VR平臺下的無人機(jī)虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究

汪鄧涵 黃秋野

（南京航空航天大學(xué) 江蘇省南京市 211100）

目前在相關(guān)的虛擬裝配教育模擬仿真虛擬現(xiàn)實應(yīng)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(yīng)用的粘性程度，其缺陷在于裝配模擬的嚴(yán)肅性內(nèi)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(yán)肅性內(nèi)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(guān)鍵技術(shù)流程的角度去平衡嚴(yán)肅性內(nèi)容與用戶體驗，強(qiáng)調(diào)采用工業(yè)設(shè)計模型的標(biāo)準(zhǔn)去應(yīng)用至虛擬現(xiàn)實裝配平臺中，在保證以工業(yè)模型的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)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(jī)虛擬裝配平臺。

1 仿真平臺的總體流程設(shè)計

無人機(jī)虛擬裝配平臺需要由視覺與功能兩部分的設(shè)計構(gòu)成。

1.1 視覺設(shè)計流程

關(guān)于視覺方面包括設(shè)計并制作無人機(jī)部件模型和室內(nèi)場景模型，在功能方面實現(xiàn)無人機(jī)部件組合與解構(gòu)交互、場景移動交互。根據(jù)工作機(jī)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(zhì)的部分則需要3Dmax、Quixel Mixer進(jìn)行構(gòu)建并且根據(jù)引擎機(jī)制對其進(jìn)行初模的構(gòu)建與優(yōu)化、貼圖的繪制與儲備。關(guān)于視覺流程優(yōu)化的設(shè)計上，面對如何在有效管理視效資源的情況下提升材質(zhì)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(shè)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(xì)節(jié)映射至低精度模型，減少面數(shù)的渲染級別。最后拓展UV坐標(biāo)使得貼圖與材質(zhì)能夠?qū)φ掌ヅ洌瑸檎鎸嵅馁|(zhì)提供位置基礎(chǔ)。

1.2 功能設(shè)計流程

關(guān)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(shè)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(yùn)行的應(yīng)用程序。在優(yōu)化流程設(shè)計上，模型對象對系統(tǒng)內(nèi)存占據(jù)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(nèi)存限制，在無人機(jī)裝配中，零件模型數(shù)量多且可用性強(qiáng)，所帶來的交互與面數(shù)會帶來大量的內(nèi)存占取，那么會出現(xiàn)卡頓、數(shù)據(jù)丟失等問題。在實例觀察中，所有的模型對象進(jìn)行了加載，實際進(jìn)行交互的模型對象占比較少，這樣導(dǎo)致其它無交互模型對象是無效且占據(jù)一定的內(nèi)存，這造成了硬件渲染上的浪費。基于此，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(nèi)去加載與卸載模型對象，構(gòu)建出合理的緩存池框架（圖1）。最終以適當(dāng)優(yōu)化流程完成整套裝配平臺的構(gòu)建。

圖1：基于緩存池的優(yōu)化

以上便是基于VR的無人機(jī)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(gòu)建

以工業(yè)模型標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(nèi)存消耗帶來負(fù)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(shù)優(yōu)化。

3.1 工業(yè)模型標(biāo)準(zhǔn)在無人機(jī)模型的應(yīng)用

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

（1）工業(yè)模型是根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品的原型進(jìn)行縮小或者放大，在外觀以及尺寸上與最終的產(chǎn)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(shù)指標(biāo)，從而達(dá)成功能性。

（3）擁有美學(xué)指標(biāo)與文化指標(biāo)，可以對產(chǎn)品原型本體的設(shè)計實踐產(chǎn)生思維導(dǎo)向，發(fā)揮起象征性作用。

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

首先運(yùn)用sketch up劃分無人機(jī)外殼、無人機(jī)部件兩個主要拼裝部件的部分，然后采用3Dsmax在細(xì)節(jié)上進(jìn)行添加，并取其高模的細(xì)節(jié)法線貼圖[7]，而對平整且不需要細(xì)節(jié)的模型面進(jìn)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(nèi)存，最后運(yùn)用骨骼動畫將各部件進(jìn)行約束連接，使其產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，提高模型在系統(tǒng)里的真實性。

針對無人機(jī)模型制作所對應(yīng)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(chǔ)模型，再以多邊形建模為制作手法，對基礎(chǔ)模型進(jìn)行細(xì)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(yīng)的細(xì)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(shù)上做簡化等優(yōu)化處理，避免占用過多的運(yùn)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(jī)外殼以及機(jī)槳工業(yè)建模

