樊亦婷

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

用戶技術(shù)資料作為綜合保障的重要組成部分，是支持使用操作和維護(hù)修理的重要工具和資源，直接關(guān)系到裝備綜合保障的成效和水平。在國(guó)外先進(jìn)武器裝備中，已廣泛應(yīng)用基于標(biāo)準(zhǔn)(S1000D/GJB 6600)的交互式電子手冊(cè)(IETM)的交付形式，基于三維動(dòng)畫的IETM已是型號(hào)的基本要求。IETM是將技術(shù)手冊(cè)的內(nèi)容以數(shù)字化的格式存儲(chǔ)，并以交互方式進(jìn)行查閱，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的電子顯示系統(tǒng)，將維修技術(shù)人員或系統(tǒng)操作人員所需的特定信息(如文字、聲音、影像、圖片等)，精確地展現(xiàn)在使用者面前，以促進(jìn)裝備使用和保障活動(dòng)的實(shí)施。

在軍工領(lǐng)域，IETM必不可少。在現(xiàn)代直升機(jī)的操作和維修保障中，一般要求配備維修大綱、維護(hù)手冊(cè)、布線圖冊(cè)、圖解零件目錄、機(jī)載設(shè)備維修手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)工藝手冊(cè)等多種類型的技術(shù)資料，通過(guò)3D交互式電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型手冊(cè)的三維交互式應(yīng)用，滿足直升機(jī)配套交付內(nèi)容豐富、形式多樣的IETM需求。IETM作為保障技術(shù)資料數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)裝備的保障工作提供技術(shù)支持，通過(guò)豐富的三維動(dòng)畫對(duì)復(fù)雜裝備進(jìn)行設(shè)備介紹和拆裝展示，能夠大大提高裝備系統(tǒng)操作、維修保障、培訓(xùn)的工作效率。

隨著信息化和數(shù)字化技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)外先進(jìn)直升機(jī)用戶技術(shù)資料以此為依托，也在不斷進(jìn)步，先后經(jīng)歷了非線性、線性、數(shù)據(jù)庫(kù)以及3D交互式電子技術(shù)手冊(cè)的發(fā)展。目前用戶技術(shù)出版物技術(shù)已非常成熟：一是實(shí)現(xiàn)了基于構(gòu)型的單一數(shù)據(jù)源(即數(shù)據(jù)一次制作，重復(fù)使用)用戶技術(shù)資料管理技術(shù)，用戶技術(shù)資料與設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)聯(lián)，包括源數(shù)據(jù)標(biāo)注、影響分析、變更跟蹤等功能；二是實(shí)現(xiàn)了用戶技術(shù)資料的全構(gòu)型編制和客戶化交付的功能，編制時(shí)，用戶技術(shù)資料采取的是全構(gòu)型編制，交付時(shí)，用戶技術(shù)資料與交付用戶的直升機(jī)狀態(tài)完全一致；三是實(shí)現(xiàn)了用戶技術(shù)資料無(wú)紙化交付，并已實(shí)現(xiàn)3D用戶技術(shù)資料的交付；四是實(shí)現(xiàn)了用戶技術(shù)資料更改的全壽命數(shù)字化管理,為自主式信息化保障提供了重要支持。

當(dāng)前，相較于國(guó)外先進(jìn)直升機(jī)用戶技術(shù)資料，我國(guó)直升機(jī)用戶技術(shù)資料的開(kāi)發(fā)、編制、管理、更改等還停留在用戶技術(shù)資料技術(shù)的初始階段。具體表現(xiàn)為：直升機(jī)用戶技術(shù)資料編制主要以word為工具進(jìn)行編制；用戶技術(shù)資料交付以紙質(zhì)為主，二維交互式電子技術(shù)手冊(cè)為輔。在直升機(jī)綜合保障工作中，信息化、無(wú)紙化成為當(dāng)前提高手冊(cè)質(zhì)量、使用和管理效率并降低使用成本的重要途徑。型號(hào)研制明確要求按國(guó)軍標(biāo)規(guī)劃、開(kāi)發(fā)和交付基于數(shù)據(jù)庫(kù)的交互式電子手冊(cè)(IETM)，并實(shí)現(xiàn)IETM的全壽命管理。

