杨天一，施 浩，刘德凡，陈巍巍

（上海工程技术大学航空运输学院/飞行学院，上海 201620）

1 研究背景

3D 投影技术也称虚拟成像技术，是当下用于科普方面最为流行的人工成像技术。该项技术利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。有着无需佩戴任何辅助设备即可看到立体三维图像的功能优势，给人们带来震撼的视觉体验。

初教-6 是20 世纪50 年代末期中国自行研制的螺旋桨式初级教练机。该机长期服役于我国空军及地方航校，是中国空军初级教练机主力机型。为后续教练机的生产和加工提供了原产力，并在中国民用航空史上留下了浓墨重彩的一笔。像这样珍贵的初级教练机对于航空专业的学员来说也一定是极富有感染力的艺术品，但是其长时间与空气接触，最初的一批模型出现氧化褪色和折旧报废等老化现象。如今，全息投影技术可以对艺术品进行拍摄成像，制作成三维立体图像，用于人们观赏。这样不仅可以避免艺术品的破坏，还不影响人们观赏。本文借助AR 系统开发了一套整合演示初教-6 教练机的外形结构，增强现实和视觉冲击，将初教-6 教练机以最真实且美观的效果进行还原并带到大众面前。认识实习这种科普教育，教学的形式往往流于表面，即简单地对已有的实物飞机参观，那些没有实物的飞机则只能通过图片或者文字的形式来让学生了解。这种科普形式就导致学员无法更加真实地体验和观察到那些曾经在航空史乃至世界航空史意义重大上的飞机实体与内部结构。

因此，本文的目标即为建立一款具有交互功能的虚拟仿真系统，使用户可以全方位细致地观察这台教练机的结构，以此达到优化教学的目的。如何将计算机软件构建出的模型通过三维效果展示出来，这对开发者建模的精细度和精确度以及演示平台的真实性有着很高的要求。当下的AR 技术，即为将虚拟和现实结合起来的技术，在计算机上录入一些数据生成模拟环境，在特定的仪器以及镜面材料的投放下，给大众一种裸眼3D 的效果，达到增强现实的目的。在国内，相关的成像设备已经运用在绘图课堂教学[1]、革命故事影像设计[2]、沉浸式视觉研究[3]、数字媒体设计[4]以及视觉真实性的关键[5]。

2 项目制作

2.1 成像方案设计

成像作为一种对样本的造影技术，需要各个层次的光学技术相互配合，利用光学的某些性质，维持样本的特性并成像。在成像方案的选择中，本文选用了透镜成像，即由实际光线相交形成实像，并由光线的反向延长线相交形成虚像。但两者成像为实像与所需的的裸眼3D 功能背道而驰，并且凹面镜难以实现加工折叠的工作，因此后续改用了镜面成像，即选用可以透光同时反射形成虚像的半透光式镜面材料，通过计算相应的角度，让其形成一个四棱锥式的反光成像体，也就是光的干涉条纹现象。此时再将做好的飞行原理动画导入到屏幕中，计算影像的相对位置和距离，使其在四个方向分别将光摄入镜面覆膜材料中，使得四棱锥成像体的每一个面分别生成一个维度的虚像，再通过精准的计算让四个维度的虚像在空间内的某个区域重叠，产生3D 影像的效果。模拟成像示意图如下页图1 所示。

图1 3D 影像成像方案

2.2 硬件设备选择

利用可塑性好、反光效果好且透光的PEC 镜面覆膜材料，通过剪裁、折叠、黏合等操作对镜面覆膜材料进行反复加工，并计算相对应的角度和数据将其设计成四棱锥状成像体，并按一定比例去除四棱锥顶尖部分形成小孔，使得电子屏幕里的样本可以通过小孔进入镜面材料内，通过各个镜面反射形成虚像，并将四个虚像在空间中某一位置完整重合，使所成的像更加清晰准确。为了完成以上的操作，还需使用到一块正方形电子屏幕作为播放设备，并对四棱锥状成像设备计算的数据如下：反光面——顶角72°，底角54°，底边30 cm；四棱锥——母线与底面成57.3°，高度19 cm；电子屏——边长30.5 cm。

上述数据中长度的计算目的在于将搭建好的成像设备能够完整地覆盖电子屏幕，并通过高度的中心对称结构，方便小组成员计算每个虚像的空间位置，角度的计算目的在于保证将光摄入膜板后的成像形状更真实，避免由于光的折射导致成像的某个部位存在长度偏差，也为四像重叠的工作进行了铺垫和保障。成像体初步搭建图如图2 所示。

