基于AR 的教練機內部結構演示的成像原理與設備搭建★

楊天一，施 浩，劉德凡，陳巍巍

（上海工程技術大學航空運輸學院/飛行學院，上海 201620）

1 研究背景

3D 投影技術也稱虛擬成像技術，是當下用于科普方面最為流行的人工成像技術。該項技術利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。有著無需佩戴任何輔助設備即可看到立體三維圖像的功能優勢，給人們帶來震撼的視覺體驗。

初教-6 是20 世紀50 年代末期中國自行研制的螺旋槳式初級教練機。該機長期服役于我國空軍及地方航校，是中國空軍初級教練機主力機型。為后續教練機的生產和加工提供了原產力，并在中國民用航空史上留下了濃墨重彩的一筆。像這樣珍貴的初級教練機對于航空專業的學員來說也一定是極富有感染力的藝術品，但是其長時間與空氣接觸，最初的一批模型出現氧化褪色和折舊報廢等老化現象。如今，全息投影技術可以對藝術品進行拍攝成像，制作成三維立體圖像，用于人們觀賞。這樣不僅可以避免藝術品的破壞，還不影響人們觀賞。本文借助AR 系統開發了一套整合演示初教-6 教練機的外形結構，增強現實和視覺沖擊，將初教-6 教練機以最真實且美觀的效果進行還原并帶到大眾面前。認識實習這種科普教育，教學的形式往往流于表面，即簡單地對已有的實物飛機參觀，那些沒有實物的飛機則只能通過圖片或者文字的形式來讓學生了解。這種科普形式就導致學員無法更加真實地體驗和觀察到那些曾經在航空史乃至世界航空史意義重大上的飛機實體與內部結構。

因此，本文的目標即為建立一款具有交互功能的虛擬仿真系統，使用戶可以全方位細致地觀察這臺教練機的結構，以此達到優化教學的目的。如何將計算機軟件構建出的模型通過三維效果展示出來，這對開發者建模的精細度和精確度以及演示平臺的真實性有著很高的要求。當下的AR 技術，即為將虛擬和現實結合起來的技術，在計算機上錄入一些數據生成模擬環境，在特定的儀器以及鏡面材料的投放下，給大眾一種裸眼3D 的效果，達到增強現實的目的。在國內，相關的成像設備已經運用在繪圖課堂教學[1]、革命故事影像設計[2]、沉浸式視覺研究[3]、數字媒體設計[4]以及視覺真實性的關鍵[5]。

2 項目制作

2.1 成像方案設計

成像作為一種對樣本的造影技術，需要各個層次的光學技術相互配合，利用光學的某些性質，維持樣本的特性并成像。在成像方案的選擇中，本文選用了透鏡成像，即由實際光線相交形成實像，并由光線的反向延長線相交形成虛像。但兩者成像為實像與所需的的裸眼3D 功能背道而馳，并且凹面鏡難以實現加工折疊的工作，因此后續改用了鏡面成像，即選用可以透光同時反射形成虛像的半透光式鏡面材料，通過計算相應的角度，讓其形成一個四棱錐式的反光成像體，也就是光的干涉條紋現象。此時再將做好的飛行原理動畫導入到屏幕中，計算影像的相對位置和距離，使其在四個方向分別將光攝入鏡面覆膜材料中，使得四棱錐成像體的每一個面分別生成一個維度的虛像，再通過精準的計算讓四個維度的虛像在空間內的某個區域重疊，產生3D 影像的效果。模擬成像示意圖如下頁圖1 所示。

圖1 3D 影像成像方案

2.2 硬件設備選擇

利用可塑性好、反光效果好且透光的PEC 鏡面覆膜材料，通過剪裁、折疊、黏合等操作對鏡面覆膜材料進行反復加工，并計算相對應的角度和數據將其設計成四棱錐狀成像體，并按一定比例去除四棱錐頂尖部分形成小孔，使得電子屏幕里的樣本可以通過小孔進入鏡面材料內，通過各個鏡面反射形成虛像，并將四個虛像在空間中某一位置完整重合，使所成的像更加清晰準確。為了完成以上的操作，還需使用到一塊正方形電子屏幕作為播放設備，并對四棱錐狀成像設備計算的數據如下：反光面——頂角72°，底角54°，底邊30 cm；四棱錐——母線與底面成57.3°，高度19 cm；電子屏——邊長30.5 cm。

上述數據中長度的計算目的在于將搭建好的成像設備能夠完整地覆蓋電子屏幕，并通過高度的中心對稱結構，方便小組成員計算每個虛像的空間位置，角度的計算目的在于保證將光攝入膜板后的成像形狀更真實，避免由于光的折射導致成像的某個部位存在長度偏差，也為四像重疊的工作進行了鋪墊和保障。成像體初步搭建圖如圖2 所示。