隨著三維技術(shù)的快速發(fā)展，基于IETM的三維動(dòng)畫直升機(jī)技術(shù)資料應(yīng)用已成為趨勢(shì)。針對(duì)這種情況，本文探索了三維動(dòng)畫技術(shù)在直升機(jī)交互式電子手冊(cè)中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，以便于后續(xù)在直升機(jī)綜合保障工作中提供技術(shù)支持[1]。

1 需求分析

隨著數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，用戶需求也隨之變化，把握用戶需求，才能有效提升三維IETM系統(tǒng)的利用效率和服務(wù)效益。了解用戶在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)三維IETM的詳細(xì)需求，捕獲用戶需求后對(duì)需求進(jìn)行分析，確保需求的合理性和可實(shí)施性。

功能需求分析：不同型號(hào)對(duì)三維動(dòng)畫的需求不同，了解用戶對(duì)三維動(dòng)畫的功能需求，分析軟件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)以及可擴(kuò)展的功能，確定需要定制開(kāi)發(fā)的功能條目。

動(dòng)畫需求分析：分析現(xiàn)有手冊(cè)內(nèi)容，對(duì)動(dòng)畫內(nèi)容進(jìn)行分類，確定擬采用的三維動(dòng)畫動(dòng)作腳本。全機(jī)模型展示，可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大和縮小展示；系統(tǒng)三維展示，這部分內(nèi)容旨在將設(shè)備按系統(tǒng)進(jìn)行組成及安裝位置展示，并可通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)逐級(jí)高亮展示到部件；拆裝展示，對(duì)設(shè)備安裝、拆卸、檢測(cè)等維護(hù)過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)畫展示；工作原理展示，通過(guò)信號(hào)流向示意，展示系統(tǒng)工作原理。

界面與顯示樣式需求：主要確定三維動(dòng)畫的菜單欄、導(dǎo)航欄、標(biāo)題欄、數(shù)據(jù)模塊內(nèi)容顯示的位置及所占比例，以及三維動(dòng)畫的鏈接、大小、警告/注意/注等的顯示需求，在使用操作中力求便捷；將手冊(cè)內(nèi)容分類呈現(xiàn)，各類手冊(cè)互相關(guān)聯(lián)，熱點(diǎn)鏈接，查找方便，為使用維護(hù)人員的日常操作使用、預(yù)防性維護(hù)、故障隔離定位、備件信息查詢等提供直觀豐富、指導(dǎo)性強(qiáng)的內(nèi)容瀏覽方式。

根據(jù)用戶需求準(zhǔn)備好三維動(dòng)畫所需要的場(chǎng)景、數(shù)據(jù)模型、工具、拆裝以及工作原理腳本，根據(jù)數(shù)據(jù)模型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成原理圖、拆裝圖等了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，檢查素材完整性和腳本的合理性；同時(shí)還需要考慮到軟件、技術(shù)手冊(cè)版本復(fù)雜等問(wèn)題，進(jìn)行模塊分解，實(shí)現(xiàn)模塊化管理，與需求、構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，確保正確統(tǒng)一。對(duì)有疑問(wèn)的地方，與設(shè)計(jì)師溝通，確保三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)的思路正確[2]。

2 三維動(dòng)畫技術(shù)

作為交互式電子技術(shù)手冊(cè)的輸入，三維動(dòng)畫是否能清晰地表達(dá)所述的內(nèi)容將影響到最終的手冊(cè)質(zhì)量?；诂F(xiàn)有直升機(jī)設(shè)計(jì)模型制作三維動(dòng)畫，研究三維動(dòng)畫在交互式電子技術(shù)手冊(cè)中的具體顯示，包括動(dòng)畫的縮略圖、瀏覽位置、瀏覽插件、三維動(dòng)畫瀏覽、動(dòng)畫步驟與內(nèi)容、熱點(diǎn)與內(nèi)容交互等。明確如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備的主要系統(tǒng)布置位置表達(dá)清晰；如何在圖上添加重要設(shè)備的文字描述；如何針對(duì)重要零部件進(jìn)行熱點(diǎn)描述，最終實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫、熱點(diǎn)、動(dòng)畫步驟與手冊(cè)內(nèi)容之間的交互，提高電子技術(shù)手冊(cè)內(nèi)容的直觀性、生動(dòng)性。

