞机客舱内饰创新设计的可行性方法。

关键词：虚拟仿真 飞机内饰 人机交互 设计创新 Unity3D

中图分类号：J 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2023）20-0134-04

Abstract：With the continuous development of science and technology， the methods of exploring new knowledge are gradually diversified.Design from freehand drawing to modeling rendering，and now directly through virtual simulation technology to make people immersive.Virtual simulation technology was born in the 1980s，and has been gradually mature for several decades，and has been gradually applied in various fields. However，it has not been fully played and embodied in the research of cabin interior of civil aviation large aircraft.In this paper，the application of virtual simulation technology in civil aircraft interior design is preliminarily explored，and the innovative design method of cabin interior with augmented reality immersion is provided，and the feasibility of innovative design of airplane cabin interior is explored.

Keywords：Virtual simulation Aircraft interiors Man-machine interaction Innovation for design Unity3D

引言

CR929 是中俄国际商用飞机有限责任公司（筹）计划研制的中国首款大型客机，为我国首架参与自主研发的宽体客机，是我国继C919 后空客领域的又一重大突破。融入中华文化与国际风格，兼具创新、审美、舒适的客舱内饰设计有利于形成良好的中国名片，为我国航空产业升级、向航空大国进军的道路打下了坚实基础。虚拟仿真技术的研发与投入应用为设计领域提供了广阔的发展空间，然而目前国内在客舱内饰设计领域引入虚擬仿真技术的先例较少，本文以之为创新点，前景之广阔不容小觑。

一、虚拟仿真技术应用概述

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术所拥有的沉浸式本质能够让用户充分深入所处的场景，并在模拟感知的影响下行动。另一方面，虚拟仿真技术极强的交互性也为用户在虚拟环境下的行为自由度提供了支持。随着计算机技术的迅速发展，虚拟仿真技术逐渐发展成熟。目前，该技术已应用于游戏、教育、医疗、设计、商业活动等领域，甚至在军事模拟演习方面也发挥了重要作用。近年来， 虚拟仿真在设计领域的应用研究也如雨后春笋。基于虚拟仿真技术的数媒艺术创作令创作者可以在虚拟空间中流畅地表达个性[1]，与公共服务平台、云计算数据中心融合的智慧城市智慧家居让市民与城市规划面对面[2]。在此背景下，虚拟仿真技术在设计领域逐渐同设计师角色切换挂钩，个性化设计方案在增加了模拟定制这一UE 设计环节后，为创新创意设计指引了新方向。

飞机设计中的仿真技术应用体系在不同设计阶段均发挥着重要作用，而随着虚拟仿真的计算机系统逐渐发展壮大，科技发达的国家在飞机设计方面已经实现了对其的运用，促进了飞机设计水平的提高。例如，波音公司的V2 运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投入生产的。但是从整体的发展情况来看，虚拟现实技术并未在飞机的内部装饰设计方面得到很好的应用。

基于虚拟仿真技术的开发工具很多，但在功能特点和应用领域各有不同。对各平台进行调研时发现，目前虚拟仿真领域使用较多的有3 个平台：VRML、Cult3D 和Unity3D。在进一步的了解中，总结了以下表格作为功能比较进行选择。

由表1 可知，本项目立足于设计成果的展示和交互，且需要镜头场景的切换和较为逼真的渲染效果，因此综合考虑选用Unity3D 作为最终的开发工具。

二、民用飞机客舱内饰设计现状

（一）设计方法

目前国内外相关设计研究院及设计公司所用设计方法仍以计算机辅助设计样机为主，比如Tangerine 公司和上海飞机设计所的设计流程，如图1 所示为Tangerine 设计师坐在样机实物上讨论设计。

李童、徐江华等[3] 基于可供性理论为民航客舱内饰设计提供了新的角度，利用用户与设计环境之间的“触点”来将用户体验的整体感知转换成可以被分析的具象化内容。而可供性理论研究也为定量化客舱内饰交互设计提供了土壤。

而在民航客舱内饰设计评估方面，则有西北工业大学工业设计研究所、博洛尼亚大学工业工程系在设计方法方面的融合创新。

初建杰、张美璇等[4] 使用李克特量表和语义差异法对市场上最具代表性的民航客舱内饰配色及材质进行了主观意向实验，并将参与实验人群的反馈结果应用于设计，最后通过量表对该飞机客舱内饰设计的创新提供参考与引导。王伟伟、余隋怀等[5] 根据Fuzzy-AHP 算法开发了飞机客舱内环境设计评价系统，经导入设计方案并计算出各个设计指标的权重后，通过编程实现了客舱内饰设计评价结果。De Crescenzio F. 等[6] 采用结合Unity3D 程序开发技术的HCD 方法实现设计方案舒适度评估，并在CAVE 环境搭建中实现了客舱内饰环境的虚拟仿真，如图2 为参与者与储物箱交互。

