基于AR及3D打印技術制作FAST科普作品

廖雨晴 江林焱 葉行高 石慶河 張立云

【摘要】主要介紹了借助AR、3D打印技術制作FAST科普作品的過程，系列科普作品包括望遠鏡的3D模型制作、宣傳視頻制作、AR制作及3D模型的打印多個環節構成。希望通過此類形象直觀的方式向普通民眾展示FAST的基本構造和原理，為FAST的推廣和提高大眾科學文化素養起到一定的推動作用。開展天文科學知識普及，提高公眾科學文化素質，這對社會公眾特別是青少年是非常必要的，對于啟發和培養青少年的科學探索精神，提高我國的國民科學素養有重要的現實意義。

【關鍵詞】AR;3D打印;天文科普;FAST

2016年9月25日，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在貴州平塘建成啟用，它是目前世界上最大單口徑射電望遠鏡。FAST的建成不僅為中國科學家探索未知宇宙和生命起源開啟了一道“天眼”，也將中國天文學研究推向一個更廣深的世界，對中國的天文物理研究和加快創新驅動發展具有重要意義。

為了讓更多的人了解天眼、認識天眼，我們依托物聯網+、新媒體技術、增材制造等多學科，通過建立天眼3D模型、AR制作FAST以及3D打印天眼模型等一系列手段全方位宣傳FAST，生動形象地把FAST介紹給普通民眾。

一、FAST模型的建立

本項目的系列工作都需建立在初始模型的基礎上，我們主要借助專業建模軟件3D MAX完成模型的總體設計。首先是地形的創建，我們去到平塘縣參觀實景，收集天眼相關圖片視頻及相關文獻，分析FAST地形，基于整個望遠鏡位于貴州復雜的喀斯特地貌上：需要進行抗風設計，所以地形的制作亦需要將其因素包含其中。

制作完基本的地形后，又結合相關文獻及數據整理出FAST主要結構。FAST分以下主要幾個系統：（1）主動反射面系統;（2）饋源支撐系統;（3）測量與控制系統;（4）接收機與終端及觀測基地。首先我們依據可獲得的相關數據將以上主要部分的位置和比例大小進行確定。以反射面為例，反射面結構是FAST最主要部分之一：其本質上是一個輕型的跨度超大、形式復雜、形狀實時可調的高精度索網結構。為了更好地體現鍋面三角板細節，我們針對box球體，提取球體的一半將面進行細分單獨擠出，讓模型達到由許多個面組成的效果?！胺瓷涿妗钡南路绞怯?225套液壓促動器支撐的，在制作反射面模型下方的促動器時，為了使促動器均勻的分布在“反射面”的底部，而且要隨著“反射面”的幅度而改變會比較困難。經過多次嘗試，終于在3D Studio Max中找到創建復合對象的“散布”命令，操作后達到了所要的效果。其他部分大多數都是鋼架結構形式單一，可用多邊形中的晶格命令來制作。對于其他天眼的組成部分，由于是內部結構復雜，無相關詳細的參考資料，所以，我們對其抽象處理，制作簡潔化。后期將制作完成的模型與前期的所搭建的模型進行替換，把模型全部整合，最后進行整體調整。

同時，由于3D打印模型需要的建模比較簡化，因此，我們準備了兩份模型，一份用來打印模型，另外一份進行視頻制作及后期渲染。

二、宣傳視頻的制作

當模型確定后，接下來是渲染。渲染前期分析了每個部位的材質和貼圖以及場景所需要的物件。以FAST環境為例，大射電望遠鏡有一個近乎苛刻的要求，那就是在周邊一定區域內，必須有足夠干凈的無線電磁環境，所以在制作時，不需要把建筑群體融入到場景中來，只需要完善植物即可。從網上找到素材后，針對地貌開始制作，運用3D Max中Multi Scatter插件操作。其他結構的材質貼圖均使用V-Ray 3.20渲染器進行操作，對物體的反射值、凹凸值、模糊值、UVW貼圖等調整。所有物體材質貼完后做鏡頭預覽動畫，根據分鏡腳本，從整體到局部的形式表現，先把預覽動畫用Adobe Premiere合成，修改后再確定最終的輸出畫面。

以最后確定的視頻為參考，再進行渲染中期的制作，確定燈光氛圍，以暖色調為主，根據每個鏡頭的不同，適當調整光源的方向。先渲染單幀圖像，場景搭配合理后，用光子圖替換方法渲染出一個序列。渲染后期，把所有完成好的序列導入Adobe After Effects，再次進行調色、加光暈等，確定主體物，次要物體進行遮罩模糊等步驟，最后導入Adobe

Premiere合成剪輯，加字幕配音輸出成片。

三、AR的制作

隨后，需要單獨渲染索系支撐塔、主動反射面、促動器、饋源艙、電動機等配件效果圖，運用開發AR系統的專屬APP：把FAST射電望遠鏡3D原模型和三維展示動畫植入專屬APP里。同時我們可以通過開啟客戶端（智能手機、智能平板）的AR程序，便可使用專屬APP掃描3D MAX模型，立馬打開AR系統獲取線上的內容，而我們看見的模型和平時看見的不一樣，我們看見的是“活的FAST射電望遠鏡模型”的效果，更神奇的是3D模型在AR軟件中可以旋轉觀察，給人身臨其境的感覺，點擊模型上設置的部件按鈕會彈出相應的三維動畫演示部件的功能用途，同時還配備文字說明，讓觀眾更直觀的了解FAST射電望遠鏡的各個系統的詳細信息及其功能用途。

四、3D打印FAST模型

使用專業建模軟件3D MAX分別建立FAST各個部件的3D模型，導出格式為STL的3D文件，再由通用切片軟件cura把模型切片并建立支撐，再以桌面級3D打印機、專業級3D打印機聯合打印，在模型組合過程中，我們使用了熱熔膠槍，雙面膠等各種粘合方式粘合，最終呈現打印成品。

五、反饋與總結

大力發展科普教育成為提高全民科學文化素質的重要措施，也是提高我國核心競爭力的重要手段。FAST的主要科學目標是中性氫觀測、脈沖星的發現以及地外文明的搜尋，是中國乃至世界開展天文研究的利器。但FAST的建設過程中并非僅僅由天文學家獨立完成，其中牽涉到多學科、跨行業的各大高校、科研所、設計院，從工程師到普通民工及當地居民都曾為FAST做出貢獻。而本團隊成員同樣來自數字媒體藝術、自動化、信息工程等不同專業的非天文專業學生。在系列作品的制作過程中，各專業學生利用自身專業所學知識，取長補短、合力合作完成以上作品。許多工作對于我們來說均是“超綱”的內容，但在FAST精神的鼓舞下，堅決克服困難，完成作品，最終也受益良多。而本項目的開展，正迎合了當前高校注重過程培養的思路，為高校培養應用型人才開拓了新的道路。

參考文獻：

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基金項目：國家自然科學基金（U1631236）：小質量恒星轉動與磁活動的研究及其星震學限制。