王琼1，2 张俊秋2 于晓亮2
（1.海军航空大学研究生管理大队硕士研究生，山东烟台 264001；2.陆航学院航电和兵器工程系，北京 101123）
内容摘要：随着直升机的作用日益凸显，机务保障培训也逐渐被重视，而利用虚拟现实技术训练机务工作者不仅能够不受场地限制，还有成本低、直观形象等优点，能够很好的完成训练目的。本文根据航电设备中的线缆为主要研究对象，利用3ds max对线缆进行仿真，模拟线缆运动，通过研究不同建模方法对直升机上柔性物体进行建模。
关键词：航电设备，柔体建模
0 引言
随着直升机的大力发展，机载电子设备飞速更新，在机务维护人员的培训中，需利用虚拟现实技术来搭建仿真机务训练平台，以提高培训效率，缩短培训时间，还能够很大程度降低训练成本。直升机上设备中，箱体、接收天线属于刚体模型，短波钢索天线、设备连接电缆属于柔体模型。电缆数量繁多且有电缆头和固定带，使得柔体建模时的工作量比较大；同时，在整合过程中，若柔体模型优化程度低，操作模型运算量大，将导致整个培训系统流畅度下降，甚至导致系统无法正常运行。因此，柔性物体的建模真实度对模拟训练的重要作用，要同时兼顾各方面的因素为训练人员搭建一个负责的平台。
1 基于3ds max的线缆建模方法研究
本文内容是基于3ds max软件对航电设备进行模型创建与优化。主要对于柔体模型（电缆、馈线、天线、弹簧等）进行优化改进，进一步的提升用户体验，并做到高仿真，轻量化。
在直升机维护平台的模拟维修中，线缆特别是多线缆的运动会影响到用户体验，优化模型可以使平台体验者有更加真实的感受。而3ds max中有关于毛发一类物体的建模方法及应用实例，并不适用于电缆等柔性物体，虚拟维护系统所涉及的柔性物体需要在表达静态特性的基础上展现柔体线动态效果，本文通过对“骨骼蒙皮”法、样线条视口渲染法和“路径变形绑定（WSM）”与“变形器”等方法进行尝试，选择适用于维护系统的建模方法。
第一个是蒙皮外加骨骼的方法。
此方法在柔体建模中最为常见。首先创建一根样线条，作为放样的路径待用；然后画出一个适当大小的圆作为放样的图形，直径便是线缆的直径；在“系统”中根据模型添加骨骼，在修改器列表中选择“蒙皮”，并选择“添加骨骼”，将所创建的骨骼添加进去；将做好的插头模型导入，插头便可以与线缆联动。
第二个是样线条视口渲染的方法。
此方法最为简单，直接通过创建一个圆角多点样线条进行视口渲染，而后对样线条厚度与直径设置，转换为可编辑多边形就能简单的呈现出线缆形态。
第三个是路径变形绑定（WSM）方法。
此方法通过设置线缆或者弹簧路径，变形初始两种添加变形器的样线条状态来表现形变过程。创建一根样线条，导入插头后调节其形态，作为线缆路径使用；再根据插头直径创建一个直径大小合适圆柱体，调节圆柱体的高度分段与边数，点击修改器中“路径变形绑定（WSM）”，拾取路径选择刚才所创建的样线条，再点击“转到路径”。调节“百分比”与“拉伸”两个参数，使线缆与插头相匹配。
综合以上三种柔体模型创建的方法，进行详细数据比较，现采用控制变量法（模型同长度、同直径，动画同时长），对一捆十根的线缆进行建模，并对相同插拔动画比较，结果如表所示：
由上表可以看出，骨骼蒙皮的方法的物理效果与形变状态最佳，能很好表现线缆的各种状态，但是所需创建的工程量较大，且线缆数量创建较多时会产生大量的面片数，且占用大量电脑内存，动画效果卡顿，且易超过导入Unity 3D面片控制的标准；样线条视口渲染的方法制作模型工程量最小，且简单易进行，面片数为零，动画时占用电脑资源最少，但是模型容易形变不自然，在制作比较复杂的动作时会出现严重的形变。
路径变形（WSM）的方法的各项性能表现最佳，不仅形变自然，可以制作较为复杂的线缆动作动画，并且不会产生过多的面片，适合绝大多数的线缆模型创建以及制作线缆运动的动画。
综上所述，路径变形的方法较为适合。但这种方法在线缆动画时插头与线缆联动表现不佳，这个问题需要通过调节插头关键帧时的位置进行解决。
2多线缆运动建模方法
在创建电子舱的柔体模型时，根据实物图，大多数的线缆都不是单独存在，有多数呈多线缆的模型。因此在创建动画时既需要表现多线缆的状态，又要表现多线缆运动的状态，在建模时还需考虑控制面片数以及是否过度占用电脑资源情况，因此采取路径变形（WSM）以及变形器来制作。
变形器常使用于改变一个物体的顶点去适应另一个物体的顶点位置，从而将两个物体合成起来，然后加以编辑就可以制作出一个物体变形为另一物体的动画。
而后，就可以将插头导入，放置与线缆初始状态的适当位置。
3直升机设备舱模型优化
为使柔体模型达到仿真效果佳、电脑资源占用小、动画运行流畅、可移植性强的目的，可针对直升机电子舱不同的线缆不同情况进行优化。
首先，对不参与物理形变的多线缆模型进行优化，利用整体圆角星形放样，这种方法不仅方便快捷，在没有影响外形仿真的层度上减少面数与顶点数，降低占用内存，在需要大量建模时，可以降低更多的顶点数与面数，使模型轻量化。
然后，对于变现物理形变效果以及插拔动作的线缆，采用路径变形与样线条变形器的方法来进行优化。这样，能够很好的优化骨骼蒙皮的面片数，制作动画时方便快捷，无需设置过多的关键帧，同时还有效降低工程量。特别是表现线缆插拔、形变的动作更加逼真流畅。同时，针对蒙皮和线缆联动的问题也可以使用路径变形绑定的方法进行。
另外，在刚性建模时，与线缆联合建模的还有许多不同类型插头、插口、螺母的刚体模型，为体现出金属感，提高平台用户的直观感受，可以使用调节贴图以及题解场景光参数以及反射高光参数优化模型。
4成果实例
在采取上述优化方法以及建模后，最终成果展示如图所示。
图 整体效果
根据模型实物外观、模型需达到的动作及形变效果，可以采取以上的方法对柔性物体进行建模，并可以根据不同方法的优缺点进行互补，在模型逼真、能适用于模拟训练平台的基础上进一步优化与简化模型。
参考文献
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论文作者:王琼1，2,张俊秋2,于晓亮2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/3
标签：线缆论文; 模型论文; 建模论文; 方法论文; 路径论文; 物体论文; 蒙皮论文; 《防护工程》2018年第24期论文;