創新展品在線協作設計系統的技術實現

趙兵兵 李贊

[摘 要]信息化手段的協作設計系統終將取代傳統手工作坊模式，促進科技館展品研發工作效率和水平的提升。本文提出相對簡單可行的技術解決方案，經試用取得良好效果，適用于科技館展品研發的協作設計系統，希望能夠解決目前創新型展品的研發設計、溝通交流、資料管理、推廣制作、產權保護等方面存在的問題和困難。該系統引入了多人實時協作設計的概念，綜合利用了互聯網、實時通訊、三維仿真等信息技術。

[關鍵詞]科技館 展品研發 協作設計

隨著國家、社會對大眾科普及科技館展示水平的需求不斷提高，科技館行業的可持續發展與展品設計方式相對落后之間的矛盾日漸突出。為實現科技館展品研發生產的標準化、規范化和規?；?，提升展品研發的成功率，需要依靠信息化手段完成工業化升級轉變。

在線協作設計系統的建成，為科技館展品設計、制作行業之間的協作設計提供了互聯網工作平臺，打破了原有工作模式的時間和空間限制，各個工種的設計人員可共享同一個三維設計界面，實時觀看展品拼裝過程及展示效果，并且每個協作人員均可申請對展品模型的操作權，在協作過程中，設計人員可以通過實時的文字、語音通訊進行交流，并保存展品的修改意見。

一、在線協作設計系統的主要功能和技術實現方式

在線協作設計系統的主要功能包括：導入三維模型、由模型轉為展品構件、快速拼裝虛擬展品、三維仿真演示和多人在線協作設計。系統支持多種格式三維模型的導入，并經過對模型的拼接屬性和仿真屬性進行編輯，轉化為支持在本系統虛擬拼裝的通用構件，并存入模塊化通用部件素材庫的相應分類。設計人員可以通過選取素材庫中的構件快速拼裝成虛擬展品，通過簡單調試，即可演示展品的仿真效果，在協作模式下支持多人遠程共享設計界面并實時交流。

系統搭建過程：

（1）服務器端采用tomcat的Webapp架構平臺系統，使用Java語言開發，選擇Spring加hibernate加postgresql的技術框架。

（2）客戶端采用C++語言開發，使用了Qt交互界面引擎和OSG三維渲染引擎；客戶端與服務器端的資源訪問采用了restAPI協議。

（3）協作服務的數據同步采用電信級的erlang開發工具定制完成。

（一）導入三維模型和展品構件的編輯功能

虛擬展品的數字構件作為在線協作設計軟件最基本的拼裝零件，不但包括通過模型文件上傳到系統的三維模型數據和相應的材質貼圖等設置，還包括在虛擬拼裝過程中需要定義的多種特殊屬性：拼裝接口屬性、運動屬性、光學仿真或物理仿真屬性。拼裝接口屬性的定義，降低了數字模型在三維虛擬空間中的操作難度，有效提高了展品虛擬拼裝和概念設計的效率。

構件編輯功能的實現過程，是在客戶端軟件中使用Qt作為交互界面開發工具，實現基本的鼠標鍵盤消息管理；使用OSG作為三維渲染引擎，實現基本的OSG模型加載以及紋理加載。

在進行三維場景繪制時，用戶點擊鼠標對構件進行拼裝接口的設計以及marker標定點的設定和命名，完成對構件的編輯。

所有數據資源的獲取，通過服務端spring +hibernate +postgresql方式建立的webapp框架，然后通過restapi的方式進行獲取。

（二）展品的在線拼裝和交互設計功能

在線協作設計系統的展品拼裝過程簡單、高效，具有光電磁效果運動屬性的展品在拼裝完成后，還可經過簡單設置觸發參數進行效果演示。

展品拼裝功能的實現過程：當用戶使用鼠標選中構件后，場景中加載該模型，并根據模型動態調整用戶視點。用戶可以使用鼠標選中模型，然后進行移動，在移動過程中，程序會根據在構件編輯時設定的拼裝接口自動完成動態的姿態調整，在三維設計空間中智能輔助用戶完成拼裝過程。當用戶釋放鼠標時，表明這個拼裝過程已經完成，程序開始計算拼裝的運動關聯問題，并綁定相關的構件模型。

（三）利用展品仿真功能驗證概念設計的合理性

設計成果展示系統是基于互聯網的三維仿真演示平臺，演示的內容是由在線協作設計系統發布的虛擬展品，在這里仿真模擬了現實科技館中觀眾與展品之間的互動，用戶通過對虛擬展品進行交互式操作，展品會依據預設的電、磁、機械運動等物理屬性進行演示，登錄用戶可以提交文字評論有針對性的意見和需求。這個系統使展品的設計者、生產者、使用者（觀眾）等人群都有機會充分表達對展品的意見和需求，為后續的產品研發和改造提供具有針對性的用戶反饋。在線協作設計系統可以在多人協作過程中直接觀看展品實驗結果和演示效果。