無人機(jī)的外殼現(xiàn)實作用在于保護(hù)組裝部件與減少空氣阻力為目的，機(jī)槳則是作為無人機(jī)的動力輔助部件，其模型設(shè)計都為符合流體力學(xué)的流體型曲面形態(tài)，適合采用NURBS樣條線進(jìn)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(jù)無人機(jī)的外觀尺寸和部件參考尺寸構(gòu)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(zhuǎn)折關(guān)系則劃分為不同的平滑層級。

圖2：無人機(jī)外殼的曲面效果

3.1.2 無人機(jī)裝配部件工業(yè)建模

無人機(jī)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(dá)（圖3），建模方式多在基礎(chǔ)多邊形上進(jìn)行邊角上的調(diào)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(chǔ)模型多采用切角長方體、立方體等標(biāo)準(zhǔn)幾何體組件而成，利用渦輪平滑修改器進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，利用邊緣去控制細(xì)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(dǎo)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(chǔ)[11]，樣條線的編輯特性能夠適配電纜線本身的多復(fù)雜彎曲結(jié)構(gòu)，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(dá)在六軸無人機(jī)中多為圓盤樣式，只需通過擠壓、拉伸完成對基礎(chǔ)模型的形變。

圖3：無人機(jī)外殼、機(jī)槳及其部件

3.2 場景工業(yè)模型的構(gòu)建

三維場景是根據(jù)無人機(jī)課程中的訓(xùn)練需求所設(shè)計，目前針對無人機(jī)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(xùn)練類型[3-4]，為此遵循需求將關(guān)卡劃分為拼裝訓(xùn)練關(guān)卡與飛行訓(xùn)練關(guān)卡，根據(jù)關(guān)卡特性需要設(shè)計與構(gòu)建出相關(guān)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(yīng)注意模型基礎(chǔ)單位的調(diào)校與參考物的設(shè)定。已知Unity3D引擎的基礎(chǔ)單位為米，在3DMax的單位自定義應(yīng)設(shè)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(jù)世界坐標(biāo)為基準(zhǔn)，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(jìn)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(guān)卡場景為例，根據(jù)上述比例判定所設(shè)計得出的場景尺寸數(shù)據(jù)為320cm（長）*260cm（寬）*200cm（高），結(jié)合基礎(chǔ)多邊形對三維場景進(jìn)行方位上的搭建，于是針對多邊形上的點、線、面進(jìn)行位移上的編輯，通過對模型線段的增減為門等占有進(jìn)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(jìn)出口路徑上增加線段與面并配合渦輪平滑修改器產(chǎn)生更多的模型細(xì)節(jié)，反之次要路徑區(qū)域則直接采用簡易的基礎(chǔ)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(zhì)，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(jìn)行材質(zhì)ID的區(qū)分。根據(jù)案例，無人機(jī)部件模型可以附加成同一個多邊形模型組，根據(jù)固有色之間的差異對不同部件材質(zhì)進(jìn)行附著材質(zhì)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(jìn)行拆分，并將其UV網(wǎng)格進(jìn)行平整化處理，保證紋理能夠?qū)R，避免出現(xiàn)紋理與模型表面產(chǎn)生拉長、錯位、擠壓與變形的現(xiàn)象。

圖5：多維子材質(zhì)

4 Unity3D引擎的三維工作機(jī)制

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

4.1 可視化構(gòu)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(jìn)行可視化編程的操作，在創(chuàng)立多樣化參數(shù)操作的基礎(chǔ)上，有利于精細(xì)化材質(zhì)效果，從而對材質(zhì)上的細(xì)節(jié)進(jìn)行有效的把控。當(dāng)前引擎所配置的基礎(chǔ)材質(zhì)球（StandardShader）對物體視覺表現(xiàn)有所限制，只能對四個重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法滿足復(fù)雜且多樣的場景視覺需求，可見可視化著色器在關(guān)鍵技術(shù)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(xì)的光照仿真模擬需要消耗大量的硬件內(nèi)存[1]，所以需要采用烘焙技術(shù)對光照系統(tǒng)內(nèi)的反射球、光照探針、局域光以及光源全局技術(shù)共同構(gòu)成為光照貼圖。在無人機(jī)裝配環(huán)境下多物體的光照會帶來多余的系統(tǒng)負(fù)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(jié)算所帶來的負(fù)載，于是需要對光源信息進(jìn)行整合并且生成到靜態(tài)貼圖中是關(guān)鍵技術(shù)步驟之一（圖6）。

圖6：場景光照信息優(yōu)化前后幀數(shù)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(yīng)在基礎(chǔ)的物理計算上，例如重力、碰撞等物質(zhì)在物理世界中產(chǎn)生的作用。因此，引擎通過剛體（Rigidbody）為基礎(chǔ)并對物體進(jìn)行物理仿真的碰撞計算，根據(jù)碰撞范圍從而判定是否進(jìn)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(yīng)用在仿真方面的可靠性。

