基于3Ds Max 和Unity3D 在管道領(lǐng)域的設(shè)計與應用

黃天翔 鄭譽煌* 余京曉

（1、廣東第二師范學院 物理與信息工程系，廣東 廣州510303 2、廣東第二師范學院 教務(wù)處，廣東 廣州510303）

近年來，我國在管道領(lǐng)域的技術(shù)持續(xù)發(fā)展，不斷地攻克難題為我們的日常生活和制造業(yè)帶來便利。隨著技術(shù)的增長，管道技術(shù)使用的頻率變高，范圍變廣，但對管道的檢修帶來了更大的考驗，也有龐大的需求。目前我國的舊的管道檢測方式，在時間和技術(shù)需求層面已經(jīng)跟不上這種需求了，這就需要新的檢測方式來替代，有利于完善我國目前的管道系統(tǒng)。我國的仿真技術(shù)目前已經(jīng)有了很大地提升，在許多領(lǐng)域都得到了有效的利用，我們的項目目的就是在管道領(lǐng)域利用仿真技術(shù)設(shè)計并結(jié)合增強顯示技術(shù)也就是人們熟知的AR（增強現(xiàn)實）技術(shù)，來構(gòu)建出現(xiàn)實生活中的管道系統(tǒng)，并且在不同的環(huán)境下顯示出對應的管道系統(tǒng)，利用這種直觀，立體的方式可以幫助工作人員很好的排查問題，更高效的解決問題。不僅如此，增強顯示技術(shù)還可以不需要到特定的環(huán)境進行的進行培訓，在炎炎夏日也可以在空調(diào)房內(nèi)利用我們的AR 技術(shù)進行立體化的學習，也可以更快速地實踐，不在局限于理論知識以及一成不變的測驗題，讓課后實踐變得更便捷，更讓人接受，可以做到學以致用，培養(yǎng)更多的專業(yè)人才。通過這樣的培訓方式，和檢修方式可以進一步的降低從業(yè)門檻，促進就業(yè)率，快速充實團隊力量，在全國廣泛分布為人民提供更好的服務(wù)，也更好的保障全國管道系統(tǒng)的正常運作。我們團隊經(jīng)過使用篩選后選擇了3DsMax 來進行初始的3D 仿真模型的構(gòu)造，并在構(gòu)建后利用Unity3D 導入標示圖實現(xiàn)在不同的環(huán)境下顯現(xiàn)出相應的管道系統(tǒng)，并利用Unity3D 生成可在PC 端，Android 端使用的軟件。本文將從模型的構(gòu)造，場景選取和識別，成品的獲得以及如何應用來闡述。

1 基于AR 的智能管道巡檢系統(tǒng)開發(fā)流程

1.1 3D 模型設(shè)計

3D 軟件數(shù)量也是非常多的，像是有中望3D，3DsMax，SolidWorks，Maya 等等。在這其中3DsMax 和Maya 隸屬于同一家公司Autodesk，因為同一領(lǐng)域內(nèi)的兩個軟件分屬一家公司，為了避免“內(nèi)斗”，將3DsMax 向設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展就像是室內(nèi)環(huán)境建設(shè)，模型設(shè)計這一類精細化的工作，Maya 就是負責制作影視特效，比如：影片中的爆炸，煙霧等粒子化的效果，學習起來耗時較長。中望3D 是國產(chǎn)的3D 軟件兼容性較好，而且貼近我們的理解方式，但是有個缺點就是沒有快捷鍵，不夠便捷，使用的效率有點低。SolidWorks 制作的流程較長，需要制作草圖在進行編輯，在進行大批量的制作時就顯得效率較低，在考慮了這些對于我們項目來說的優(yōu)點和缺點后，我們決定選擇3DsMax 作為開發(fā)工具。

在面向AR 的3D 模型設(shè)計上我們的目標是做到復刻現(xiàn)實，用目前能達到的技術(shù)，去打造管道連接，管道分布，管道類型，系統(tǒng)構(gòu)造以及管道的附屬物品構(gòu)造，在3D 軟件上做出一個標準的模型作為基礎(chǔ)，才能發(fā)揮這個模型在AR 領(lǐng)域出現(xiàn)時應該有的作用。另一方面就是要選擇一個AR 呈現(xiàn)軟件，基礎(chǔ)打好還需要合適的搭配和工具讓它在領(lǐng)域中表現(xiàn)出來，我們所用的就是太虛AR[1]。

1.2 AR 開發(fā)組件

AR 的開發(fā)組件選用的是太虛AR SDK，這個SDK 不同于其他公司的在于不僅能夠識別具體的場景，還能識別場景中真實的三維坐標信息，以達到虛擬內(nèi)容和真實環(huán)境的完全融合。能在現(xiàn)實環(huán)境中自由放置虛擬內(nèi)容，創(chuàng)造身臨其境的AR 體驗。不僅是在操作和視覺上的不同，在場景選取上也是非常的便捷，只需要拍攝一張圖放入，都可以進行識別，局限性小，在識別中還可以同時鎖定多個目標，以此來提高穩(wěn)定性，方便使用者觀察，不會因為手的顫抖而不斷變換，影響觀感。