展品互動演示功能的實現過程是利用Qt所產生的每一步設置界面，用戶可以設定相應的控制邏輯，如利用按鈕控制另一個部件的運動邏輯等設定好之后點擊控制按鈕開始仿真。OSG場景中會自動加入該事件的響應機制，當用戶點擊按鈕的時候，會觸發相應的事件，然后進一步控制部件之間的關聯運動。如果有電子特效，則在marker之間的檢查之后，觸發并進行播放。

光電效果演示功能的實現過程是利用OSG中的粒子特效，實現閃電、火、光、電等仿真效果。當marker的檢測通過之后，會觸發一個相應的消息，這個消息的響應函數，根據用戶設定的邏輯進行執行。所謂的仿真，在計算機圖形學上都是采用粒子特效進行模擬，關鍵是如何觸發，什么時候觸發才是重點，所以觸發參數的設置是實驗結果的關鍵。

（四）在線協作設計功能有效降低了團隊合作的溝通成本

在線協作設計系統使展品設計人員、制作人員以及更多的團體和個人有機會參與到實時的展品設計過程中，并在協作設計中通過實際操作展品的拼裝，充分表達對科學原理、科普效果的需求，這些需求和意見將是展品設計人員寶貴的經驗積累。

協作設計功能的實現過程是在服務器端采用erlang進行展品項目的消息管理，通過erlang建立了連接等待和消息管理等機制，為每個用戶建立一個微進程，用戶之間的消息通訊以及廣播通訊根據進程進行，用戶的退出和加入狀態也是利用微進程進行管理。在客戶端軟件中，使用Qt作為交互界面開發工具，實現基本的鼠標鍵盤消息管理；使用OSG作為三維渲染引擎，實現基本的OSG模型加載以及紋理加載。用戶的操作按照基本元進行劃分，然后每個操作會發送相應的數據到服務端，服務端按照展品項目進行廣播和同步，從而實現在線設計過程中的協作功能。在通訊過程中，通常會有延遲和時序問題，解決方式是把每個報文加上時間戳，然后在服務端進行排序并在客戶端進行處理，充分利用多線程的方式保證數據通訊的實時性。

（五）實時通訊功能可以將有價值的建議和意見保存在相應的展品資料中

實時通訊功能作為團隊協作的基本溝通方式，可以將有價值的建議和意見保存在相應的展品資料中。多人在線實時討論功能實現的原理與協作設計相同，只是用戶在線討論的數據是文字信息，而不是對模型的操作數據。所有數據資源的獲取，通過服務端的spring +hibernate +postgresql方式建立的webapp框架，然后通過restapi的方式進行獲取。

二、創新展品在線協作設計系統的試用效果

2017年，中國科技館在 “兒童科學樂園”主題展廳更新改造項目中進行了平臺測試運行，各展區分別選取展品進行在線協作設計，以展品策劃和藝術設計人員為主，在討論溝通的同時，調整在線修改模型，并在設計過程中和確認階段引入機械設計和電控設計人員提供建議，保證設計成果的合理可行。

傳統的展品設計過程一般要通過會議當面討論、電話溝通、網絡通訊、軟件文件交流為主，在每次交流表達對項目或階段性成果的意見后，藝術設計人員在本地電腦上進行制圖和修改，然后提交策劃負責人審核確認，策劃人員再指出問題和建議，每件展品需要這樣往返3～5次才能定稿，總時間一般需要15～30天。試用在線協同設計軟件后，將相關人員集中到一個交流平臺，針對同一個三維模型發表意見，溝通交流，實時修改，這樣可以將每次交流、修改、確認的過程縮短一半以上，展品的策劃階段縮短到10～20天。

傳統的策劃過程由于溝通耗時較長，在設計過程中一般不去征求機械、電控等技術設計人員的意見，要等概念設計完成后才交給技術設計組，如果這時發現問題，經常需要再回去修改概念設計，造成返工，浪費工作時間。利用平臺進行的協調設計過程，可以很方便地邀請技術設計人員加入，發表意見和確認成果，保證設計的質量效果。

三、結論

在科技館展品設計過程中，在線協作設計系統可以把展品的拼裝過程和仿真實驗過程都方便地實時共享給協作團隊的所有成員，設計和實驗的界面就是討論界面，用多人協作拼裝展品，取代原有的獨立重復修改效果圖的形式，用可操作的三維模型和多人的實時通訊，取代原有的平面效果圖和語言交流形式，由此帶來溝通理解的成功率明顯提升，概念設計周期大幅縮短。

原來散落在展品設計人員、維修人員或展覽相關人員手里大量的展品設計模型，通過在線協作設計系統匯集起來并進行標準化處理，由此建成的通用部件素材庫擁有大量標準化展品構件，在今后的展品研發過程中，這些經過展示優化和安全優化過的通用部件逐漸會取代傳統模式下的個人制作的零件模型，這樣不但節省了大量設計、建模和實驗的時間，而且提高了展品的設計質量和標準化水平，有效提高創新展品的制作成功率。

參考文獻

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