汪鄧涵 黃秋野

（南京航空航天大學 江蘇省南京市 211100）

目前在相關的虛擬裝配教育模擬仿真虛擬現(xiàn)實應用上，從制作流程的角度上來說，一類是立足于視覺層面，過于表現(xiàn)的畫面使得整體系統(tǒng)偏向了娛樂化，這樣做的優(yōu)勢在于視覺觀賞的提高，能夠有助于提高用戶對應用的粘性程度，其缺陷在于裝配模擬的嚴肅性內容無意義。另一類則是立足物理仿真層面，在仿真的要素上著重于物理模型上的考究，精于嚴肅性內容，這使得視覺效果上的用戶觀感體驗被忽視。本文將會從關鍵技術流程的角度去平衡嚴肅性內容與用戶體驗，強調采用工業(yè)設計模型的標準去應用至虛擬現(xiàn)實裝配平臺中，在保證以工業(yè)模型的標準提升仿真性的同時，提升虛擬現(xiàn)實用戶體驗的舒適性。

針對上述兩類的制作類別，本文會將采取相應的關鍵技術策略，提供合理的工作流程去優(yōu)化并實現(xiàn)基于VR的無人機虛擬裝配平臺。

1 仿真平臺的總體流程設計

無人機虛擬裝配平臺需要由視覺與功能兩部分的設計構成。

1.1 視覺設計流程

關于視覺方面包括設計并制作無人機部件模型和室內場景模型，在功能方面實現(xiàn)無人機部件組合與解構交互、場景移動交互。根據工作機制的分析，Unity3D引擎主要實現(xiàn)仿真平臺中渲染與交互的部分，模型與材質的部分則需要3Dmax、Quixel Mixer進行構建并且根據引擎機制對其進行初模的構建與優(yōu)化、貼圖的繪制與儲備。關于視覺流程優(yōu)化的設計上，面對如何在有效管理視效資源的情況下提升材質以及模型真實度是主要問題之一，本文需要在CAD建模軟件里設定好參考物，衡量出模型的真實比例，為虛擬環(huán)境提供真實尺寸參考。制作低精度模型與高精度模型，將高精度模型的細節(jié)映射至低精度模型，減少面數的渲染級別。最后拓展UV坐標使得貼圖與材質能夠對照匹配，為真實材質提供位置基礎。

1.2 功能設計流程

關于功能方面，在虛擬裝配中模型作為功能映射的主要載體，基于此提升有效的交互體驗是主要目的。在常規(guī)流程中設立好交互碰撞方面的重要程序，直至生成可以在各類虛擬現(xiàn)實頭顯下運行的應用程序。在優(yōu)化流程設計上，模型對象對系統(tǒng)內存占據一定的比重。那么基于多平臺虛擬現(xiàn)實的環(huán)境，是避免不了的內存限制，在無人機裝配中，零件模型數量多且可用性強，所帶來的交互與面數會帶來大量的內存占取，那么會出現(xiàn)卡頓、數據丟失等問題。在實例觀察中，所有的模型對象進行了加載，實際進行交互的模型對象占比較少，這樣導致其它無交互模型對象是無效且占據一定的內存，這造成了硬件渲染上的浪費?；诖?，需要對可用性與無用性物體之間做出類別分析，在用戶的可操作范圍內去加載與卸載模型對象，構建出合理的緩存池框架（圖1）。最終以適當優(yōu)化流程完成整套裝配平臺的構建。

圖1：基于緩存池的優(yōu)化

以上便是基于VR的無人機模擬裝配平臺的優(yōu)化流程總概。

2 工業(yè)仿真三維模型的構建

以工業(yè)模型標準作為虛擬裝配模型的參考核心，其特色就是視覺仿真的一致性，能夠使得裝配部件、裝配拼裝過程以及使用的工具與實際相似。模型的建立是Unity3D引擎交互的首要工作，模型的質量影響到用戶在虛擬現(xiàn)實里的視覺體驗，但會對硬件的內存消耗帶來負面影響[5-6]。因此，在模型制作中要重點探究模型間的視覺比重與面數優(yōu)化。

