交互式電子技術(shù)手冊(cè)中三維模型的應(yīng)用研究

王怡恬，陳 靜，王本國(guó)，張向陽，徐旺華，夏元杰

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

基于手持設(shè)備（便攜式平板電腦）開發(fā)的IETM（Interactive Electronic Technical Manual，交互式電子技術(shù)手冊(cè)）采用數(shù)字化、信息化、三維模型等技術(shù)手段，可輔助操作人員學(xué)習(xí)和掌握武器裝備、輔助判斷裝備故障及對(duì)裝備進(jìn)行維護(hù)等，提高操作人員的訓(xùn)練和保障效率[1]。由于其采用交互式的方式將裝備保障信息集成在平板電腦上，使用人員能更方便地查閱信息和維護(hù)裝備，目前已在許多領(lǐng)域中得到推廣應(yīng)用。

1 IETM 基本情況

IETM 遵循S1000D 技術(shù)規(guī)范，通過建立并開發(fā)技術(shù)出版物協(xié)同編制管理系統(tǒng)，從收集原始資料、系統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)劃、結(jié)構(gòu)編碼規(guī)劃、數(shù)據(jù)模塊編輯、模塊重組、技術(shù)手冊(cè)發(fā)布等方面處理。包括技術(shù)內(nèi)容（含技術(shù)插圖、多媒體素材等）編著、管理、更改、發(fā)布和用戶意見反饋處理等，使裝備技術(shù)出版物全生命周期的各類工作達(dá)到信息化、知識(shí)化和自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)以交互的方式進(jìn)行查閱，將文字、表格、圖像、聲音、視頻、動(dòng)畫等多種信息形式在平板電腦上以最優(yōu)方式呈現(xiàn)給用戶。

IETM 具有以下幾個(gè)基本功能：①通用的顯示界面；②支持技術(shù)手冊(cè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)航目錄樹；③圖文對(duì)照瀏覽、圖文混排瀏覽；④手冊(cè)內(nèi)及手冊(cè)之間文字、圖形的鏈接調(diào)用；⑤關(guān)聯(lián)信息顯示設(shè)計(jì)；⑥可支持語音、視頻等多媒體格式；⑦可通過文字交互、人機(jī)問答、自動(dòng)過濾等方式進(jìn)行故障診斷，引導(dǎo)決策；⑧支持智能圖形、熱點(diǎn)鏈接；⑨可進(jìn)行靈活的信息檢索。

圖1 為IETM 的導(dǎo)航目錄樹。這種交互式電子手冊(cè)能夠通過不同目錄層級(jí)的搜索及手冊(cè)內(nèi)部材料的相互調(diào)用，方便用戶操作和使用。

圖1 IETM 的導(dǎo)航目錄樹

IETM 制作流程如圖2 所示，可分為結(jié)構(gòu)分解、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)管理及生成IETM 共4 個(gè)階段，并且在制作過程中這4 個(gè)階段是根據(jù)裝備生產(chǎn)現(xiàn)狀不斷進(jìn)行交互和更新的。

圖2 IETM 制作流程圖

2 三維模型處理

在IETM 制作過程中，數(shù)據(jù)管理中關(guān)于文字和圖片的處理都相對(duì)簡(jiǎn)單，而為了操作人員更加簡(jiǎn)便和直觀地使用，三維模型的處理就顯得至關(guān)重要。不同軟件建立的模型格式不同，為了符合IETM 標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)模型的格式進(jìn)行統(tǒng)一；并且三維模型如果體積過大會(huì)大量占用移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存，影響其演示性能，使得操作人員無法快速讀取模型，因此需要對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理。以下將對(duì)這2 個(gè)問題進(jìn)行討論。

2.1 三維建模格式統(tǒng)一

目前比較流行的三維CAD 軟件有Pro/E、SolidWorks、CATIA、UG 等，這些三維CAD 軟件有各自的優(yōu)點(diǎn)，并在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。目前常用的三維模型文件格式包括.stl、.igs、.stp、.3ds等[2]，討論三維模型格式統(tǒng)一是為了讓開發(fā)人員使用不同的三維軟件建模時(shí)，模型能夠通用，從而便于互相導(dǎo)入編輯，并且最終建立好模型后能方便地轉(zhuǎn)換為電子手冊(cè)能識(shí)別的格式。

.stl 文件是在計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用系統(tǒng)中，用三角網(wǎng)格來表現(xiàn)三維模型的一種文件格式。但是導(dǎo)出.stl 格式時(shí)往往會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)存很多個(gè)小文件，對(duì)于稍復(fù)雜的三維模型甚至?xí)詣?dòng)分化為成千上萬個(gè)小文件，對(duì)后續(xù)工作帶來很大麻煩。

