飛機三維數(shù)據(jù)可視化探究與實現(xiàn)

劉 寧

（中國商飛上海航空工業(yè)〈集團〉有限公司，中國 上海201210）

1 研究背景和意義

飛機的研制、生產(chǎn)是一個龐大的系統(tǒng)工程。在整個研制過程中，會產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)，人工處理這些數(shù)據(jù)將耗費大量的時間。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式，常常以單純的文本、表格等形式表現(xiàn)出來，不僅單調(diào)乏味，且界面復雜，導致用戶體驗不佳。而將數(shù)據(jù)以可視化的形式展現(xiàn)出來，可解決這一難題。通過Unity三維軟件,能夠?qū)w機三維數(shù)模呈現(xiàn)在平臺中，通過定位飛機的GIS地理位置，實時的獲取該位置的零件詳細信息，如FO、FRR、生產(chǎn)、試飛、試驗數(shù)據(jù)等，實時掌握飛機的研制狀況，及時的發(fā)現(xiàn)并解決問題。用戶還可以通過詳細的數(shù)據(jù)分析，制定下一步的研制、生產(chǎn)計劃，為整個項目節(jié)省人力和時間成本。

航空業(yè)作為最具代表性的高科技產(chǎn)業(yè)，是體現(xiàn)國家科技能力的重要標志。而我國航空業(yè)起步晚，困難多，時間緊迫。因此，我們需要一個先進、有效的手段，為整個研發(fā)的過程服務，縮短我們與發(fā)達國家的差距，或在不久的將來，能夠達到世界先進水平。因此，這個實現(xiàn)飛機數(shù)據(jù)的可視化展示，對航空業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1.1 飛機三維數(shù)據(jù)可視化應用簡述

通過Unity三維軟件,為飛機數(shù)模建立一個虛擬的三維場景，將整個飛機數(shù)模置入這一虛擬場景當中。可以篩選飛機的不同型號和飛機的外觀表現(xiàn)形式。以帶蒙皮形式展現(xiàn)，可以全360度觀察飛機的各個部段；以全機數(shù)模形式表現(xiàn)，可以觀察其內(nèi)部數(shù)據(jù)，全面了解飛機各個系統(tǒng)的位置、情況及工作進度。在平臺界面設計上，除了飛機三維空間展示，還有詳細的列表設計。在列表當中，實時提取了該飛機地理位置上的信息。如FO、FRR等。

在功能上，通過C#程序語言來實現(xiàn)界面上的交互操作。如通過的鼠標的一些列縮放旋轉(zhuǎn)等操作，來查看飛機的各級系統(tǒng)信息。

2 實現(xiàn)所需的軟件

2.1 Unity

Unity是由Unity Technologies開發(fā)的一個建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director,Blender game engine,Virtools或Torque Game Builder等利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)境為首要方式的軟件其編輯器運行在Windows和Mac OSX下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android平臺。也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽。它的網(wǎng)頁播放器也被Mac widgets所支持。

Unity被廣泛應用到航空航天、軍事國防、工業(yè)仿真、教育培訓、醫(yī)學模擬、建筑漫游等領域。一般稱之為Serious Games（嚴肅游戲）。在嚴肅游戲領域，Unity在很多方面具有非常明顯的優(yōu)勢，例如完備的引擎功能、高效的工作流程、更逼真的畫面效果、跨平臺發(fā)布及第三方插件等，這使得Unity在嚴肅游戲領域也廣受歡迎與關(guān)注。

2.2 C#語言

C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\行于.NET Framework之上的高級程序設計語言。并定于在微軟職業(yè)開發(fā)者論壇(PDC)上登臺亮相。C#是微軟公司研究員Anders Hejlsberg的最新成果。C#看起來與Java有著驚人的相似；它包括了諸如單一繼承、接口、與Java幾乎同樣的語法和編譯成中間代碼再運行的過程。但是C#與Java有著明顯的不同，它借鑒了Delphi的一個特點，與COM（組件對象模型）是直接集成的，而且它是微軟公司.NET windows網(wǎng)絡框架的主角。