1.3 Unity3D 開發(fā)流程

本項目的開發(fā)程序如下：

（1）安裝SDK，JDK。

（2）新建Unity 工程。

（3）導入SDK。

（4）拖入預制件“AR Camera”和unity 工程。

（5） 設(shè) 置AR Camera。將Marker Type 欄 選 取Image；Simultaneous Tacking 欄選擇1 使識別market 的識別數(shù)量為1。

（6）設(shè)置識別圖。要選用的圖片，要放在Assets->Streaming Assets 中。

（7）添加3D 模型Cube。可以選中cube 按鍵調(diào)節(jié)模型大小。

1.4 運行效果

在完成上面所有步驟后要進行調(diào)試，也就是要打開生成的APP 進行觀察，看看是否能夠正常運行，管道是否達到了預期。圖1 這是安裝并打開我們所生成的APP，并且識別到我們設(shè)置的標志圖的成品圖。

圖1 演示圖

從這幅圖中我們可以清晰地看出管道的構(gòu)成，并且在手機上使用是可以旋轉(zhuǎn)的觀看的，可以供檢修人員立體化的去觀察物體的表面情況并且排查問題。

2 技術(shù)推廣

2.1 日常生活

對于日常生活中所遇到的管道問題，大多數(shù)小區(qū)或是學校地下水管的斷裂，地下管道分布如此復雜，等著專業(yè)人士拿著管道圖來到分析，然后再用工具進行破土來進行操作，這個時間耗費過多，影響居住民的生活質(zhì)量會引起的不滿，以及水資源的浪費，特別是北方地區(qū)在寒冬以及夏日這種意外的發(fā)生相對來說頻繁。我們的技術(shù)恰好解決這種情況，在用攝像頭對著地面時可以顯示出地下管道的分布，及時的找出水管的位置，進行分析，及時的解決問題或者通知修理員進行修理，就可以及時地解決問題，而且只要用人單位簡單培訓再有些管道修理的基本知識和經(jīng)驗就能夠勝任，降低了就業(yè)的門檻。

2.2 工業(yè)環(huán)境

在工業(yè)層面的應用更為廣泛，工業(yè)管道是在工廠里生產(chǎn)工藝各流水線中,運送、連絡(luò)生產(chǎn)必須的原料、燃料、信號的各種氣體、液體、顆粒、纖維等的管道，那么它所使用的頻率更高，以及損壞后所產(chǎn)生的的經(jīng)濟損失更大，安全性問題也就更突出。在工廠內(nèi)必然不是單口或者單體運作，多個機器管道運作，而管道分布相當密集，很難準確的查詢，我們項目所開發(fā)的仿真管道技術(shù)可以通過編號以及顏色的差異準確的分類出不同的及其所屬管道和類型管道，若是發(fā)生了問題就是普通的工作人員也可以及時的去定位修復小的故障，不至于去排查時管道都不能找到，若是發(fā)生大的故障也可以及時通知專業(yè)修理人士，提供修理方向節(jié)約時間，減少損失，增大了安全性。

3 總結(jié)與展望

在本項目的設(shè)計以及實踐中，先從大體管道框架進行設(shè)計，再進入3DsMax 仿真軟件中進行建構(gòu)，完成了管道的三維建模，之后利用Unity3D 來定義掃描對象以及導出Android 的可用軟件，再從Android 端進行測試，測試的結(jié)果也符合我們制作的預期，不僅可以清晰地觀察到管道以及上面的字體還可以旋轉(zhuǎn)立體的觀察。在第二部分分析了在應用到日常生活中以及工業(yè)環(huán)境中的可能性，當然在日后發(fā)布軟件過后的使用過程中必然存在問題，我相信之后的這些問題可以幫助我們做的更好，可以為使用者帶來更好的服務(wù)和體驗。本次的項目要實現(xiàn)的就是讓大家可以擁有一雙“管道透視眼”。希望我們所做的仿真管道可以讓用戶們對管道以及管道周圍的設(shè)備有一定了解，可以提高生活中，工業(yè)上的管道使用安全并且節(jié)約所花費的時間成本以及帶來的經(jīng)濟和物資損失。

雖然目前我們已經(jīng)實現(xiàn)了對管道的模擬，以及立體觀察的目標，但是接下來我們還有許多的提升空間，以及想要完成的目標：

（1）可以不局限于手機上的立體展示，因為在手機上依舊存在角度上的局限和視覺上的不適，我們將下一步進行VR 上的構(gòu)造和呈現(xiàn)，讓在科幻電影《鋼鐵俠》上的技術(shù)在帶上VR 設(shè)備后成為現(xiàn)實。

（2）將對管道的細節(jié)繼續(xù)加工，無論是材質(zhì)以及邊角細節(jié)都接近于現(xiàn)實，并加上一些交互系統(tǒng)，可以更好地幫助使用用戶判斷安全情況并精確修復，帶來更好的體驗。