.igs 格式往往只注意了圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而忽略了其他信息的轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致兼容性很差。由不同軟件生成的.igs 文件相互讀取的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)破面、信息不全、無法讀出實(shí)體等問題。

.stp 是三維建模中比較常用的文件格式，該格式兼容性好，在各軟件中轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)大量丟失。目前通過大部分三維建模軟件建立的三維模型都可以導(dǎo)成.stp 格式。

.3ds 是3Dmax 建模軟件的衍生格式，可用于渲染。由CATIA 或Sketchup 制作的三維模型可以直接導(dǎo)出為.3ds 格式。

主流的三維建模軟件大部分都可輸出.prt、.igs、.stp、.dwg 和.x_t 等格式。.prt 格式一般是單個(gè)零件，.dwg是二維圖紙，雖然UG 和SolidWorks 可以輸出.x_t 格式但是CATIA 等軟件無法讀取該格式，因此能夠通用的三維模型格式就是.igs 和.stp 格式。由于.igs 文件在互相讀取轉(zhuǎn)換的過程中經(jīng)常出現(xiàn)信息不全的情況，而.stp 文件兼容性好且不會(huì)大量丟失數(shù)據(jù)，因此推薦在三維建模時(shí)統(tǒng)一輸出為.stp 文件。

IETM 中植入的模型要求是.vab 格式，需要利用3D Builder 軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但最終為了植入移動(dòng)設(shè)備中模型體積不能過大，這就需要在轉(zhuǎn)換植入模型前對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化處理。

2.2 三維模型輕量化處理

一般的三維建模軟件都具備模型縮放、視角變換、零件選擇等功能，同樣的在IETM 中植入三維模型后也要求具備縮放和視角變換等基本功能，這些操作都將占用內(nèi)存資源。

大型裝配體三維模型體積可能達(dá)到上百兆，這些數(shù)據(jù)量巨大的數(shù)字化模型會(huì)在設(shè)計(jì)使用過程中產(chǎn)生一些問題，具體如下：①模型的數(shù)據(jù)量過大，導(dǎo)致在計(jì)算機(jī)操作中實(shí)時(shí)性差，影響三維模型的運(yùn)動(dòng)仿真和檢查；②模型數(shù)據(jù)量過大影響其在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度；③某些大型裝配體信息量充足，但涉及一些保密要求時(shí)應(yīng)去除相應(yīng)的內(nèi)部特征信息，從而保證內(nèi)部技術(shù)不被泄露。為了解決以上問題，一般需要對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化處理，而IETM 采用移動(dòng)設(shè)備，其硬件性能和處理能力都不能與電腦相提并論，如果要求IETM操作流暢不卡頓勢(shì)必要將三維模型體積壓縮，生成簡(jiǎn)化模型來代替原始模型參與設(shè)計(jì)，從而使其占用最小的內(nèi)存資源[3]，能夠順利植入IETM 平臺(tái)中。

對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化處理要滿足以下幾個(gè)要求：①輕量化模型必須首先保證在移動(dòng)設(shè)備上的瀏覽體驗(yàn)，由于移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算和圖形渲染能力相對(duì)有限，為了保證良好的瀏覽體驗(yàn)，模型必須具有較快的顯示速度，能夠滿足實(shí)時(shí)交互的需求；②輕量化過程一般會(huì)對(duì)產(chǎn)品模型的幾何信息進(jìn)行簡(jiǎn)化和壓縮，并對(duì)尺寸、屬性、配合、參數(shù)等信息進(jìn)行簡(jiǎn)化提取，但是這個(gè)過程不能破壞模型的可用性；③由于移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)和內(nèi)存容量都較小，因此輕量化的模型必須具有較小的存儲(chǔ)體積，從而減少移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)存占用。

對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化處理后有很多優(yōu)點(diǎn)，具體如下：①如果隱藏了內(nèi)部特征信息只顯示模型外殼，可起到保密作用；②模型經(jīng)過輕量化后，對(duì)一些復(fù)雜的表面和細(xì)微特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，能夠大大減少模型的數(shù)據(jù)量，從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，方便植入移動(dòng)設(shè)備；③輕量化模型具有更加簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)和較低的表面復(fù)雜度，在IETM 平臺(tái)上操作模型，對(duì)移動(dòng)設(shè)備的要求降低。