3.1 工業(yè)模型標準在無人機模型的應用

工業(yè)模型是屬于原型設備的物理模型，可以呈現(xiàn)低成本且合理的方案。應用在虛擬裝配中的工業(yè)模型標準需要擁有以下三點：

（1）工業(yè)模型是根據工業(yè)產品的原型進行縮小或者放大，在外觀以及尺寸上與最終的產品原型保持相同比例。

（2）工業(yè)模型要滿足現(xiàn)實原型的技術指標，從而達成功能性。

（3）擁有美學指標與文化指標，可以對產品原型本體的設計實踐產生思維導向，發(fā)揮起象征性作用。

在無人機模型構建中，需要體現(xiàn)裝配部件的多樣性與機殼框架的統(tǒng)一性，使得能夠與原型進行參照，工業(yè)模型構建方式是其關鍵技術的基礎。與傳統(tǒng)布線構成不同，技術重心更多偏向于輔助修改器與面片的聯(lián)立關系。

首先運用sketch up劃分無人機外殼、無人機部件兩個主要拼裝部件的部分，然后采用3Dsmax在細節(jié)上進行添加，并取其高模的細節(jié)法線貼圖[7]，而對平整且不需要細節(jié)的模型面進行減面處理，以最大限度優(yōu)化來避免模型加載時暫用系統(tǒng)內存，最后運用骨骼動畫將各部件進行約束連接，使其產生關聯(lián)，提高模型在系統(tǒng)里的真實性。

針對無人機模型制作所對應工業(yè)類型的建模方式，屬于硬表面的模型范疇，以方體與圓柱為基礎模型，再以多邊形建模為制作手法，對基礎模型進行細分、束邊和渦輪平滑等功能的建模，從而得到與真實部件對應的細節(jié)，并獲得高精度模型（High Polygon），然后對非主要部件模型在面數上做簡化等優(yōu)化處理，避免占用過多的運行空間，最后獲得Unity3D中所需要的FBX格式三維模型文件。該模型滿足尺寸、外觀和交互等方面的需求。

3.1.1 基于NURBS樣條線的無人機外殼以及機槳工業(yè)建模

無人機的外殼現(xiàn)實作用在于保護組裝部件與減少空氣阻力為目的，機槳則是作為無人機的動力輔助部件，其模型設計都為符合流體力學的流體型曲面形態(tài)，適合采用NURBS樣條線進行平滑處理建模。這種方法是基于樣條線之間，在初期通過NURBS樣條線對縫合，在組合處將面片依據無人機的外觀尺寸和部件參考尺寸構成大致的曲面效果（圖2），而后增加平滑組提升面之間的過渡感，曲面之間的轉折關系則劃分為不同的平滑層級。

圖2：無人機外殼的曲面效果

3.1.2 無人機裝配部件工業(yè)建模

無人機裝配部件則分為骨架、電子元件、電纜線、掛載云臺、電池以及雷達（圖3），建模方式多在基礎多邊形上進行邊角上的調整，因為其中骨架、電子元件、掛載云臺、電池的切角面程度較高，所以基礎模型多采用切角長方體、立方體等標準幾何體組件而成，利用渦輪平滑修改器進行細節(jié)處理，利用邊緣去控制細節(jié)的平滑程度，這種方式的優(yōu)勢在于有利把控面的增減，為后期導入引擎增加更多優(yōu)化的可能性；電纜線則采用樣條線為基礎[11]，樣條線的編輯特性能夠適配電纜線本身的多復雜彎曲結構，通過平移的方式對樣條線頂點形成的線路形態(tài)，而后增加實例化修改器完成線纜模型形態(tài)。這種方式建立的電纜線模型其流暢性、受力性更為真實；雷達在六軸無人機中多為圓盤樣式，只需通過擠壓、拉伸完成對基礎模型的形變。