圖2 成像體初步搭建

2.3 AR 場景搭建

利用Adobe Premiere 2021 將錄制好的飛行原理動畫分別在上下左右四個位置通過0°、90°、180°、270°四個維度向對稱中心環繞展示，在Adobe Premiere 2021 軟件內，控制每一個動畫的尺寸為43.6 個單位，通過坐標的計算設計其與中心距離均為212 cm。將在四棱錐成像體尖部做好的圓孔，通過計算使其圓心位置與計算機屏幕的中心位置重合，使得對應在屏幕上的動畫中心與屏幕中心距為9.745 cm，使得裸眼視角內看到的虛像中高度大致約為10.5 cm，保證其裸眼視角的真實性和美觀性，同時達到增強視覺沖擊的效果，并且該步驟的完成為后續將模型導入AR 設備中調整位置、大小以及角度做好了準備工作。

需要提到的是，四棱錐成像體是鏡面覆膜材料，和電子屏幕之前難免存在滑動摩擦的現象，難以保證設備工作時成像能夠穩定重合。因此，利用透光式亞克力板制作塑料框架，覆蓋在成像體上方，就起到固定作用并讓設備整體更有框架感。同時，利用乳白色亞克力板制作不透光式框架底座，環繞在電子屏幕周圍，便可以進一步保證遮光性，減小入射光的亮度損失。兩個塑料框架的搭建和安裝保障了本套AR 設備的嚴謹性和穩定性，為裸眼3D 視覺效果的呈現提供了基礎。圖3 為AR 成像設備基本外觀。

圖3 AR 成像設備展示

2.4 3D 模型導入

將事先在3ds Max 軟件中制作錄制完成并在Pr軟件中處理好的3D 模型動畫上傳至演示設備主機中，這些視頻包括，內部駕駛艙、發動機、儀表及通訊設備、起落架等裝置和整套初教六教練機模型及其相關動作，利用先前工作中在Pr 軟件里調整好的數據，便可在AR 設備當中展示出一個具有3D 效果且可環繞轉動的初教六教練機模型。通過后續交互功能的實現，學院可以自行抓取飛機的各個角度，并且有層次地遞進到飛機內部，對駕駛艙，發動機等裝置進行全方位3D 視角的觀察。還可以觀看3D 演示動畫，包括飛機的升降，滾轉，偏航等。以上3D 動畫均可在AR設備中進行四周環繞播放。圖4 和下頁圖5 為飛機3D 投影環繞效果演示圖。

圖4 飛機整體3D 投影環繞效果演示

圖5 飛機副翼的收放3D 效果演示

2.5 實現交互功能

將模型動畫全部導入AR 設備中后，通過手機與相應主機屏幕的無線連接開啟多屏協同功能，即可實現一系列可操控且可調整的飛行原理的部件的3D動畫展示。建立這種交互功能可以讓學員對3D 動畫進行實時的操控，例如學員可以通過在手機中拖拽教學動畫的播放進程條來實現AR 設備中影像的角度轉換，還可以將視角拉進教練機內部，一地金的方式有層次地拉取教練機內部的各個部件組成，也可以有選擇性地抓取出想要觀看的某一個指定部件的3D動畫，進行更有目的性的觀摩和學習。圖6 為手機多屏協同交互端效果演示圖。

圖6 手機多屏協同交互端效果演示

3 結語

當下航空教育資源短缺的關鍵原因，是開發飛機認知實習的用戶少且成本高。本文提出通過AR 設備的介入，目的在于將教練機最精細化的帶到大眾面前，讓所有領域人員都能對其有一個全面的認識，實現科普的作用，并且由于飛機專業性強、用戶少、成本高、沒有廠家樂意開發，目前網上也無法找到相關教學系統供學員使用，導致學員對該系統似懂非懂，達不到所要求的知識與能力提升，本文中全息投影技術，將數據整合在系統中并用直觀的方式表達出來，彌補了當前飛機教育短缺的問題。使得飛機科普方面以及教育課程不再具有專業領域限制，可以減少開發成本，提高效率，使非專業領域的學生可以進行有興趣的科普認知，是專業領域的學生可以更有效地了解到駕駛艙內的儀表系統以及通訊設備。本項目的應用前景不止航空領域，其建立模型導入到設備后的3D效果有高度真實性，也可用于博物館進行文物展覽，可避免氧化折舊的問題；也可用于院校實習，避免加工過程受傷的現象。