飞机三维数据可视化探究与实现

刘宁

【摘 要】自麦肯锡公司提出“大数据”的概念以来，随着互联网和信息行业的发展，大数据成为继云计算、互联网、信息行业又一大颠覆性的技术革命，已经越来越多的被应用到军事、航空、金融、汽车等行业。有了大数据技术，用户能够准确的提取信息，更新数据。通过数据分析，可以实时掌握整个项目的研发、生产进度、实时发现并解决问题，提高了工作效率，也大大降低了出错的概率。而如何将这些数据直观、准确的呈现给用户，服务于用户，则要通过一些列的技术手段来实现。本文以Unity三维软件为数据展现平台，以C#语言开发工具为手段，以GUI技术为界面实现工具，详细、具体地讨论如何将飞机的各项数据，以三维可视化形式展现出来，更好地为飞机研发、制造、装配而服务。

【关键词】大数据；Unity；数据可视化；三维数据；界面；GUI

1 研究背景和意义

飞机的研制、生产是一个庞大的系统工程。在整个研制过程中，会产生巨量的数据，人工处理这些数据将耗费大量的时间。传统的数据展现方式，常常以单纯的文本、表格等形式表现出来，不仅单调乏味，且界面复杂，导致用户体验不佳。而将数据以可视化的形式展现出来，可解决这一难题。通过Unity三维软件，能够将飞机三维数模呈现在平台中，通过定位飞机的GIS地理位置，实时的获取该位置的零件详细信息，如FO、FRR、生产、试飞、试验数据等，实时掌握飞机的研制状况，及时的发现并解决问题。用户还可以通过详细的数据分析，制定下一步的研制、生产计划，为整个项目节省人力和时间成本。

航空业作为最具代表性的高科技产业，是体现国家科技能力的重要标志。而我国航空业起步晚，困难多，时间紧迫。因此，我们需要一个先进、有效的手段，为整个研发的过程服务，缩短我们与发达国家的差距，或在不久的将来，能够达到世界先进水平。因此，这个实现飞机数据的可视化展示，对航空业的发展具有重大意义。

1.1 飞机三维数据可视化应用简述

通过Unity三维软件，为飞机数模建立一个虚拟的三维场景，将整个飞机数模置入这一虚拟场景当中。可以筛选飞机的不同型号和飞机的外观表现形式。以带蒙皮形式展现，可以全360度观察飞机的各个部段；以全机数模形式表现，可以观察其内部数据，全面了解飞机各个系统的位置、情况及工作进度。在平台界面设计上，除了飞机三维空间展示，还有详细的列表设计。在列表当中，实时提取了该飞机地理位置上的信息。如FO、FRR等。

在功能上，通过C#程序语言来实现界面上的交互操作。如通过的鼠标的一些列缩放旋转等操作，来查看飞机的各级系统信息。

2 实现所需的软件

2.1 Unity

Unity是由Unity Technologies开发的一个建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity类似于Director， Blender game engine， Virtools 或Torque Game Builder等利用交互的图型化开发环境为首要方式的软件其编辑器运行在Windows和Mac OS X下，可发布游戏至Windows、Mac、Wii、iPhone、Windows phone 8和Android平台。也可以利用Unity web player插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览。它的网页播放器也被Mac widgets所支持。

Unity被广泛应用到航空航天、军事国防、工业仿真、教育培训、医学模拟、建筑漫游等领域。一般称之为Serious Games（严肃游戏）。在严肃游戏领域，Unity在很多方面具有非常明显的优势，例如完备的引擎功能、高效的工作流程、更逼真的画面效果、跨平台发布及第三方插件等，这使得Unity在严肃游戏领域也广受欢迎与关注。

2.2 C#语言

C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。并定于在微软职业开发者论坛（PDC）上登台亮相。C#是微软公司研究员Anders Hejlsberg的最新成果。C#看起来与Java有着惊人的相似；它包括了诸如单一继承、接口、与Java几乎同样的语法和编译成中间代码再运行的过程。但是C#与Java有着明显的不同，它借鉴了Delphi的一个特点，与COM（组件对象模型）是直接集成的，而且它是微软公司 .NET windows网络框架的主角。

3 用户需求分析

经过调研，收集各方用户的需求，飞机三维数据可视化平台目前主要满足两个需求：展示试飞试验数据信息和显示数据装配大纲信息。

其中，试验类别有：机上地面试验、压力试验、密封试验、APU燃油切断阀试验、导线综合试验、水箱排放试验、刹车功能系统实验、中央警告系统机上功能试验等。

装配大纲部分，以特定约束条件过滤，展示三维生产监控数据。

3.1 界面设计

在界面设计上，设计师前期做好操作界面交给GUI开发人员。开发人员通过Unity软件中的GUI工具，将图标、图片信息及菜单的设计原图在平台的虚拟场景上来实现，使用户能够直观的选取自己所需要的模块。

UI设计部分如图1所示，以公司的企业标准色为基色，体现高科技感，使用扁平化设计风格，凸显简洁及易用性，节省分析师的时间成本。

3.3 技术流程

先由讨论组收集、明确用户需求，然后将平台架构和主要功能明确，再开始由设计到实现平台功能的过程。技术人员的构成如下：

UI设计：负责整个平台的整体风格，界面布局、图标的设计和表现。

GUI设计：通过Unity软件的GUI工具，将设计师的图标、图片等设计效果，通过GUI工具与C#开发语言相结合，在平台空间中，搭建整个界面，并实现菜单的交互操作和飞机模型的显示效果控制等。