2.1 三維動(dòng)畫的基本要求

三維動(dòng)畫的應(yīng)用是為了提高手冊(cè)內(nèi)容的形象性、生動(dòng)性，便于用戶準(zhǔn)確地掌握型號(hào)裝備的基礎(chǔ)理論、維修保障、故障處置等技術(shù)要求。因此，對(duì)三維動(dòng)畫提出以下幾點(diǎn)要求：

1) 制作的動(dòng)畫應(yīng)能夠清晰地表述所要描述的內(nèi)容設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)組成原理、零部件拆卸安裝，并且提供動(dòng)畫需要的零部件名稱和先后順序，參見(jiàn)表1。

2) 可利用專用工具的三維模型，如扳手、錘子、螺絲刀、起子、吊車、千斤頂和滑輪等輔助工具協(xié)助動(dòng)畫制作。

表1 動(dòng)畫設(shè)計(jì)思路表

3) 動(dòng)畫制作過(guò)程中對(duì)于拆卸的零部件可先通過(guò)高亮顯示進(jìn)行提示，再進(jìn)行拆卸動(dòng)作。

4) 輕量化處理需要有針對(duì)性地進(jìn)行，不能將需要做成動(dòng)畫的零件模型進(jìn)行輕量化處理。

5) 模型的名稱、主要功能和參數(shù)需在動(dòng)畫中標(biāo)識(shí)出來(lái)，動(dòng)畫的具體動(dòng)作應(yīng)標(biāo)識(shí)清楚，能讓動(dòng)畫制作人員在拿到模型和動(dòng)畫腳本的情況下很明確地知道哪個(gè)零件是做什么的，會(huì)做什么動(dòng)畫(如發(fā)動(dòng)機(jī)，給出發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)，零件名稱，零件作用；拆裝動(dòng)畫發(fā)動(dòng)機(jī)上有20個(gè)螺絲，做旋轉(zhuǎn)拆卸動(dòng)畫)。

6) 視角距離適中，重要部件可放大顯示和字幕效果，視角轉(zhuǎn)換不要太多；保證動(dòng)畫連貫流暢。

7) 拆除或安裝工作盡量以工作人員的實(shí)際視角進(jìn)行演示。

8) 在活動(dòng)的組件上，可見(jiàn)的圖標(biāo)或?qū)Ш綐?biāo)志不必拆下，而應(yīng)保留在標(biāo)識(shí)所在的組件框架內(nèi)。

9) 動(dòng)畫播放過(guò)程中畫面和聲音同步播放，順暢無(wú)明顯卡滯。

2.2 三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

首先，將提供的直升機(jī)用戶技術(shù)資料加工成符合要求的矢量圖、音頻、視頻和三維動(dòng)畫。

直升機(jī)技術(shù)插圖制作主要包括普通圖片(JPG，PNG，BMP等)和熱點(diǎn)圖(CGM)制作，CGM圖形需要定義熱點(diǎn)。通常需要制作成熱點(diǎn)圖的圖片類型包括：設(shè)備組成圖、電路圖、工作原理圖等。多媒體制作主要為視頻、三維模型和三維動(dòng)畫的制作。

采用Cortona 3D Rapid Author作為三維IETM技術(shù)資料制作工具，直接將3D數(shù)據(jù)模型生成三維裝備介紹、零件拆裝、維修保障的虛擬仿真動(dòng)畫。三維動(dòng)畫制作流程參見(jiàn)圖1。

圖1 三維動(dòng)畫制作流程

三維動(dòng)畫技術(shù)資料制作步驟：

1) 三維模型導(dǎo)入

導(dǎo)入已有的三維數(shù)模，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成輕量化模型，并根據(jù)導(dǎo)入數(shù)模結(jié)構(gòu)展示BOM信息，以及圖解零件目錄。

2) 三維模型處理

直升機(jī)總體模型處理時(shí)，整機(jī)數(shù)模太大會(huì)導(dǎo)致軟件難以運(yùn)行。將直升機(jī)外殼及駕駛艙、旋翼、尾槳、起落架等模型進(jìn)行整機(jī)處理，并對(duì)不需要顯示的分系統(tǒng)進(jìn)行刪減，從而減小數(shù)模，加快軟件運(yùn)行速度。導(dǎo)入三維模型數(shù)據(jù)后，自動(dòng)生成與源數(shù)據(jù)一致的結(jié)構(gòu)樹(shù)，根據(jù)實(shí)際情況自由編輯結(jié)構(gòu)樹(shù)，包括復(fù)制、刪除、調(diào)整父子項(xiàng)結(jié)構(gòu)等。支持單個(gè)或整體地設(shè)置可視化模型質(zhì)量，包括顯示精度、材料顏色、透明度等。支持對(duì)三維模型的切割、放大、縮小、復(fù)制和移動(dòng)等。