三維建模軟件輸出的.stp 文件保留了模型的全部信息，但體積較大，可以通過刪除或簡(jiǎn)化內(nèi)部特征來減小體積，這種壓縮方式雖然能將模型體積變小，但會(huì)丟失很多信息并且操作復(fù)雜，實(shí)際植入電子手冊(cè)后缺失了模型的許多關(guān)鍵信息，無法完整地體現(xiàn)電子手冊(cè)的價(jià)值，因此在簡(jiǎn)化模型時(shí)盡量保留原始信息，只有必要保密要求時(shí)才進(jìn)行刪減。經(jīng)筆者多次嘗試找到一種簡(jiǎn)單的輕量化處理方法，只需使用CATIAComposer軟件將建好的.stp 文件導(dǎo)入，如果有保密要求可相應(yīng)刪除部分內(nèi)部模型，除此之外不用做任何處理，然后另存為.3ds 文件即可。經(jīng)過這種轉(zhuǎn)換后模型體積大大縮小且不會(huì)丟失相關(guān)信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 模型格式轉(zhuǎn)換后體積對(duì)比（單位：MB）

采用這種方法壓縮模型的優(yōu)勢(shì)如下：一方面，利用.3ds 文件制作拆裝動(dòng)畫非常方便；另一方面模型體積大大縮小，再將該文件轉(zhuǎn)換為.vab 格式時(shí)體積也不會(huì)過大，植入IETM 時(shí)不會(huì)有太大問題。

2.3 三維模型處理流程

經(jīng)過前面2 小節(jié)的討論以及制作IETM 時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)出了關(guān)于三維模型制作、轉(zhuǎn)換格式、植入設(shè)備的整個(gè)流程，如圖3 所示。首先，利用三維建模軟件如UG、SolidWorks 等軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，完成后輸出.stp 文件，便于不同軟件交互時(shí)信息能夠被完整保存；其次，將生成的.stp 文件輸入至CATIA Composer軟件中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將原始模型另存為.3ds 格式即完成了輕量化處理；最后，將輕量化后的三維模型輸入至3D Builder 軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到.vab 文件即可植入IETM 中直接閱讀和使用，并且具備縮放、視角轉(zhuǎn)換、零部件選擇等功能，而將.3ds 文件輸入至諸如CATIA、3DMax 等動(dòng)畫制作軟件中則可方便地利用自動(dòng)爆炸圖或手動(dòng)制作的方式完成模型的拆裝動(dòng)畫，輸出統(tǒng)一的視頻格式后就能方便地植入IETM 中。上述流程從三維建模開始，直至模型植入IETM 設(shè)備前，完成了模型格式統(tǒng)一和輕量化處理，對(duì)于IETM 中三維模型的使用和處理提供了完整的思路。

圖3 三維模型處理流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)上述三維模型植入電子手冊(cè)前的處理要求，按照2.3 節(jié)提出的三維模型處理流程，以某電視攝像機(jī)為例，從前期三維建模開始，歷經(jīng)整個(gè)處理過程并將其植入IETM 移動(dòng)設(shè)備中。首先利用UG 進(jìn)行原始建模，然后利用CATIA Composer 進(jìn)行模型簡(jiǎn)化和格式統(tǒng)一，再將簡(jiǎn)化后的模型通過3D Builder 軟件轉(zhuǎn)化為.vab文件，最后將.vab 文件植入IETM 移動(dòng)設(shè)備中。各階段成果如下：①利用UG 進(jìn)行建模，并且輸出.stp 裝配體文件，圖4 為原始裝配體，其存儲(chǔ)體積為14.5 M；②將電視的.stp 裝配體導(dǎo)入CATIA Composer 軟件，另存為.3ds 格式輸出為輕量化的模型，其存儲(chǔ)體積為3.19 M；③將輕量化的.3ds 模型導(dǎo)入3D Builder 軟件轉(zhuǎn)化為.vab 文件，并利用IETM 編輯軟件導(dǎo)入移動(dòng)設(shè)備中，最終在移動(dòng)端展示效果，如圖5 所示。

圖4 電視攝像機(jī)原始模型

圖5 輕量化模型植入IETM 效果圖

4 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)單介紹了IETM 的基本情況，其中三維模型的植入受到移動(dòng)設(shè)備性能的限制，因此前期建模和模型簡(jiǎn)化工作顯得尤為重要。詳細(xì)討論了三維模型的各種不同格式的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)目前主流的建模軟件認(rèn)可的格式建議建模輸出的統(tǒng)一格式為.stp 文件，并且根據(jù)模型輕量化要求使用了一種簡(jiǎn)單的格式轉(zhuǎn)化及模型簡(jiǎn)化方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能非常簡(jiǎn)便地壓縮模型體積且不損失核心特征，最終總結(jié)出了整個(gè)三維模型植入IETM 前的處理流程，并以某電視攝像機(jī)為例，經(jīng)過整個(gè)處理流程能夠順利植入IETM 設(shè)備中，表明經(jīng)過該流程設(shè)計(jì)模型能夠順利植入IETM 中且不會(huì)因?yàn)槟Ｐ捅旧碛绊懸苿?dòng)設(shè)備的處理性能。