图2 成像体初步搭建

2.3 AR 场景搭建

利用Adobe Premiere 2021 将录制好的飞行原理动画分别在上下左右四个位置通过0°、90°、180°、270°四个维度向对称中心环绕展示，在Adobe Premiere 2021 软件内，控制每一个动画的尺寸为43.6 个单位，通过坐标的计算设计其与中心距离均为212 cm。将在四棱锥成像体尖部做好的圆孔，通过计算使其圆心位置与计算机屏幕的中心位置重合，使得对应在屏幕上的动画中心与屏幕中心距为9.745 cm，使得裸眼视角内看到的虚像中高度大致约为10.5 cm，保证其裸眼视角的真实性和美观性，同时达到增强视觉冲击的效果，并且该步骤的完成为后续将模型导入AR 设备中调整位置、大小以及角度做好了准备工作。

需要提到的是，四棱锥成像体是镜面覆膜材料，和电子屏幕之前难免存在滑动摩擦的现象，难以保证设备工作时成像能够稳定重合。因此，利用透光式亚克力板制作塑料框架，覆盖在成像体上方，就起到固定作用并让设备整体更有框架感。同时，利用乳白色亚克力板制作不透光式框架底座，环绕在电子屏幕周围，便可以进一步保证遮光性，减小入射光的亮度损失。两个塑料框架的搭建和安装保障了本套AR 设备的严谨性和稳定性，为裸眼3D 视觉效果的呈现提供了基础。图3 为AR 成像设备基本外观。

图3 AR 成像设备展示

2.4 3D 模型导入

将事先在3ds Max 软件中制作录制完成并在Pr软件中处理好的3D 模型动画上传至演示设备主机中，这些视频包括，内部驾驶舱、发动机、仪表及通讯设备、起落架等装置和整套初教六教练机模型及其相关动作，利用先前工作中在Pr 软件里调整好的数据，便可在AR 设备当中展示出一个具有3D 效果且可环绕转动的初教六教练机模型。通过后续交互功能的实现，学院可以自行抓取飞机的各个角度，并且有层次地递进到飞机内部，对驾驶舱，发动机等装置进行全方位3D 视角的观察。还可以观看3D 演示动画，包括飞机的升降，滚转，偏航等。以上3D 动画均可在AR设备中进行四周环绕播放。图4 和下页图5 为飞机3D 投影环绕效果演示图。

图4 飞机整体3D 投影环绕效果演示

图5 飞机副翼的收放3D 效果演示

2.5 实现交互功能

将模型动画全部导入AR 设备中后，通过手机与相应主机屏幕的无线连接开启多屏协同功能，即可实现一系列可操控且可调整的飞行原理的部件的3D动画展示。建立这种交互功能可以让学员对3D 动画进行实时的操控，例如学员可以通过在手机中拖拽教学动画的播放进程条来实现AR 设备中影像的角度转换，还可以将视角拉进教练机内部，一地金的方式有层次地拉取教练机内部的各个部件组成，也可以有选择性地抓取出想要观看的某一个指定部件的3D动画，进行更有目的性的观摩和学习。图6 为手机多屏协同交互端效果演示图。

图6 手机多屏协同交互端效果演示

3 结语

当下航空教育资源短缺的关键原因，是开发飞机认知实习的用户少且成本高。本文提出通过AR 设备的介入，目的在于将教练机最精细化的带到大众面前，让所有领域人员都能对其有一个全面的认识，实现科普的作用，并且由于飞机专业性强、用户少、成本高、没有厂家乐意开发，目前网上也无法找到相关教学系统供学员使用，导致学员对该系统似懂非懂，达不到所要求的知识与能力提升，本文中全息投影技术，将数据整合在系统中并用直观的方式表达出来，弥补了当前飞机教育短缺的问题。使得飞机科普方面以及教育课程不再具有专业领域限制，可以减少开发成本，提高效率，使非专业领域的学生可以进行有兴趣的科普认知，是专业领域的学生可以更有效地了解到驾驶舱内的仪表系统以及通讯设备。本项目的应用前景不止航空领域，其建立模型导入到设备后的3D效果有高度真实性，也可用于博物馆进行文物展览，可避免氧化折旧的问题；也可用于院校实习，避免加工过程受伤的现象。