圖3：無人機外殼、機槳及其部件

3.2 場景工業(yè)模型的構建

三維場景是根據無人機課程中的訓練需求所設計，目前針對無人機仿真的需求有拆裝模擬、故障診斷模擬以及飛行模擬這三種訓練類型[3-4]，為此遵循需求將關卡劃分為拼裝訓練關卡與飛行訓練關卡，根據關卡特性需要設計與構建出相關的三維場景。

3.2.1 人景比例的判定

在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，因為仿真物體與現(xiàn)實物體的尺寸成正比[10]，所以在制作場景初模時應注意模型基礎單位的調校與參考物的設定。已知Unity3D引擎的基礎單位為米，在3DMax的單位自定義應設定與其相同，為了保證場景在尺寸上的合理性，已知虛擬頭顯是根據世界坐標為基準，需在放置參考物時考慮用戶對象為成年男性與女性18-44年齡階段[16]，采取其平均身高（圖4），以用戶為中心進行測試場景在用戶體驗中移動、觸發(fā)等交互方面的合理性。

圖4：男女平均身高的人體參考物

3.2.2 場景建模與優(yōu)化

以裝配關卡場景為例，根據上述比例判定所設計得出的場景尺寸數據為320cm（長）*260cm（寬）*200cm（高），結合基礎多邊形對三維場景進行方位上的搭建，于是針對多邊形上的點、線、面進行位移上的編輯，通過對模型線段的增減為門等占有進出口增加編輯空間，在對模型造型線段的編輯中要遵守布線范式，面片布置上統(tǒng)一為四邊面,便利于后期對模型拉伸、擠出、倒角等多功能操作。模型的在主要進出口路徑上增加線段與面并配合渦輪平滑修改器產生更多的模型細節(jié)，反之次要路徑區(qū)域則直接采用簡易的基礎多邊形，從而減少不必要的渲染[8]。

3.3 紋理貼圖的優(yōu)化處理

由于引擎可以識別MAX模型的多維子材質，可以減少繪制貼圖的工作環(huán)節(jié)，在建模流程中需要對面片進行材質ID的區(qū)分。根據案例，無人機部件模型可以附加成同一個多邊形模型組，根據固有色之間的差異對不同部件材質進行附著材質球（圖5）。針對紋理位置有精度要求的模型，例如電池、場景中的指示單位等，這就需要采用UV（Unwarp UVW）對精度位置需求的模型貼圖方位進行拆分，并將其UV網格進行平整化處理，保證紋理能夠對齊，避免出現(xiàn)紋理與模型表面產生拉長、錯位、擠壓與變形的現(xiàn)象。

圖5：多維子材質

4 Unity3D引擎的三維工作機制

在無人機虛擬裝配的開發(fā)中，需要對光照材質、面片優(yōu)化和動畫互動等關鍵點進行技術整合，然后統(tǒng)一導入到引擎進行整合輸出，這對引擎中材質、光照與物理控制腳本的運行機制有著解構的需求。以此作為參考，在引擎中合理利用工作機制得到關鍵技術在流程中的應用。

4.1 可視化構建著色器

引擎中的可視化著色器（Shadergraph）不僅包含了物理實時渲染的系統(tǒng)，還可以對渲染進行可視化編程的操作，在創(chuàng)立多樣化參數操作的基礎上，有利于精細化材質效果，從而對材質上的細節(jié)進行有效的把控。當前引擎所配置的基礎材質球（StandardShader）對物體視覺表現(xiàn)有所限制，只能對四個重要參數進行調節(jié)，無法滿足復雜且多樣的場景視覺需求，可見可視化著色器在關鍵技術中的重要性。

4.2 光照系統(tǒng)