3) 三維動(dòng)畫制作

三維動(dòng)畫動(dòng)作腳本設(shè)計(jì)：根據(jù)動(dòng)畫要求設(shè)計(jì)動(dòng)作腳本內(nèi)容，在三維動(dòng)畫制作中，直接調(diào)用函數(shù)就能得到所需的動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的設(shè)計(jì)和調(diào)整，大大節(jié)約了時(shí)間，并保證了動(dòng)畫效果。

通過(guò)調(diào)整動(dòng)作指令中的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。動(dòng)作指令中任何有下劃線標(biāo)識(shí)的參數(shù)都可以被編輯。常用的動(dòng)作指令參見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)作指令

針對(duì)拆裝類的動(dòng)畫制作，支持一鍵反轉(zhuǎn)功能，即當(dāng)拆除動(dòng)作全部制作完成后，可以選擇所有動(dòng)作一鍵反轉(zhuǎn)完成安裝動(dòng)作，大大縮短制作時(shí)間。

動(dòng)畫立體感設(shè)計(jì)：在直升機(jī)外殼模型的基礎(chǔ)上，增加輕量化處理后的座艙、起落架、尾槳等模型，使直升機(jī)外形更加豐富和形象化；在內(nèi)部涉及管路走向原理的動(dòng)畫中增加框梁，按照真實(shí)情況沿著框梁布置走向，增加動(dòng)畫的立體感。

動(dòng)畫展示視角設(shè)計(jì)：以人站立于機(jī)庫(kù)外側(cè)觀察直升機(jī)的視角，將動(dòng)畫拉近縮遠(yuǎn)展示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員反饋的視角信息調(diào)整，確保與真實(shí)操作視角一致。增加導(dǎo)向標(biāo)志，便于動(dòng)畫展示的同時(shí)標(biāo)注直升機(jī)整體的方位信息。

在三維動(dòng)畫制作過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)作腳本內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)畫制作，參照三維動(dòng)畫的基本要求，立體感以及視角設(shè)計(jì)等，達(dá)到最佳效果[3]。

4) 三維動(dòng)畫輸出

三維動(dòng)畫制作完成后，點(diǎn)擊“發(fā)布”按鈕，將當(dāng)前項(xiàng)目發(fā)布到本地文件夾，形成三維素材文件(wrl格式)。

3 三維動(dòng)畫在IETM中的應(yīng)用

三維IETM的制作過(guò)程主要分為四個(gè)部分：素材分析、三維動(dòng)畫的制作、IETM系統(tǒng)素材調(diào)用、三維IETM發(fā)布。

三維IETM制作流程如圖2。

圖2 三維動(dòng)畫在IETM中的應(yīng)用

1) 系統(tǒng)素材分析

分析各個(gè)系統(tǒng)手冊(cè)的三維素材需求情況，結(jié)合直升機(jī)三維素材的應(yīng)用場(chǎng)景，羅列出各系統(tǒng)三維素材的需求清單。

結(jié)合各手冊(cè)的內(nèi)容完整性以及S1000D標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)內(nèi)容要素的要求，針對(duì)三維素材主要有以下幾點(diǎn)要求：①支持全局展示和分層展示；②支持模擬拆裝、檢測(cè)、維修等過(guò)程；③支持添加工具等輔助信息；④支持模擬系統(tǒng)工作原理等效果；⑤支持與IETM系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接。

基于三維素材的要求，對(duì)制作三維動(dòng)畫的工程數(shù)據(jù)來(lái)源，即三維模型有如下要求：①保證各個(gè)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)的完整性，尤其針對(duì)需要制作三維素材的系統(tǒng)；②針對(duì)超大系統(tǒng)或者全機(jī)需要有對(duì)應(yīng)的輕量化結(jié)構(gòu)模型；③針對(duì)三維圖解的模型需要有屬性信息來(lái)減少后期工作。