（二）设计方案

如图3 为C919 客舱的内饰设计，以圆润、和谐为基本出发点， 采用前后通透的内舱设计辅以饱满的造型以及明快的色彩搭配，给人宽敞、舒适的视觉体验。前服务空间柔和的曲面穹顶配合情景照明以及动态极光变化，实现了独具一格的视觉效果。

如图4 为ARJ21 的客舱设计，改变了民航领域传统的圆弧造型， 线形简洁轻快，内饰空间匀称舒缓，具有良好的视觉扩张感，避免了狭管效应。在座舱布局上，ARJ21 飞机采用“3+2”的形式，自主设计的“蝴蝶”形服务空间和大行李箱设计，保证了每位乘客充分的自由空间。在细节设计上，富有动感的弧面天花板与客舱照明相辅相成， 创造了宽敞舒适的乘机环境。

阿苏尔航空是一家廉价航空公司，但其外观需要华丽且令人回味，强调经济性却绝不廉价。如图5 为阿苏尔航空A350 客舱内饰， 为了让经济舱、高级经济舱和商务舱3 个等级的客舱具有整体性效果， 机舱内需要采用多种颜色、装饰和材质。设计团队对标准的Stelia Solstys 座椅进行了巧妙的定制设计，带给商务舱旅客更舒适的体验。座椅储存区经过了重新设计，采用了典雅的皮革来包覆面板，配以阿苏尔航空浮雕标识。色调搭配采用深浅不一的蓝色，以温馨、引人入胜的方式呈现，突显了品牌形象。

三、基于虚拟仿真的客舱内饰创新设计流程

（一）设计方法总览

如图6 所示为基于虚拟仿真客舱内饰设计流程图

（二）基于Unity3D 的动画模拟实现

1. 虚拟仿真客舱环境搭建

为了让内饰方案符合CR929 客舱环境各项参数，因此在进行方案设计前，先将各方面得到的已知资料图片导入Unity3D 中进行沉浸式体验，设身处地感受座椅坐高、过道间距、行李舱扶手高度等方面数据，并初步开展以设计者为主要视角的可供性方案设计。

根据数据初步建立基础内饰样机后，利用Unity3D 所记录的CR929 客舱环境制作基础动画。Unity3D 等虚拟仿真开发平台主要支持3ds Max 的模型以及渲染效果和C#、JavaScript 等编程语言， 因此在效果呈现时，本文采用以模型动画为主，Inspector 脚本编辑器交互编程为辅的方法。

将模型导入后，最终将在Unity3D 中通过视角转换来模拟乘客的乘机流程，设计方案重点关注：（1）在满足立姿活动空间时行李舱舱门开合角度的动画仿真；（2）在满足人体坐姿双腿活动空间时商务舱座椅脚托升降动画仿真；（3）在满足人体脊椎弯曲和姿态变化时经济舱座椅靠背角度调节动画仿真。

在交互实现方面，利用Unity3D 作为虚拟仿真开发平台自带的漫游功能和碰撞检测技术可为客舱内饰方案人机交互提供支持，漫游功能以基于C# 语言的脚本辅助Main Camera 追踪实现。而交互界面则利用PS 等平面设计软件制作成型，导入开发引擎后利用光效、声音代码生成虚拟交互，并配合摄像机脚本进行触发转场。为达到更加沉浸式的漫游体验，避免Main Camera 与模型部件和环境产生干涉，需进行碰撞检测的设置。本文将场景中的动画按固定间隔划分为相等的时间片段，在每个片段结尾采用碰撞检测，以不漏掉每一关键时间帧。

2. 客舱内饰细节设计

完成虚拟仿真客舱环境搭建后，以环境初体验为基础确定了各项设计指标：将客舱内饰分为座椅、行李舱两大部分进行设计调研。调研发现，通用飞机内饰中图案应用得相对较少，特别是大面积图案应用，会使原本不宽敞的空间视觉上显得更加局促。但是，簡洁、细小而有规律的条纹或图形适度应用，却可以增加内饰的秩序感和装饰感。图案的应用一定要遵循对称与均衡、比例与尺度、变化与统一、节奏与韵律等美学设计原则，努力调整人们的视觉心理感受。考虑到对CR929 宽体大客机在国内和国际市场中的定位，商务舱、经济舱的外观造型设计与传统文化进行了充分结合。如图7 为具有中国传统样式的一款设计草案。