5 無人機(jī)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(yīng)將模型的坐標(biāo)軸重置于中心點，有位移需求的無人機(jī)模型則需要將坐標(biāo)軸重置到物體坐標(biāo)的最底端，同時坐標(biāo)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(dǎo)出模型與貼圖；核查平滑組開啟狀態(tài)，修改導(dǎo)出單位的基本設(shè)置，最后結(jié)合到引擎內(nèi)部進(jìn)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(xué)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(dǎo)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(jī)制，合理對場景增加多方面的光照細(xì)節(jié)，為此可以通過三個步驟去構(gòu)建燈光的布局：

（1）在場景內(nèi)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(diào)則呈為暖色，因為考慮到場景構(gòu)造多為封閉且光照入口空間少，所以光照強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為5cd。通過色調(diào)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(dǎo)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(zhì)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(xì)節(jié)。

圖7：無反射球（前）反射球渲染（后）

5.2 工業(yè)材質(zhì)貼圖的細(xì)化調(diào)整

模型在引擎中表現(xiàn)各類質(zhì)感，需要在之前的紋理貼圖基礎(chǔ)上與引擎內(nèi)著色機(jī)制結(jié)合反射、金屬度、平滑值、法線強(qiáng)度等材質(zhì)屬性去構(gòu)成完整的材質(zhì)表現(xiàn)，如圖10。根據(jù)案例場景，對場景主要材質(zhì)的表現(xiàn)進(jìn)行解析，為此總結(jié)出兩種配置方法：

（1）混凝土地膠材質(zhì)作為場景中重要的組成部分，設(shè)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(diào)整法線的凹凸程度至6.0f，通過將遮擋貼圖范圍調(diào)整至0.8f（1.0f為同個材質(zhì)球的平滑度與金屬度之間界限分明），地面引導(dǎo)的自發(fā)光屬性為1.0f。

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

經(jīng)在區(qū)間內(nèi)的調(diào)試，場景中不同材質(zhì)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(zhì)的參數(shù)設(shè)置

5.3 無人機(jī)裝配模型對象的緩存池優(yōu)化

在無人機(jī)裝配環(huán)境中，由于無人機(jī)組件作為模型對象占據(jù)著一定程度的系統(tǒng)內(nèi)存。系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)行優(yōu)化，在用戶進(jìn)行交互行為時，模型對象在環(huán)境中會產(chǎn)生加載且無法進(jìn)行回調(diào)，在用戶進(jìn)行多次交互行為后系統(tǒng)內(nèi)存空間里的模型對象會產(chǎn)生疊加。在面對批量模型對象進(jìn)行多次交互行為的情況下，其中產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)存消耗成為了功能設(shè)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(jī)零部件裝配的重要交互模型，在用戶體驗中占據(jù)主要交互的對象；

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

（3）模型對象的生成過程與銷毀過程，會產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，這為內(nèi)存空間帶來一定的負(fù)擔(dān)。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(jìn)行優(yōu)化。

5.4 工業(yè)無人機(jī)的動畫程序化

在無人機(jī)虛擬裝配平臺中，擁有大量的機(jī)械動畫，由于機(jī)械類動畫強(qiáng)調(diào)關(guān)節(jié)中的鏈動，支點的存在對整體模型的動向起到導(dǎo)向作用[12]，整體具有簡易性、重復(fù)性的特點。結(jié)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(jìn)行動畫設(shè)定，以無人機(jī)的旋翼動畫為例，首先提取出無人機(jī)在引擎內(nèi)的坐標(biāo)軸心，以垂直Y軸為基準(zhǔn)，設(shè)定軸旋轉(zhuǎn)每秒運(yùn)行的角度，并創(chuàng)建一個可以進(jìn)行變量的平均速度，這使得在開發(fā)流程中可以隨時調(diào)控旋翼的旋轉(zhuǎn)速度，保證與現(xiàn)實的協(xié)同性，從而在動效上達(dá)到仿真的效果。隨著動畫優(yōu)化的推進(jìn)，引擎內(nèi)部的資源管理得到了拓展，進(jìn)一步提高了流程化工作線的迭代成效。

6 結(jié)束語

無人機(jī)虛擬裝配平臺是個對關(guān)鍵技術(shù)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(zhì)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(gòu)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?qū)o人機(jī)部件模型進(jìn)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(xué)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(zhì)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(xí)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(shù)據(jù)大小，為此提供了一套動畫批量化的程序方法，為平臺預(yù)留了數(shù)據(jù)空間，降低對硬件的適配門檻。

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