2) 三維動(dòng)畫的制作

根據(jù)操作說(shuō)明文檔創(chuàng)建對(duì)應(yīng)動(dòng)畫過(guò)程，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行三維動(dòng)畫模型的處理，例如刪除不需展示的部分零件，修改零件顯示顏色效果等。在三維窗口中播放創(chuàng)建的動(dòng)作，測(cè)試其是否與實(shí)際所需效果相符。如果播放不準(zhǔn)確，可對(duì)該動(dòng)畫再進(jìn)行編輯。

企業(yè)各物流部門信息系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致系統(tǒng)之間溝通難度大，不能使信息共享的目的順利實(shí)現(xiàn)，對(duì)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)和公共物流信息平臺(tái)的建立造成了極大的影響。

3) 素材調(diào)用

通過(guò)CSDB數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的實(shí)體對(duì)象上傳功能，將制作完成的三維素材(wrl格式)上傳，作為系統(tǒng)中的實(shí)體對(duì)象，授權(quán)給對(duì)應(yīng)編寫人員。在后續(xù)程序類的數(shù)據(jù)模塊編寫過(guò)程中，插入該三維素材，獲取動(dòng)畫中每一個(gè)步驟的熱點(diǎn)ID。通過(guò)熱點(diǎn)引用的方式，將拆裝步驟文本內(nèi)容與三維動(dòng)畫的步驟熱點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，利用拆裝步驟控制三維動(dòng)畫的播放，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)互聯(lián)和單步觸發(fā)的效果。

4) 三維IETM發(fā)布

制作完成后的數(shù)據(jù)模塊可以按照要求發(fā)布成對(duì)應(yīng)的手冊(cè)，導(dǎo)入IETM系統(tǒng)瀏覽器中查看。系統(tǒng)提供多種效果的展示，例如直升機(jī)整機(jī)三維展示，進(jìn)行全機(jī)旋轉(zhuǎn)、漫游、放大、縮小等。

4 運(yùn)行效果及關(guān)鍵技術(shù)分析

基于IETM平臺(tái)和三維動(dòng)畫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)各系統(tǒng)、部件的功能原理、裝配操作等更加直觀的展示，使得電子技術(shù)手冊(cè)更靈活、更直觀。比如在描述裝備的拆裝流程時(shí)，可以通過(guò)三維動(dòng)畫替代文字以及圖片。首先，根據(jù)動(dòng)畫要求(拆裝順序、零件高亮顯示、旋轉(zhuǎn)、視角變換等)設(shè)計(jì)動(dòng)作腳本內(nèi)容，通過(guò)腳本內(nèi)容完成動(dòng)畫制作，將制作完成后的動(dòng)畫導(dǎo)入IETM系統(tǒng)中，包括結(jié)構(gòu)、零件號(hào)等信息；然后，根據(jù)具體任務(wù)需要和要求，設(shè)置內(nèi)容與動(dòng)畫的對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后將結(jié)果進(jìn)行發(fā)布，使用戶可以完成模型瀏覽和手冊(cè)查看[4]，參見(jiàn)圖3。

圖3 運(yùn)行效果圖

本文所述技術(shù)研究具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

2) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)支持：支持S1000D等技術(shù)出版物國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置符合標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)規(guī)則校驗(yàn)；

3) 結(jié)構(gòu)化編輯模式：突破傳統(tǒng)XML編輯器的標(biāo)記編輯模式，創(chuàng)新采用“所見(jiàn)即所得”，極大提高了內(nèi)容編寫效率；

4) 深度的圖形技術(shù)應(yīng)用：內(nèi)嵌支持CGM矢量圖及各種三維數(shù)模格式，提供圖形瀏覽、三維播放、熱點(diǎn)集成等深度應(yīng)用。

5 總結(jié)

在需求分析階段必須清楚用戶對(duì)三維動(dòng)畫的各項(xiàng)需求，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型和技術(shù)能力有效控制用戶的需求期望，分析用戶合理需求，完成三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于區(qū)域、系統(tǒng)等模型逐層展示、三維拆裝、圖解零部件目錄、成果展示等效果，方便用戶更加生動(dòng)形象地去觀察設(shè)備，了解設(shè)備的構(gòu)造和原理，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境之間的交互。

同時(shí)，本文所研究的三維動(dòng)畫和IETM中數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，可為后續(xù)新型號(hào)直升機(jī)進(jìn)行三維IETM設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒。當(dāng)然，隨著用戶需求的不斷提高，三維動(dòng)畫技術(shù)和IETM平臺(tái)也處在進(jìn)一步完善的過(guò)程中。