基于3Ds Max 和Unity3D 在管道领域的设计与应用

黄天翔 郑誉煌* 余京晓

（1、广东第二师范学院 物理与信息工程系，广东 广州510303 2、广东第二师范学院 教务处，广东 广州510303）

近年来，我国在管道领域的技术持续发展，不断地攻克难题为我们的日常生活和制造业带来便利。随着技术的增长，管道技术使用的频率变高，范围变广，但对管道的检修带来了更大的考验，也有庞大的需求。目前我国的旧的管道检测方式，在时间和技术需求层面已经跟不上这种需求了，这就需要新的检测方式来替代，有利于完善我国目前的管道系统。我国的仿真技术目前已经有了很大地提升，在许多领域都得到了有效的利用，我们的项目目的就是在管道领域利用仿真技术设计并结合增强显示技术也就是人们熟知的AR（增强现实）技术，来构建出现实生活中的管道系统，并且在不同的环境下显示出对应的管道系统，利用这种直观，立体的方式可以帮助工作人员很好的排查问题，更高效的解决问题。不仅如此，增强显示技术还可以不需要到特定的环境进行的进行培训，在炎炎夏日也可以在空调房内利用我们的AR 技术进行立体化的学习，也可以更快速地实践，不在局限于理论知识以及一成不变的测验题，让课后实践变得更便捷，更让人接受，可以做到学以致用，培养更多的专业人才。通过这样的培训方式，和检修方式可以进一步的降低从业门槛，促进就业率，快速充实团队力量，在全国广泛分布为人民提供更好的服务，也更好的保障全国管道系统的正常运作。我们团队经过使用筛选后选择了3DsMax 来进行初始的3D 仿真模型的构造，并在构建后利用Unity3D 导入标示图实现在不同的环境下显现出相应的管道系统，并利用Unity3D 生成可在PC 端，Android 端使用的软件。本文将从模型的构造，场景选取和识别，成品的获得以及如何应用来阐述。

1 基于AR 的智能管道巡检系统开发流程

1.1 3D 模型设计

3D 软件数量也是非常多的，像是有中望3D，3DsMax，SolidWorks，Maya 等等。在这其中3DsMax 和Maya 隶属于同一家公司Autodesk，因为同一领域内的两个软件分属一家公司，为了避免“内斗”，将3DsMax 向设计领域发展就像是室内环境建设，模型设计这一类精细化的工作，Maya 就是负责制作影视特效，比如：影片中的爆炸，烟雾等粒子化的效果，学习起来耗时较长。中望3D 是国产的3D 软件兼容性较好，而且贴近我们的理解方式，但是有个缺点就是没有快捷键，不够便捷，使用的效率有点低。SolidWorks 制作的流程较长，需要制作草图在进行编辑，在进行大批量的制作时就显得效率较低，在考虑了这些对于我们项目来说的优点和缺点后，我们决定选择3DsMax 作为开发工具。

在面向AR 的3D 模型设计上我们的目标是做到复刻现实，用目前能达到的技术，去打造管道连接，管道分布，管道类型，系统构造以及管道的附属物品构造，在3D 软件上做出一个标准的模型作为基础，才能发挥这个模型在AR 领域出现时应该有的作用。另一方面就是要选择一个AR 呈现软件，基础打好还需要合适的搭配和工具让它在领域中表现出来，我们所用的就是太虚AR[1]。

1.2 AR 开发组件

AR 的开发组件选用的是太虚AR SDK，这个SDK 不同于其他公司的在于不仅能够识别具体的场景，还能识别场景中真实的三维坐标信息，以达到虚拟内容和真实环境的完全融合。能在现实环境中自由放置虚拟内容，创造身临其境的AR 体验。不仅是在操作和视觉上的不同，在场景选取上也是非常的便捷，只需要拍摄一张图放入，都可以进行识别，局限性小，在识别中还可以同时锁定多个目标，以此来提高稳定性，方便使用者观察，不会因为手的颤抖而不断变换，影响观感。