软件开发：将试飞试验数据信息和装配大纲信息，通过提取BI或其他平台数据，在Unity软件中实时查看、更新。

三维设计：将最新生成的全机三维数模，通过Deep Exploration、3Dmax、Maya等三维软件，将数模优化、精简。同时还需渲染一个具有科技感和美感的虚拟环境，使飞机能在Unity创建的虚拟环境中，以最佳和最快速的效果展示给用户。

4 构建与场景生成

一期搭建了三维数字可视化平台，主要开发了两个场景。选中左边场景的飞机机头部份，右边的列表会显示相关的生产进度、质量、配送信息都展现出来。如图2所示。

4.1 功能设置

（1）初步设计以下功能：

A）显示三维对象信息（零部件、三维组合对象ID-零部件、位置等）；

B）生产节点（节点id）质量、配套等信息；

C）为了增加飞机模型结构、系统的可读性，在飞机上增加标注。

（2）实现方式：

A）以零部件模型名称，建立标签（数据库建立对应的label表，用来维护标签信息，并增加类别、level等字段，外键：三维对象ID。）

B）为标签设定level级别

C）按放大比例，用不同字号显示不同level的标签文字

D）高级功能（开发算法，智能改变标签文字的显示方式）

E）放大5倍时，仅显示大部段名称

F）放大至4倍时，显示大部段名称和系统名称

4.2 模型优化处理

通过Deep Exploration软件中打开飞机原数模格式为.CRG格式的源文件， 然后导出文件为.RH格式。

再次打开Deep Exploration软件，打开.RH格式的文件进行查看，会发现模型量巨大，选取软件中的模型属性工具，察看该模型的具体点、线、面的数量的大小，选取软件中的优化工具，将模型按百分比优化，再导出文件为.OBJ格式。

4.3 模型整合与导出

打开Maya三维软件，导入之前保存好的.OBJ的文件。打开Display-poly count工具，查看模型的点、线、面的数量。如需要优化，使用Mesh-reduce工具，调整优化百分比，将模型量优化到最合适的大小。

4.4 基于Unity3D引擎的虚拟环境渲染

利用Unity强大的渲染功能，可以在场景中营造一个逼真的环境效果。使用Lightmapping（光照贴图技术）是一种增强静态场景光照效果的技术，它可以通过较少的性能消耗使得静态场景看上去更真实、丰富以及更有立体感；Unity使用的是Autodesk的Beast插件，并提供了相应的用户界面，在Unity使用Lightmapping非常方便，利用简单的操作就可以制作出平滑真实且不生硬的光影效果。

4.5 交互设计与实现

Unity内置了完整的GUI系统，提供了布局、控件到皮肤的一整套GUI解决方案，可以做出不同风格和样式的GUI界面，并且扩展性很强，用户可以基于已有的控件创建出需要的控件。在整个三维可视化平台的界面中，将预先设计好的界面、菜单、图标等，使用GUI技术进行实现，如图3所示。

图3 将界面设计效果通过GUI实现

5 原型系统测试情况

目前，三维飞机可视化平台已经完成原型测试，并发布了1.0版。该版本主要完成了两部分功能的实现：

（1）展现公司主要价值流和工作流程，将整个公司的工作流程，分为若干个模块。

（2）建立飞机环境场景，渲染逼真的环境效果，以不同的展示形式展示飞机外形及内部结构。

点击某个AO，显示具体信息，内容包括配套、质量，FRR、列表，体现该AO装配任务和实际操作中遇到的各种问题。

在测试已有功能的前提下，正研究如何将其他飞机相关的业务数据集成到飞机模型上来。例如是否可将首件检验，适航检查，EO落实，CPS工艺规范等信息与飞机对接，展现飞机制造过程中的复杂程度及安全系数，为精细化管理提供多维分析平台等。

6 结论与展望

我们处在大数据技术、可视化技术快速发展的时期，这对航空业的发展具有深远的意义。通过本次飞机三维可视化平台的研究和实现，能够得出结论，将大数据进行可视化展现有如下几种优势：

A）直观地展现数据的实时状况；

B）合理地将枯燥乏味的数据以合适的形式感展现给用户；

C）友好的操作界面、简单易用的互动设计给用户良好的用户体验。交互使得关键信息更加直观地展现出来，重点更加突出。

综上所述，通过实现数据的可视化展示，能够让生产决策部门实时地进行生产监控，发现和解决问题，并能帮助设计人员进行各方面的计划和调整，从而大大缩短整个飞机的研制周期。该平台目前还有一些功能正在开发和研究当中，这些功能也将对未来的研制工作大有帮助。

【参考文献】

[1]徐智虹.基于三维可视化的路基特性监测系统实现技术研究[Z].北京交通大学，机械工程，2012.

[2]相鹏， 刘展，孙记红， 宋学锋.三维可视化建模方法在位场模拟中的应用[J].计算机工程与应用，2009.

[3]Unity4.X从入门到精髓[M].中国铁道出版社，2013.

[责任编辑：曹明明]