童安科　杜文哲　郭青婷　張紫軒　隋佳岐　徐嘉誠(chéng)　張興媛

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；外部涂裝和標(biāo)記；blender

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）21-0091-03

0 引言

飛機(jī)外部涂裝和標(biāo)記對(duì)飛機(jī)有著保護(hù)識(shí)別作用。飛機(jī)涂裝從早期在機(jī)身簡(jiǎn)單涂上機(jī)油，防止潮濕腐蝕到現(xiàn)在幾十人團(tuán)隊(duì)半個(gè)月時(shí)間高達(dá)上百萬的費(fèi)用的涂裝流程。飛機(jī)涂裝能在各種天氣下保護(hù)飛機(jī)，防腐蝕、防輻射、防冰、防雨耐磨、延長(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命，增強(qiáng)性能，提高飛機(jī)維修性。在外觀方面，設(shè)計(jì)美觀的涂裝可以提高航空公司的知名度，增加營(yíng)收，在一些紀(jì)念日的定制涂裝更有著特殊意義。

在過去的研究中，關(guān)于飛機(jī)涂裝定位，文獻(xiàn)[1]提出傳統(tǒng)的基于二維CAD飛機(jī)外部涂裝和標(biāo)記，在實(shí)際施工時(shí)，由于二維圖紙的限制，無法反映在飛機(jī)曲面上的真實(shí)尺寸，標(biāo)記的定位最終要依賴于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行測(cè)量，極大地降低了施工的效率。飛機(jī)外部天線，傳感器等不能噴漆區(qū)域在二維圖紙上沒有很好的反映，無法準(zhǔn)確判斷涂裝是否影響了該區(qū)域。

三維模型對(duì)比二維圖紙有著很大的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)師可以提前預(yù)覽涂裝后的效果，調(diào)整涂裝設(shè)計(jì)，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度。三維模型標(biāo)記解決了二維圖紙無法真實(shí)反映實(shí)際尺寸的問題，使得涂裝標(biāo)記的定位尺寸更加精確，提高了噴漆施工效率。

1 外部涂裝和標(biāo)記原理

UV是二維紋理坐標(biāo)，帶有多邊形和曲面網(wǎng)格的頂點(diǎn)信息。用于定義二維紋理坐標(biāo)系的稱為“UV 紋理空間”。UV 紋理空間使用字母 U 和 V 來指示二維空間中的軸[2]。UV 紋理空間有助于將圖像紋理貼圖放置在 3D 曲面上。由UV得出的模型紋理貼圖的坐標(biāo)（u，v） 與模型曲面網(wǎng)格（x，y，z） 坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，紋理貼圖可以很好地反映飛機(jī)曲面上的涂裝和標(biāo)記信息，通過對(duì)UV紋理貼圖坐標(biāo)的獲取，可以制作出噴漆時(shí)飛機(jī)外表面的遮罩的位置與尺寸，定位涂裝坐標(biāo)。

UV在紋理貼圖映射到 3D 曲面網(wǎng)格之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，也就是坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，將紋理貼圖應(yīng)用于飛機(jī)模型，貼圖保存了飛機(jī)曲面網(wǎng)格信息，模型既可以展示實(shí)際飛機(jī)涂裝之后的效果，又可以反映外部涂裝與標(biāo)記在真實(shí)飛機(jī)曲面上的位置與尺寸，解決了二維圖紙無法真實(shí)反映實(shí)際尺寸的問題，提高了涂裝標(biāo)記的定位尺寸的精度。

本次研究的目的就是得出紋理貼圖和對(duì)應(yīng)的應(yīng)用了涂裝的飛機(jī)模型。

2 模型處理

2.1 飛機(jī)模型導(dǎo)入

把所需型號(hào)的飛機(jī)模型導(dǎo)入3D處理軟件（比如3Dmax，blender），測(cè)量機(jī)身，機(jī)翼，尾翼等數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)比，確定模型大小合適。

對(duì)模型多余的部分刪除（比如內(nèi)部裝飾，座位等），不合理的布線進(jìn)行調(diào)整。

1） 提高模型的面數(shù)，盡量把面轉(zhuǎn)為四邊面。三邊面會(huì)導(dǎo)致UV映射時(shí)縫合邊不在一條直線上，使得UV 映射不對(duì)稱，貼圖的拉伸變形。

