任棟梁 關(guān)守東 楊佳強 宋時雨 李梓航

摘 ? 要：將增強現(xiàn)實技術(shù)與移動設(shè)備結(jié)合，能使許多工程領(lǐng)域抽象、復(fù)雜的問題變得可視化、立體化。本文運用3ds max等建模軟件構(gòu)建模型，通過c#語言控制模型，利用高通VUFORIA AR SDK多目標(biāo)實時跟蹤特性，借助虛擬仿真平臺unity3d開發(fā)出一個可用于移動設(shè)備的發(fā)動機維修輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)能把維修程序與三維動畫關(guān)聯(lián)并展現(xiàn)出來，極大地提高維修者的工作效率以及準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù) ?unity 3d ?發(fā)動機輔助維修 ?3ds max建模 ?c# ?高通SDK

中圖分類號：TP39 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0016-03

Abstact：Combining the ? augumented ?reality technology with ?mobile devices can make the abstract and complex problems in engineering domain to be visualization and stereoscopic. 3d modeling softwares like 3ds max etc. are used to create equiipment 3D models ?and the language C# is used to control the model， An aero-engine maintenance supporting system based on mobile equipments were developed by virtul of the real-time multi-objective tracking techninics of ?Qualcomm vufortia AR SDK and uinty 3D， this system can greatly enhence ?operators efficency and accuracy.

Key Words： Augumented ?reality technology; Unity 3d; Engine ?maintenance supporting system; 3ds max modeling; Qualcomm SDK

增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality ， AR）[1]是近年來研究的一個熱點，作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)重要分支，AR技術(shù)主要通過在現(xiàn)實環(huán)境中加入構(gòu)建的虛擬模型，來增強操作者的視覺效果。隨著電子軟硬件的逐漸升級，AR技術(shù)已經(jīng)走向成熟，在醫(yī)療、軍事、建筑、工程等各個領(lǐng)域均已開始推廣。

對于民航發(fā)動機，作為工業(yè)皇冠上的明珠，融合了許多技術(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作人員技術(shù)要求極高[2]。而現(xiàn)在的維修手段大多依靠翻閱技術(shù)手冊，造成工作效率不高且易出現(xiàn)失誤，而基于增強現(xiàn)實的飛機發(fā)動機輔助維修系統(tǒng)將會改變這一現(xiàn)狀。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計

如圖1，結(jié)構(gòu)框圖所示為系統(tǒng)設(shè)計的核心，即外部環(huán)境和手持設(shè)備兩大部分組成。

第一部分，外部環(huán)境主要由圖片構(gòu)成，前期利用高通VUFORIA AR SDK多目標(biāo)實時跟蹤特性，使圖片轉(zhuǎn)化為含有若干特殊識別點的識別圖，識別圖主要用于激活讀取設(shè)備的攝像頭，調(diào)用系統(tǒng)中的子程序。

第二部分，以手持設(shè)備的攝像頭為輸入介質(zhì)，通過處理器對圖像識別并與unity3d場景中的識別圖進(jìn)行識別點比對。若匹配成功，通過對設(shè)備的操作，從而調(diào)用出預(yù)設(shè)的虛擬模型及腳本信息，使模型出現(xiàn)在屏幕中，從而達(dá)到增強現(xiàn)實的目的。

2 ?系統(tǒng)實現(xiàn)

基于飛機維修手冊和發(fā)動機航線維護(hù)內(nèi)容，采用Unity3D仿真軟件結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)以機務(wù)為中心智能化的民航發(fā)動機輔助維修系統(tǒng)，通過手機或平板電腦上的攝像頭獲取發(fā)動機實物景象或圖片，利用圖像識別技術(shù)對目標(biāo)對象特征計算分析[3]，將虛擬的發(fā)動機、維護(hù)工具、信息及維修指令、動作序列等，疊加到真實環(huán)境中，以輔助機務(wù)工作者認(rèn)知發(fā)動機各系統(tǒng)組成及功能，完成復(fù)雜維護(hù)工作。以下為主要步驟：

（1）根據(jù)維修手冊中發(fā)動機子單元體或零部件的圖片（以風(fēng)扇單元體為例），結(jié)合高通VUFORIA SDK的圖像識別特性制作識別圖（如圖2）。制作識別圖時，注意照片格式，導(dǎo)入后完成設(shè)置，才能很好的制作成識別圖。識別圖中識別點越多，識別圖星級越高，圖像則越容易被識別，并將是必須導(dǎo)出后的Unity package file與高通官網(wǎng)下載的vuforia-sdk-android插件包導(dǎo)入到unity3d新建場景中。

（2）配置識別圖與插件包。打開unity 3d創(chuàng)建新場景，將下載的識別圖與插件包依次打開后點擊Import即導(dǎo)入到新場景中。在新場景中，刪除原有的Camera，在圖3所示的頁面布局中，左下方Projcet項目中可找到Vuforia文件夾，找到ARCamera與ImageTarget兩個物體，拖入到圖3左上方Hierarchy框中，則AR插件已準(zhǔn)備完畢。但是識別圖仍未顯示，ImageTarget仍是一個白色矩形，這是由于未將識別圖由3D（天空盒）調(diào)整為2D（平面），在Project框中找到下載的識別圖插件包，點擊圖片，頁面右方Inspector框中將圖片Texture Shape屬性由Cube改為2D。 再點擊左面ImageTarget時，部分unity版本會彈出窗口，直接點擊Apply即可（如圖3中識別圖）[4]。