（1）商务舱在座椅把手部分设计有凸起的回纹样式，回纹作为较符合现代简洁审美的传统纹样[7]，象征着连绵不绝、福寿永康， 表达了对乘客此次旅程的美好祝愿。而靠枕的设计则借鉴了古代传统的方形枕，希望乘客能感受到如家一般的休息体验。

（2）经济舱的扶手设计则将连接部分镂空，使用祥云图案，寓意吉祥幸福的愿望以及对生命的美好向往。与CR929 机身相符合的红蓝撞色设计，使用低饱和度中国传统配色景泰蓝和山黧豆红，搭配以卷花草纹样防尘巾。

（3）阅读灯环绕以镂空回纹雕刻外壳，与商务舱座椅扶手遥相辉映却又不尽相同。由于阅读灯为圆形，回纹的设计以窗花剪纸为灵感，形成重复构成的设计样式。回纹镂空创造了局部化照明的条件， 便于营造出具有柔和光晕视觉的氛围感的光影效果，在灯光设计中， 类似的照明效果会给灯下阅读或使用电子设备的乘客带来更加舒适平和的心理感受。

（4）行李舱扶手则借鉴中国传统门锁样式——如意云纹，既象征着锁住一生平安如意、寄托美好祝福和祥意，又和经济舱扶手祥云图案相呼应，形成和谐统一的客舱内饰设计氛围。另外，该形状扶手后的正负卡扣设计在便于开舱存放行李的同时，也便于起飞前空乘人员触摸检查舱门关闭状况。

飞机座椅的舒适性的好坏也包括很多方面，比如座椅本身的造型设计是否符合人机工学，座椅所用的材质是否舒服，飞机座椅的布局是否合理，乘客的活动范围是否合适等。

根据人机工程学家研究，人体坐着最省力的角度是135°。从图8 脊椎弯曲和姿态图可以观察出，各种坐姿中C 状态下脊椎弯曲形状与脊椎生理曲线最为接近。所以航空座椅在设计时按照C 姿态进行[8]。大部分飞机经济舱座位的标准间距，为32 英寸（81.3 厘米）， 公务舱为38 英寸（96.5 厘米）；而前排椅背到本排坐垫的距离大约是10 英寸（25.4 厘米）。

经济舱座椅在设计时，特于座椅背部适当高度安排法向“生理弧度”，一方面可以保证后排乘客腿部自由活动时双膝足够的舒适空间，并可为前排乘客提供符合人体坐姿脊椎健康需求的依靠。工程方面，“生理弧度”的设置可防止座椅受力时靠背处应力集中， 起到更好的支撑作用，保障客舱座椅的安全性。

商务舱的座椅头枕灵感来源于古时的绢枕，整体较现有飞机座椅头枕来说更为方正，便于创新性地引入“三向枕”概念，即上、左、右变方向调整头枕角度。对人体坐姿颈椎活动空间的关注亦迎合了商务人士的差旅需求，为CR929 商务舱功能设计画龙点睛。

3.3dsmax 建模

为了在Unity3D 中实现虚拟现实动画，首先需要按照设计构想在Rhino 中进行座椅和壁板的建模，并在3DsMax 中贴材质进行渲染。

鉴于本文的创新方向之一是外观造型，因此在赋予模型材质时， 又加入了另外两种备选方案进行交叉搭配实验，以更好地模拟乘客在使用VR 眼镜时的个性化操作。并利用VRay 灯光模拟不同时间场景的客舱内饰全景以及材质在该种环境下的变化，以评估座椅、舷窗壁板设计对乘客乘坐体验的影响。如图9、10 为Rhino 中的内饰模型与3dsmax 渲染效果。

4. 模型方案导入制作

完成内饰方案设计后，回到初步搭建好的CR929 客舱环境中进行模型导入，并调整Main Camera 位置距离参数，控制摄像机移动方位，如图11 为Unity3D 编辑界面。而为了实现更加逼真的交互效果，又加入了第一人称视角双手姿势来模拟乘客或空乘人员调整座椅、开关行李舱的动作。

5. 设计成果评估

导出设计方案后，邀请设计成员以及志愿者进行VR 环境下的操作试验。操作流程大致分为如图12 为虚拟仿真环境下的操作，在实验过程中，参与人员反馈了包括座椅角度、行李舱把手操作等在内的方案问题以及程序交互界面和流畅度问题。经后续调研和讨论发现， 在预算充足的情况下，使用CAVE（洞穴自动虚拟环境）技术，部分分离显示端与操作端，使交互程序镜像化，可以营造一个三维感知环境，令参与者拥有更加沉浸式的交互体验。