3 用戶需求分析

經(jīng)過調(diào)研，收集各方用戶的需求，飛機三維數(shù)據(jù)可視化平臺目前主要滿足兩個需求：展示試飛試驗數(shù)據(jù)信息和顯示數(shù)據(jù)裝配大綱信息。

其中，試驗類別有：機上地面試驗、壓力試驗、密封試驗、APU燃油切斷閥試驗、導線綜合試驗、水箱排放試驗、剎車功能系統(tǒng)實驗、中央警告系統(tǒng)機上功能試驗等。

裝配大綱部分，以特定約束條件過濾，展示三維生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)。

3.1 界面設計

在界面設計上，設計師前期做好操作界面交給GUI開發(fā)人員。開發(fā)人員通過Unity軟件中的GUI工具，將圖標、圖片信息及菜單的設計原圖在平臺的虛擬場景上來實現(xiàn)，使用戶能夠直觀的選取自己所需要的模塊。

UI設計部分如圖1所示，以公司的企業(yè)標準色為基色，體現(xiàn)高科技感，使用扁平化設計風格，凸顯簡潔及易用性，節(jié)省分析師的時間成本。

圖1 公司人力資源情況

3.3 技術(shù)流程

先由討論組收集、明確用戶需求，然后將平臺架構(gòu)和主要功能明確，再開始由設計到實現(xiàn)平臺功能的過程。技術(shù)人員的構(gòu)成如下：

UI設計：負責整個平臺的整體風格，界面布局、圖標的設計和表現(xiàn)。

GUI設計：通過Unity軟件的GUI工具，將設計師的圖標、圖片等設計效果，通過GUI工具與C#開發(fā)語言相結(jié)合，在平臺空間中，搭建整個界面，并實現(xiàn)菜單的交互操作和飛機模型的顯示效果控制等。

軟件開發(fā)：將試飛試驗數(shù)據(jù)信息和裝配大綱信息，通過提取BI或其他平臺數(shù)據(jù)，在Unity軟件中實時查看、更新。

三維設計：將最新生成的全機三維數(shù)模，通過Deep Exploration、3Dmax、Maya等三維軟件，將數(shù)模優(yōu)化、精簡。同時還需渲染一個具有科技感和美感的虛擬環(huán)境，使飛機能在Unity創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中，以最佳和最快速的效果展示給用戶。

4 構(gòu)建與場景生成

一期搭建了三維數(shù)字可視化平臺，主要開發(fā)了兩個場景。選中左邊場景的飛機機頭部份，右邊的列表會顯示相關(guān)的生產(chǎn)進度、質(zhì)量、配送信息都展現(xiàn)出來。如圖2所示。

圖2 飛機裝配大綱信息

4.1 功能設置

（1）初步設計以下功能：

A）顯示三維對象信息(零部件、三維組合對象ID-零部件、位置等)；

B）生產(chǎn)節(jié)點（節(jié)點id）質(zhì)量、配套等信息；

C）為了增加飛機模型結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的可讀性，在飛機上增加標注。

（2）實現(xiàn)方式：

A）以零部件模型名稱，建立標簽（數(shù)據(jù)庫建立對應的label表，用來維護標簽信息，并增加類別、level等字段，外鍵：三維對象ID。）

B）為標簽設定level級別

C）按放大比例，用不同字號顯示不同level的標簽文字

D）高級功能（開發(fā)算法，智能改變標簽文字的顯示方式）

E）放大5倍時，僅顯示大部段名稱

F）放大至4倍時，顯示大部段名稱和系統(tǒng)名稱

4.2 模型優(yōu)化處理

通過Deep Exploration軟件中打開飛機原數(shù)模格式為.CRG格式的源文件,然后導出文件為.RH格式。

再次打開Deep Exploration軟件，打開.RH格式的文件進行查看，會發(fā)現(xiàn)模型量巨大，選取軟件中的模型屬性工具,察看該模型的具體點、線、面的數(shù)量的大小，選取軟件中的優(yōu)化工具，將模型按百分比優(yōu)化，再導出文件為.OBJ格式。