（3）根據(jù)維修手冊，利用3DS MAX、MAYA工程建模技術(shù)制作虛擬模型。制作模型時，以“模型輕量化”的原則，即以最小的模型占用空間量最大程度的還原模型，對于一些不涉及拆裝問題的模型棱角可以虛化，減少點線面的數(shù)量，為后期手持設(shè)備的安裝運行做鋪墊。模型制作完畢后，需導(dǎo)出對應(yīng)格式，注意將模型的物理屬性調(diào)至與unity3d中一致，將導(dǎo)出的模型導(dǎo)入unity 3d中（如圖2），并移至ImageTarget下使之成為一個子物體。

（4）根據(jù)維修手冊的拆裝步驟，利用Visual Studio編寫C#腳本。腳本以幀數(shù)為基礎(chǔ)，通過一個變量即可實現(xiàn)幀數(shù)的循環(huán)。腳本主要控制兩個部分的增強現(xiàn)實效果。第一個就是模型，模型在語句中定義后，就會產(chǎn)生從屬關(guān)系，運用適當(dāng)?shù)恼Z句，即可實現(xiàn)模型的出現(xiàn)、閃爍、運動以及消失等，分別可以通過下面語句進(jìn)行實現(xiàn)：

c1g1.GetComponent（）.enabled = true/false（c1g1為定義模型名稱。True出現(xiàn)False消失）;

if （（j / 2） % 2 == 0）

{ c1g1.GetCoponent（）.material.color = Color.yellow;

j++; }

else{ c1g1.GetComponent（）.material.color = Color.gray;

j++; }

（j為幀數(shù)，可實現(xiàn)模型灰色和黃色之間的顏色變換，達(dá)到閃爍效果）

c1g1.transform.Translate（0， 0， 80f * Time.deltaTime）;

（0，0，80f分別代表沿x、y、z軸移動速率）

這樣就可以使模型在笛卡爾坐標(biāo)系（x、y、z）中按照預(yù)設(shè)路線運動。

第二就是字體，拆裝步驟必須有鮮明的文字作指導(dǎo)，以減少維修過程中的差錯。字體的大小、顏色和位置可分別通過下面語句實現(xiàn)：

zt.fontSize = 20（20為字號）;

zt.normal.textColor = new Color（0， 0， 0）（根據(jù)RGB配色表改變數(shù)字）;

GUI.Label（new Rect（10， 70， 400， 400）， info1， zt）（10，70代表屏幕中xy坐標(biāo);400，400代表字體所占矩形空間長*寬）;

字體還有一個特殊的功能，即制作按鈕，按鈕在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中是一個重要的角色。它可以控制虛擬維修動畫的開始與終止，調(diào)用綁定在模型上的腳本，激活嵌套程序中的子程序。按鈕的大小，位置可通過下面語句實現(xiàn)：

GUI.skin.button.fontSize = 40;（按鈕中字體大小

if （GUI.Button（new Rect（8， 8， 400， 60）， "拆卸風(fēng)扇主單元體"））

{ i = 1;}

（8，8為按鈕位置，400，60為按鈕占用空間長*寬，“拆卸風(fēng)扇主單元體”為按鈕內(nèi)容，i表示步驟）

當(dāng)一個腳本完整的調(diào)用整個模型后，即完成拆卸動畫[4]。

（5）對虛擬仿真平臺unity 3d制作的場景進(jìn)行打包發(fā)布。在發(fā)布前，需要配置環(huán)境變量JDK與SDK，兩個均可通過網(wǎng)絡(luò)鏈接進(jìn)行下載，并通過路徑Edit?Preferences?Eternal Tools配置sdk與jdk的讀取路徑，從而實現(xiàn)跨平臺移植。最終可發(fā)布成Android、iOS、Windows等多個平臺的運行程序。

（6）將發(fā)布成的apk（以Android平臺發(fā)布的風(fēng)扇單元體為例）安裝到手持設(shè)備上，即可運行（如圖4）。由于發(fā)動機模型較大，在運行時比較考驗設(shè)備的硬件能力，若發(fā)布成Android平臺，建議使用高通驍龍845及以上的系統(tǒng)設(shè)備。

通過對系統(tǒng)成果的檢驗，將增強現(xiàn)實技術(shù)和航空維修相結(jié)合是可取的，相比傳統(tǒng)的維修方式有著極大的優(yōu)勢，也代表了下一代維修發(fā)展方向，即基于增強現(xiàn)實的數(shù)字化維修。但系統(tǒng)仍需要優(yōu)化，比如模型輕量化、算法優(yōu)化等，如何有效應(yīng)用到實際工作中需要進(jìn)一步探索。而且可以繼續(xù)研究，將VR中的人機交互引用到AR中，傳給使用者的感官產(chǎn)生反饋效果，增強使用體驗。

參考文獻(xiàn)

[1] Ronald T.A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and Virtual Environments，1997，4（2）：355-385.

[2] 李潔.基于Android平臺的增強現(xiàn)實系統(tǒng)研究與應(yīng)用》[A].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文[C].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 張克發(fā).AR與VR開發(fā)實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[4] 吳雁濤.unity3d平臺 AR與VR開發(fā)快速上手[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.