2） 對(duì)于不合理的邊與邊，點(diǎn)與點(diǎn)進(jìn)行合并。合并可以消除多余的邊和點(diǎn)，使模型更加精確；看起來更加簡(jiǎn)潔，提高可讀性；渲染引擎更容易處理。首先批量合并，按間距合并，一般距離選擇大于0.001m即可（根據(jù)模型具體尺寸調(diào)整）；其次對(duì)于模型精度要求高或者邊的法線方向差距過大的區(qū)域應(yīng)手動(dòng)合并；合并時(shí)注意網(wǎng)格密度，如果網(wǎng)格密度過低，則可能會(huì)導(dǎo)致模型表面不平滑，貼圖變形。

3） 窗戶接縫處的線多而且復(fù)雜，如果涂裝設(shè)計(jì)對(duì)于此處沒有要求，在不影響布線的情況下可以刪除，減小對(duì)UV映射的影響。

2.2 UV 映射

UV映射是在三維建模中將2D圖像投影到3D表面以進(jìn)行紋理映射的過程，UV 作為標(biāo)記點(diǎn)，用于控制紋理貼圖上的點(diǎn)與網(wǎng)格上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

1） 根據(jù)拿到的飛機(jī)涂裝設(shè)計(jì)圖（一般是三視圖）確定第一個(gè)UV 圖（如圖1）的展法（一般是側(cè)視圖投影）。

2） 根據(jù)飛機(jī)涂裝設(shè)計(jì)的元素的復(fù)雜程度，分布位置，數(shù)量等確定第二個(gè)UV圖（如圖2）的展法。添加縫合邊時(shí)要考慮：

①UV映射應(yīng)該保持紋理圖像的比例。如果UV 映射使得紋理圖像拉伸或壓縮，那么模型的外觀就會(huì)變得不真實(shí)。

②盡量避開在涂裝元素復(fù)雜的地方添加縫合邊。

③盡量把縫合邊添加在涂裝簡(jiǎn)單或者不容易看見的地方，減少貼圖調(diào)整工作量。

3） 展UV時(shí)要注意：

①盡量使UV點(diǎn)的連接是連續(xù)的并且應(yīng)盡量保證UV點(diǎn)的密度均勻，使UV映射的質(zhì)量更高，同時(shí)紋理圖像的質(zhì)量也更高。

②使用規(guī)則的UV布局，可以更方便地編輯UV映射，并且可以有效地利用紋理圖像的空間。

3 貼圖處理

3.1 三視圖批量轉(zhuǎn)換紋理貼圖插件

1） 功能介紹

涂裝設(shè)計(jì)圖（一般是三視圖）通常用于展示設(shè)計(jì)元素的效果，但是并不能用于描述物體的表面細(xì)節(jié)，無法反映在飛機(jī)曲面上的真實(shí)尺寸，是無法直接應(yīng)用于飛機(jī)涂裝。

本次步驟是將三視圖轉(zhuǎn)換為飛機(jī)模型UV對(duì)應(yīng)的紋理貼圖，便于應(yīng)用到飛機(jī)模型。

以往的轉(zhuǎn)換貼圖操作是手動(dòng)將三視圖導(dǎo)入Blender，調(diào)整位置，用Blender中的Texture Paint功能將第一張UV上的元素（一般為側(cè)視圖（如圖3）） 映射到第二張UV 上，得到第二張圖，這個(gè)過程重復(fù)且耗時(shí)。

2） 插件編寫

blender提供的Python API，可以將一些重復(fù)性的操作，通過編寫插件調(diào)用相關(guān)功能自動(dòng)，批量執(zhí)行。Blender插件的開發(fā)采用面向?qū)ο蟮姆绞健lenderPy?thon API[3]通過預(yù)置類提供對(duì)插件功能的整合與擴(kuò)展。用戶通過創(chuàng)建子類來繼承父類中定義的屬性和方法， 它們實(shí)現(xiàn)了與Blender程序間的交互接口。Blender對(duì)于貼圖轉(zhuǎn)換插件所涉及的材質(zhì)創(chuàng)建、連接節(jié)點(diǎn)、調(diào)用烘焙，Texture Paint等操作都提供有相應(yīng)的API[4]。

3） 插件基本結(jié)構(gòu)

①導(dǎo)入模塊：導(dǎo)入所需要的庫(kù)如BPY，便于訪問飛機(jī)模型數(shù)據(jù)，調(diào)用Blender內(nèi)的功能。