引擎的光照系統(tǒng)采用的是全局光照（Global Illumination），可以模擬光的反彈和互動行為的算法。但在工作流程中精細的光照仿真模擬需要消耗大量的硬件內存[1]，所以需要采用烘焙技術對光照系統(tǒng)內的反射球、光照探針、局域光以及光源全局技術共同構成為光照貼圖。在無人機裝配環(huán)境下多物體的光照會帶來多余的系統(tǒng)負荷，為了保證用戶在視覺體驗與交互上幀率的高舒適度，盡量避免硬件資源對動態(tài)結算所帶來的負載，于是需要對光源信息進行整合并且生成到靜態(tài)貼圖中是關鍵技術步驟之一（圖6）。

圖6：場景光照信息優(yōu)化前后幀數對比

4.3 物理系統(tǒng)

在仿真平臺中體驗的要素不僅是在視覺交互上，還應在基礎的物理計算上，例如重力、碰撞等物質在物理世界中產生的作用。因此，引擎通過剛體（Rigidbody）為基礎并對物體進行物理仿真的碰撞計算，根據碰撞范圍從而判定是否進行做出合理的交互指令，這樣保證了用戶的代入感，還增加了平臺應用在仿真方面的可靠性。

5 無人機裝配平臺開發(fā)的流程優(yōu)化

為了將視覺資源更好的過渡到引擎的功能交互制作中，應將模型的坐標軸重置于中心點，有位移需求的無人機模型則需要將坐標軸重置到物體坐標的最底端，同時坐標軸的垂直方向為Y軸向上；檢查面片之間的法線向量是否正確，且以合理的命名導出模型與貼圖；核查平滑組開啟狀態(tài)，修改導出單位的基本設置，最后結合到引擎內部進行深入。

5.1 光照布局渲染

場景中良好的光照渲染不僅能夠提升整體畫面的可視布局，而且從視覺工效學的角度上可以對用戶給予良好的體驗[15]。由于整體場景偏暗、封閉且空曠，容易導致用戶心理上的緊張等情緒，所以要利用平行光、反射光、點光和聚光的機制，合理對場景增加多方面的光照細節(jié)，為此可以通過三個步驟去構建燈光的布局：

（1）在場景內放置平行光，平行光的z軸角度呈30°，能夠投射出場景中陰影的最大面積，作為整體光照的主光源，色調則呈為暖色，因為考慮到場景構造多為封閉且光照入口空間少，所以光照強度為60cd。

（2）在地面指示燈上放置包含冷色域的點光源，其光照強度為8cd，在大門入口與外界交界處放置暖色域的聚光源，其光照強度為5cd。通過色調的對比，不僅完善了光照空間中的色彩配比，而且使得空間具有視覺導向性。

（3）放置反射球，將反射球的反射范圍包裹住場景，使得反射球獲取場景光照與材質信息，然后開啟實時渲染（Realtime）使得周圍環(huán)境能夠接受到反射球所獲取的信息（圖7），確保場景擁有真實的環(huán)境光照細節(jié)。

圖7：無反射球（前）反射球渲染（后）

5.2 工業(yè)材質貼圖的細化調整

模型在引擎中表現(xiàn)各類質感，需要在之前的紋理貼圖基礎上與引擎內著色機制結合反射、金屬度、平滑值、法線強度等材質屬性去構成完整的材質表現(xiàn)，如圖10。根據案例場景，對場景主要材質的表現(xiàn)進行解析，為此總結出兩種配置方法：

（1）混凝土地膠材質作為場景中重要的組成部分，設定平滑度值為0.7f(1.0f為鏡面光滑效果)，金屬度為0.1f（1.0f為鏡面反射效果），而后將調整法線的凹凸程度至6.0f，通過將遮擋貼圖范圍調整至0.8f（1.0f為同個材質球的平滑度與金屬度之間界限分明），地面引導的自發(fā)光屬性為1.0f。