1.3 Unity3D 开发流程

本项目的开发程序如下：

（1）安装SDK，JDK。

（2）新建Unity 工程。

（3）导入SDK。

（4）拖入预制件“AR Camera”和unity 工程。

（5） 设 置AR Camera。将Marker Type 栏 选 取Image；Simultaneous Tacking 栏选择1 使识别market 的识别数量为1。

（6）设置识别图。要选用的图片，要放在Assets->Streaming Assets 中。

（7）添加3D 模型Cube。可以选中cube 按键调节模型大小。

1.4 运行效果

在完成上面所有步骤后要进行调试，也就是要打开生成的APP 进行观察，看看是否能够正常运行，管道是否达到了预期。图1 这是安装并打开我们所生成的APP，并且识别到我们设置的标志图的成品图。

图1 演示图

从这幅图中我们可以清晰地看出管道的构成，并且在手机上使用是可以旋转的观看的，可以供检修人员立体化的去观察物体的表面情况并且排查问题。

2 技术推广

2.1 日常生活

对于日常生活中所遇到的管道问题，大多数小区或是学校地下水管的断裂，地下管道分布如此复杂，等着专业人士拿着管道图来到分析，然后再用工具进行破土来进行操作，这个时间耗费过多，影响居住民的生活质量会引起的不满，以及水资源的浪费，特别是北方地区在寒冬以及夏日这种意外的发生相对来说频繁。我们的技术恰好解决这种情况，在用摄像头对着地面时可以显示出地下管道的分布，及时的找出水管的位置，进行分析，及时的解决问题或者通知修理员进行修理，就可以及时地解决问题，而且只要用人单位简单培训再有些管道修理的基本知识和经验就能够胜任，降低了就业的门槛。

2.2 工业环境

在工业层面的应用更为广泛，工业管道是在工厂里生产工艺各流水线中,运送、连络生产必须的原料、燃料、信号的各种气体、液体、颗粒、纤维等的管道，那么它所使用的频率更高，以及损坏后所产生的的经济损失更大，安全性问题也就更突出。在工厂内必然不是单口或者单体运作，多个机器管道运作，而管道分布相当密集，很难准确的查询，我们项目所开发的仿真管道技术可以通过编号以及颜色的差异准确的分类出不同的及其所属管道和类型管道，若是发生了问题就是普通的工作人员也可以及时的去定位修复小的故障，不至于去排查时管道都不能找到，若是发生大的故障也可以及时通知专业修理人士，提供修理方向节约时间，减少损失，增大了安全性。

3 总结与展望

在本项目的设计以及实践中，先从大体管道框架进行设计，再进入3DsMax 仿真软件中进行建构，完成了管道的三维建模，之后利用Unity3D 来定义扫描对象以及导出Android 的可用软件，再从Android 端进行测试，测试的结果也符合我们制作的预期，不仅可以清晰地观察到管道以及上面的字体还可以旋转立体的观察。在第二部分分析了在应用到日常生活中以及工业环境中的可能性，当然在日后发布软件过后的使用过程中必然存在问题，我相信之后的这些问题可以帮助我们做的更好，可以为使用者带来更好的服务和体验。本次的项目要实现的就是让大家可以拥有一双“管道透视眼”。希望我们所做的仿真管道可以让用户们对管道以及管道周围的设备有一定了解，可以提高生活中，工业上的管道使用安全并且节约所花费的时间成本以及带来的经济和物资损失。

虽然目前我们已经实现了对管道的模拟，以及立体观察的目标，但是接下来我们还有许多的提升空间，以及想要完成的目标：

（1）可以不局限于手机上的立体展示，因为在手机上依旧存在角度上的局限和视觉上的不适，我们将下一步进行VR 上的构造和呈现，让在科幻电影《钢铁侠》上的技术在带上VR 设备后成为现实。

（2）将对管道的细节继续加工，无论是材质以及边角细节都接近于现实，并加上一些交互系统，可以更好地帮助使用用户判断安全情况并精确修复，带来更好的体验。