基于AR及3D打印技术制作FAST科普作品

廖雨晴 江林焱 叶行高 石庆河 张立云

【摘要】主要介绍了借助AR、3D打印技术制作FAST科普作品的过程，系列科普作品包括望远镜的3D模型制作、宣傳视频制作、AR制作及3D模型的打印多个环节构成。希望通过此类形象直观的方式向普通民众展示FAST的基本构造和原理，为FAST的推广和提高大众科学文化素养起到一定的推动作用。开展天文科学知识普及，提高公众科学文化素质，这对社会公众特别是青少年是非常必要的，对于启发和培养青少年的科学探索精神，提高我国的国民科学素养有重要的现实意义。

【关键词】AR;3D打印;天文科普;FAST

2016年9月25日，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）在贵州平塘建成启用，它是目前世界上最大单口径射电望远镜。FAST的建成不仅为中国科学家探索未知宇宙和生命起源开启了一道“天眼”，也将中国天文学研究推向一个更广深的世界，对中国的天文物理研究和加快创新驱动发展具有重要意义。

为了让更多的人了解天眼、认识天眼，我们依托物联网+、新媒体技术、增材制造等多学科，通过建立天眼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传FAST，生动形象地把FAST介绍给普通民众。

一、FAST模型的建立

本项目的系列工作都需建立在初始模型的基础上，我们主要借助专业建模软件3D MAX完成模型的总体设计。首先是地形的创建，我们去到平塘县参观实景，收集天眼相关图片视频及相关文献，分析FAST地形，基于整个望远镜位于贵州复杂的喀斯特地貌上：需要进行抗风设计，所以地形的制作亦需要将其因素包含其中。

制作完基本的地形后，又结合相关文献及数据整理出FAST主要结构。FAST分以下主要几个系统：（1）主动反射面系统;（2）馈源支撑系统;（3）测量与控制系统;（4）接收机与终端及观测基地。首先我们依据可获得的相关数据将以上主要部分的位置和比例大小进行确定。以反射面为例，反射面结构是FAST最主要部分之一：其本质上是一个轻型的跨度超大、形式复杂、形状实时可调的高精度索网结构。为了更好地体现锅面三角板细节，我们针对box球体，提取球体的一半将面进行细分单独挤出，让模型达到由许多个面组成的效果。“反射面”的下方是由2225套液压促动器支撑的，在制作反射面模型下方的促动器时，为了使促动器均匀的分布在“反射面”的底部，而且要随着“反射面”的幅度而改变会比较困难。经过多次尝试，终于在3D Studio Max中找到创建复合对象的“散布”命令，操作后达到了所要的效果。其他部分大多数都是钢架结构形式单一，可用多边形中的晶格命令来制作。对于其他天眼的组成部分，由于是内部结构复杂，无相关详细的参考资料，所以，我们对其抽象处理，制作简洁化。后期将制作完成的模型与前期的所搭建的模型进行替换，把模型全部整合，最后进行整体调整。

同时，由于3D打印模型需要的建模比较简化，因此，我们准备了两份模型，一份用来打印模型，另外一份进行视频制作及后期渲染。

二、宣传视频的制作

当模型确定后，接下来是渲染。渲染前期分析了每个部位的材质和贴图以及场景所需要的物件。以FAST环境为例，大射电望远镜有一个近乎苛刻的要求，那就是在周边一定区域内，必须有足够干净的无线电磁环境，所以在制作时，不需要把建筑群体融入到场景中来，只需要完善植物即可。从网上找到素材后，针对地貌开始制作，运用3D Max中Multi Scatter插件操作。其他结构的材质贴图均使用V-Ray 3.20渲染器进行操作，对物体的反射值、凹凸值、模糊值、UVW贴图等调整。所有物体材质贴完后做镜头预览动画，根据分镜脚本，从整体到局部的形式表现，先把预览动画用Adobe Premiere合成，修改后再确定最终的输出画面。

以最后确定的视频为参考，再进行渲染中期的制作，确定灯光氛围，以暖色调为主，根据每个镜头的不同，适当调整光源的方向。先渲染单帧图像，场景搭配合理后，用光子图替换方法渲染出一个序列。渲染后期，把所有完成好的序列导入Adobe After Effects，再次进行调色、加光晕等，确定主体物，次要物体进行遮罩模糊等步骤，最后导入Adobe

Premiere合成剪辑，加字幕配音输出成片。

三、AR的制作

随后，需要单独渲染索系支撑塔、主动反射面、促动器、馈源舱、电动机等配件效果图，运用开发AR系统的专属APP：把FAST射电望远镜3D原模型和三维展示动画植入专属APP里。同时我们可以通过开启客户端（智能手机、智能平板）的AR程序，便可使用专属APP扫描3D MAX模型，立马打开AR系统获取线上的内容，而我们看见的模型和平时看见的不一样，我们看见的是“活的FAST射电望远镜模型”的效果，更神奇的是3D模型在AR软件中可以旋转观察，给人身临其境的感觉，点击模型上设置的部件按钮会弹出相应的三维动画演示部件的功能用途，同时还配备文字说明，让观众更直观的了解FAST射电望远镜的各个系统的详细信息及其功能用途。

四、3D打印FAST模型

使用专业建模软件3D MAX分别建立FAST各个部件的3D模型，导出格式为STL的3D文件，再由通用切片软件cura把模型切片并建立支撑，再以桌面级3D打印机、专业级3D打印机联合打印，在模型组合过程中，我们使用了热熔胶枪，双面胶等各种粘合方式粘合，最终呈现打印成品。

五、反馈与总结

大力发展科普教育成为提高全民科学文化素质的重要措施，也是提高我国核心竞争力的重要手段。FAST的主要科学目标是中性氢观测、脉冲星的发现以及地外文明的搜寻，是中国乃至世界开展天文研究的利器。但FAST的建设过程中并非仅仅由天文学家独立完成，其中牵涉到多学科、跨行业的各大高校、科研所、设计院，从工程师到普通民工及当地居民都曾为FAST做出贡献。而本团队成员同样来自数字媒体艺术、自动化、信息工程等不同专业的非天文专业学生。在系列作品的制作过程中，各专业学生利用自身专业所学知识，取长补短、合力合作完成以上作品。许多工作对于我们来说均是“超纲”的内容，但在FAST精神的鼓舞下，坚决克服困难，完成作品，最终也受益良多。而本项目的开展，正迎合了当前高校注重过程培养的思路，为高校培养应用型人才开拓了新的道路。

参考文献：

[1]邱雨，罗曼卿，王淑宜.为“天眼”守护一方电波净土——追寻贵州“电波卫士”在FAST建设中的足迹[J].中国无线电，2016，（10）：18.

[2]张立云，李明，皮青峰.高校天文协会对天文科普教育事业发展的作用探究——以贵州大学天文爱好者协会为例[J].赤峰学院学报，2014，（14）：42.

[3]吴明长，王启明，郭永卫，赵保庆.大射电望远镜FAST风环境数值模拟研究[J].天文研究与技术，2012，（02）：121.

[4]金晓飞.500米口径射电望远镜FAST结构安全及精度控制关键问题研究[D].哈尔滨工业大学，2010.

[5]张立云，皮青峰.基于世界最大500米口径球面射电望远镜建设国际天文科普基地和科普云平台[J].科技风，2015，（20）：48.

[6]南仁东，姜鹏.500 m口径球面射电望远镜（FAST）[J].机械工程学报，2017，（17）：1.

基金项目：国家自然科学基金（U1631236）：小质量恒星转动与磁活动的研究及其星震学限制。