而方案问题的反馈在配合可视化的虚拟仿真环境条件下，更利于设计成员及时调整现有设计方案。如行李舱截面的再设计和内饰方案效果更新。

30 位受试者中，有16 人认为“行李舱高度合适”，但有超过10 人认为“开关舱门体验较差”，另外，在认为“高度合适”的16 人中，有9 人认为“舱门打开角度不合适”。经反馈代入，发现为行李舱中部宽度过窄导致开关舱门受限，因此改变了方案中行李舱截面造型、舱门曲线角度等参数。而就内饰配色而言，参与者则在实验中提出了不同的观感。为了方便后续工作的开展，基于5 分Likert 量表制作了如表2 所示的对于客舱内饰色彩纹样描述同意程度的问卷。其中项目最关注的描述有“座椅配色让我视觉上很舒适”“阅读灯的镂空效果让我的阅读顺利进行”“座椅的纹样让我感到放松与平静”，而问卷结果显示，在座椅配色方面，约有7 位受试者选择了“较为不同意”；座椅纹样方面，约有6 位受试者选择了“较为不同意”。以量表结果为基础，项目另深入开展了小组访谈，依据所得建议意见， 成员针对色彩饱和度、纹样繁复度又进行了内饰方案的改进。

四、基于虚拟仿真的客舱内饰创新的设计意义

结合本项目的初步研究，相比于传统桌面端的交互界面，虚拟仿真的沉浸式交互界面能够利用参与者的立体视觉展现数据，将数据表达空间从二维平面转向模拟客舱的三维空间。虚拟仿真创新更提供了设计的可移动性，由于航空产品设计生产的同步性和因子调研的滞后性，设计师不可能真正站在飞机内因地制宜开展设计工作。另外，平台提供如手势等自然的交互方式，甚至可以提供触觉（例如抓握行李舱把手）、嗅觉等交互通道，让参与者利用多通道自然而并行地与数据交互。因此虚拟仿真为客舱内饰设计创意的萌发提供了良好的土壤。

本文所构造的3D 模型产品在虚拟VR 环境中进行演示的项目方案，利用采集的真实数字搭建的模拟系统，在设计者和使用者之间进行便利的角色切换，增强设计师或使用者与设计环境之间的交互， 可以讓设计人员更好地了解空间中的功能、尺度、用途以及材质的变换，探究方案设计与设计实际落地之间是否存在问题与隐患，真正让内饰设计做到为用户着想。在虚拟现实平台中进行客舱内饰的设计， 各部件皆共享同一个虚拟环境。在系统中采用虚拟原型，从而减少了设计图像和创新型内饰进入市场的时间，这样，方案在生产之前就可以进行客舱样机的估算和测试，并且大大地提高了方案质量。

结语

虚拟仿真技术可以快速达到降低实验成本和风险，并且实现良好的人机交互体验。本文创新性地将发展较为成熟的游戏设计同环境设计相结合，利用虚拟仿真平台生成交互动画，模糊设计师与使用者间的界限。旨在打造融入VIS 设计特点，最大程度上呈现CR929 宽体客机中华文化特色与国际视野，并结合客户体验、人机交互相关方案形成包含客舱人机设计、造型设计、色彩设计3 个环节在内的创新型设计，为中国民航领域客舱内饰设计提供新的设计手段和思路。

参考文献

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[2]吕明.韩毅.孙薛.虚拟现实技术在构建幸福沈阳智慧城市领域中的应用研究 ——以智慧家居为例.[J].设计.2017（15）：46-47.

[3]李童，徐江华，任钟鸣.基于可供性理论的民用飞机客舱内饰设计研究[J].美术教育研究，2022（05）： 130-132.

[4]初建杰，张美璇，王磊，王佳悦，俱雅芳.基于感性意象的飞机客舱座椅色彩和材质设计研究[J].机械设计，2020，37（02）：126-130.

[5]王伟伟，余隋怀，初建杰，杜鹤民.基于Fuzzy-AHP的飞机客舱内环境设计评价[J].航空制造技术，2010 （10）：80-84.

[6]De Crescenzio F，Bagassi S，Starita F. Preliminary user centred evaluation of regional aircraft cabin interiors in virtual reality. Sci Rep. 2021 May 6；11（1）：9662. doi：10.1038/s41598-021-89098-3. PMID：33958666；PMCID：PMC8102571.

[7]文江玉.杨霞.传统纹样在现代家具中的应用.[J].设计.2017（17）：52-53.

[8]江国华.25部飞机客舱内部分设备的适航性要求，民航上海航空器审定中心2008.05-R5