4.3 模型整合與導出

打開Maya三維軟件，導入之前保存好的.OBJ的文件。打開Display-poly count工具，查看模型的點、線、面的數(shù)量。如需要優(yōu)化，使用Mesh-reduce工具，調(diào)整優(yōu)化百分比，將模型量優(yōu)化到最合適的大小。

4.4 基于Unity3D引擎的虛擬環(huán)境渲染

利用Unity強大的渲染功能，可以在場景中營造一個逼真的環(huán)境效果。使用Lightmapping（光照貼圖技術(shù)）是一種增強靜態(tài)場景光照效果的技術(shù)，它可以通過較少的性能消耗使得靜態(tài)場景看上去更真實、豐富以及更有立體感；Unity使用的是Autodesk的Beast插件，并提供了相應的用戶界面，在Unity使用Lightmapping非常方便，利用簡單的操作就可以制作出平滑真實且不生硬的光影效果。

4.5 交互設計與實現(xiàn)

Unity內(nèi)置了完整的GUI系統(tǒng)，提供了布局、控件到皮膚的一整套GUI解決方案，可以做出不同風格和樣式的GUI界面，并且擴展性很強，用戶可以基于已有的控件創(chuàng)建出需要的控件。在整個三維可視化平臺的界面中，將預先設計好的界面、菜單、圖標等，使用GUI技術(shù)進行實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 將界面設計效果通過GUI實現(xiàn)

5 原型系統(tǒng)測試情況

目前，三維飛機可視化平臺已經(jīng)完成原型測試，并發(fā)布了1.0版。該版本主要完成了兩部分功能的實現(xiàn)：

（1）展現(xiàn)公司主要價值流和工作流程，將整個公司的工作流程，分為若干個模塊。

（2）建立飛機環(huán)境場景，渲染逼真的環(huán)境效果，以不同的展示形式展示飛機外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

點擊某個AO，顯示具體信息，內(nèi)容包括配套、質(zhì)量，F(xiàn)RR、列表，體現(xiàn)該AO裝配任務和實際操作中遇到的各種問題。

在測試已有功能的前提下，正研究如何將其他飛機相關(guān)的業(yè)務數(shù)據(jù)集成到飛機模型上來。例如是否可將首件檢驗，適航檢查，EO落實，CPS工藝規(guī)范等信息與飛機對接，展現(xiàn)飛機制造過程中的復雜程度及安全系數(shù)，為精細化管理提供多維分析平臺等。

6 結(jié)論與展望

我們處在大數(shù)據(jù)技術(shù)、可視化技術(shù)快速發(fā)展的時期，這對航空業(yè)的發(fā)展具有深遠的意義。通過本次飛機三維可視化平臺的研究和實現(xiàn)，能夠得出結(jié)論，將大數(shù)據(jù)進行可視化展現(xiàn)有如下幾種優(yōu)勢：

A）直觀地展現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時狀況；

B）合理地將枯燥乏味的數(shù)據(jù)以合適的形式感展現(xiàn)給用戶；

C）友好的操作界面、簡單易用的互動設計給用戶良好的用戶體驗。交互使得關(guān)鍵信息更加直觀地展現(xiàn)出來，重點更加突出。

綜上所述，通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化展示，能夠讓生產(chǎn)決策部門實時地進行生產(chǎn)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)和解決問題，并能幫助設計人員進行各方面的計劃和調(diào)整，從而大大縮短整個飛機的研制周期。該平臺目前還有一些功能正在開發(fā)和研究當中，這些功能也將對未來的研制工作大有幫助。

［1］徐智虹.基于三維可視化的路基特性監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)研究[Z].北京交通大學，機械工程,2012.

［2］相鵬,劉展，孫記紅,宋學鋒.三維可視化建模方法在位場模擬中的應用[J].計算機工程與應用,2009.

［3］Unity4.X從入門到精髓[M].中國鐵道出版社，2013.