（2）金屬材質應用于場景內物件的常用材質，例如：門、桌子、扶手。由于場景室內的環(huán)境光照較暗，所以要使得材質表面反射程度降低，于是將金屬度調整為0.3f～0.5f，平滑度保持為0.2f。

經在區(qū)間內的調試，場景中不同材質都保持著鮮明的特征。這使得場景保持良好的視覺比例，為后期視覺體驗提供保障（見表1）。

表1：各類材質的參數設置

5.3 無人機裝配模型對象的緩存池優(yōu)化

在無人機裝配環(huán)境中，由于無人機組件作為模型對象占據著一定程度的系統(tǒng)內存。系統(tǒng)內存消耗需要面對不僅是模型對象面片以及紋理貼圖上的優(yōu)化，還需要在管理上進行優(yōu)化，在用戶進行交互行為時，模型對象在環(huán)境中會產生加載且無法進行回調，在用戶進行多次交互行為后系統(tǒng)內存空間里的模型對象會產生疊加。在面對批量模型對象進行多次交互行為的情況下，其中產生的系統(tǒng)內存消耗成為了功能設計流程優(yōu)化的主要問題之一。模型對象作為主要解決對象，需要考慮三點問題：

（1）模型對象是做為無人機零部件裝配的重要交互模型，在用戶體驗中占據主要交互的對象；

（2）模型對象會被進行頻繁的交互，多次對模型對象的加載會使得系統(tǒng)內存產生消耗；

（3）模型對象的生成過程與銷毀過程，會產生大量的內存碎片，這為內存空間帶來一定的負擔。針對以上三點問題，采用緩存池算法[17]對模型對象的管理進行優(yōu)化。

5.4 工業(yè)無人機的動畫程序化

在無人機虛擬裝配平臺中，擁有大量的機械動畫，由于機械類動畫強調關節(jié)中的鏈動，支點的存在對整體模型的動向起到導向作用[12]，整體具有簡易性、重復性的特點。結合本項目優(yōu)化的基本需求，與傳統(tǒng)的Animation編輯器中添加Frame不同的是通過C#腳本直接對模型本身進行動畫設定，以無人機的旋翼動畫為例，首先提取出無人機在引擎內的坐標軸心，以垂直Y軸為基準，設定軸旋轉每秒運行的角度，并創(chuàng)建一個可以進行變量的平均速度，這使得在開發(fā)流程中可以隨時調控旋翼的旋轉速度，保證與現(xiàn)實的協(xié)同性，從而在動效上達到仿真的效果。隨著動畫優(yōu)化的推進，引擎內部的資源管理得到了拓展，進一步提高了流程化工作線的迭代成效。

6 結束語

無人機虛擬裝配平臺是個對關鍵技術要求較高的裝配工程，以全面高效的工作流為前提，把控好對模型、材質和交互等制作層級，并時刻穿插優(yōu)化的重要性，全面做好視覺與物理仿真體驗的同時，為未來系統(tǒng)的迭代提供充足的空間。

這種構架提出的虛擬現(xiàn)實制作流程，在體驗中具備以下四種優(yōu)勢：

（1）能夠對無人機部件模型進行拼裝交互，且可交互拼裝的模式自由度高，為未來提供更多的教學組裝方案。

（2）在虛擬場景模型中還原真實的紋理映射與材質屬性的配比，從視覺上提升沉浸感。

（3）遵循合理的物理交互規(guī)律，符合用戶的現(xiàn)實習慣，維持了對場景物件的交互興趣。

（4）程序化動畫的建立，節(jié)省了模型的數據大小，為此提供了一套動畫批量化的程序方法，為平臺預留了數據空間，降低對硬件的適配門檻。

無人機虛擬裝配平臺關鍵技術流程能夠使在虛擬實景操作中獲得相關的實踐與理論知識，有效調動了用戶的積極性與參與性。