②界面UI：提供選擇飛機(jī)模型，UV圖，涂裝設(shè)計(jì)圖，導(dǎo)出圖紙等選項(xiàng)。

③功能模塊：

根據(jù)用戶選擇的飛機(jī)模型新建對(duì)應(yīng)材質(zhì)，將UV 圖（如圖1） 和涂裝設(shè)計(jì)圖（如圖3） 作為第一個(gè)材質(zhì)的UV圖和紋理貼圖。

然后用戶根據(jù)需求選擇第二個(gè)UV圖（如圖2） ，將第一個(gè)材質(zhì)的紋理貼圖作為圖像克隆源、UV圖作為UV克隆源，第二個(gè)UV圖作為輸出材質(zhì)的UV圖，調(diào)用TextPaint功能，輸出第二個(gè)材質(zhì)的紋理貼圖（如圖4） 。

4） 插件實(shí)現(xiàn)功能

3.2 貼圖變形元素替換

3.2.1 功能介紹

Blender處理后的貼圖雖然可以對(duì)應(yīng)模型UV圖，但由于是側(cè)視圖轉(zhuǎn)換而得，部分涂裝元素發(fā)生了變形，本次步驟是將這些變形的元素替換成未變形元素。

3.2.2 貼圖識(shí)別與替換

1） OpenCV模板匹配原理

模板匹配是在較大圖像（源圖像）中搜索和查找模板圖像位置的方法。OpenCV 提供一個(gè)函數(shù)cv2.matchTemplate（） 。在源圖像中從左到右和從上到下依次滑動(dòng)模板[5]，計(jì)算模板與（圖像被模板覆蓋的地方）的匹配程度，在每一個(gè)位置（x ， y）都計(jì)算出一個(gè)指標(biāo)以表明這個(gè)位置處兩個(gè)圖像塊之間匹配程度的高低。這匹配程度高低的計(jì)算方法在OpenCV 里有6 種，然后將每次計(jì)算的結(jié)果放入一個(gè)矩陣R里，作為結(jié)果輸出。假如源圖像是M x N大小，而模板圖像是m x n大小，則輸出結(jié)果的結(jié)果矩陣R是（M-m+1）x（Nn+1）。獲得結(jié)果后，可以使用cv2.minMaxLoc（） 函數(shù)查找最大/最小值在哪里。將其作為矩形的左上角，并以（m，n） 作為矩形的寬度和高度。

3.2.3 具體實(shí)現(xiàn)（以熊貓圖（如圖5） 為例）

1） 將源圖像（blender處理后的紋理貼圖（如圖4）） 根據(jù)涂裝元素的分布進(jìn)行分割提取，每一小部分（如圖5） 作為模板圖像在源圖像匹配，或者也可以將未變形的涂裝元素相同分割提取作為模板圖像（如圖6） 。

通過上述計(jì)算得到最佳匹配的位置，作為矩形的左上角，并以模板圖像寬高（m，n） 作為矩形的寬度和高度，計(jì)算出矩形左下角，右上角，右下角的位置（如圖7）。

2） 根據(jù)源圖像分割涂裝元素的寬度和高度以及位置，對(duì)未變形的涂裝元素（涂裝設(shè)計(jì)圖）相同分割提取得到替換圖像（如圖6） 。

3） 根據(jù)第一步得到的位置信息，對(duì)源圖像與替換圖像進(jìn)行疊加（如圖8）。

4） 對(duì)每個(gè)模板圖像重復(fù)上述操作，得到最終未變形貼圖（如圖9） 。

5） 在實(shí)際操作中如果原模板圖像識(shí)別效果不好，可以將替換圖像（如圖5） 作為模板圖像進(jìn)行識(shí)別。

4 結(jié)束語

經(jīng)過blender和OpenCV處理后的紋理貼圖對(duì)比三視圖在變形方面更小，可以更好地反映涂裝和標(biāo)記在真實(shí)飛機(jī)上的尺寸。飛機(jī)的三維模型可以呈現(xiàn)飛機(jī)外部涂裝和標(biāo)記的定位尺寸。結(jié)合貼圖和飛機(jī)模型給出的定位尺寸和位置信息，避免以往在實(shí)物飛機(jī)上確認(rèn)優(yōu)化圖紙的步驟，提高施工效率。不足是該方法對(duì)于復(fù)雜的涂裝設(shè)計(jì)圖，圖像識(shí)別的精度有待提高，需要進(jìn)一步優(yōu)化識(shí)別算法。