创新展品在线协作设计系统的技术实现

赵兵兵 李赞

[摘 要]信息化手段的协作设计系统终将取代传统手工作坊模式，促进科技馆展品研发工作效率和水平的提升。本文提出相对简单可行的技术解决方案，经试用取得良好效果，适用于科技馆展品研发的协作设计系统，希望能够解决目前创新型展品的研发设计、沟通交流、资料管理、推广制作、产权保护等方面存在的问题和困难。该系统引入了多人实时协作设计的概念，综合利用了互联网、实时通讯、三维仿真等信息技术。

[关键词]科技馆 展品研发 协作设计

随着国家、社会对大众科普及科技馆展示水平的需求不断提高，科技馆行业的可持续发展与展品设计方式相对落后之间的矛盾日渐突出。为实现科技馆展品研发生产的标准化、规范化和规模化，提升展品研发的成功率，需要依靠信息化手段完成工业化升级转变。

在线协作设计系统的建成，为科技馆展品设计、制作行业之间的协作设计提供了互联网工作平台，打破了原有工作模式的时间和空间限制，各个工种的设计人员可共享同一个三维设计界面，实时观看展品拼装过程及展示效果，并且每个协作人员均可申请对展品模型的操作权，在协作过程中，设计人员可以通过实时的文字、语音通讯进行交流，并保存展品的修改意见。

一、在线协作设计系统的主要功能和技术实现方式

在线协作设计系统的主要功能包括：导入三维模型、由模型转为展品构件、快速拼装虚拟展品、三维仿真演示和多人在线协作设计。系统支持多种格式三维模型的导入，并经过对模型的拼接属性和仿真属性进行编辑，转化为支持在本系统虚拟拼装的通用构件，并存入模块化通用部件素材库的相应分类。设计人员可以通过选取素材库中的构件快速拼装成虚拟展品，通过简单调试，即可演示展品的仿真效果，在协作模式下支持多人远程共享设计界面并实时交流。

系统搭建过程：

（1）服务器端采用tomcat的Webapp架构平台系统，使用Java语言开发，选择Spring加hibernate加postgresql的技术框架。

（2）客户端采用C++语言开发，使用了Qt交互界面引擎和OSG三维渲染引擎；客户端与服务器端的资源访问采用了restAPI协议。

（3）协作服务的数据同步采用电信级的erlang开发工具定制完成。

（一）导入三维模型和展品构件的编辑功能

虚拟展品的数字构件作为在线协作设计软件最基本的拼装零件，不但包括通过模型文件上传到系统的三维模型数据和相应的材质贴图等设置，还包括在虚拟拼装过程中需要定义的多种特殊属性：拼装接口属性、运动属性、光学仿真或物理仿真属性。拼装接口属性的定义，降低了数字模型在三维虚拟空间中的操作难度，有效提高了展品虚拟拼装和概念设计的效率。

构件编辑功能的实现过程，是在客户端软件中使用Qt作为交互界面开发工具，实现基本的鼠标键盘消息管理；使用OSG作为三维渲染引擎，实现基本的OSG模型加载以及纹理加载。

在进行三维场景绘制时，用户点击鼠标对构件进行拼装接口的设计以及marker标定点的设定和命名，完成对构件的编辑。

所有数据资源的获取，通过服务端spring +hibernate +postgresql方式建立的webapp框架，然后通过restapi的方式进行获取。

（二）展品的在线拼装和交互设计功能

在线协作设计系统的展品拼装过程简单、高效，具有光电磁效果运动属性的展品在拼装完成后，还可经过简单设置触发参数进行效果演示。

展品拼装功能的实现过程：当用户使用鼠标选中构件后，场景中加载该模型，并根据模型动态调整用户视点。用户可以使用鼠标选中模型，然后进行移动，在移动过程中，程序会根据在构件编辑时设定的拼装接口自动完成动态的姿态调整，在三维设计空间中智能辅助用户完成拼装过程。当用户释放鼠标时，表明这个拼装过程已经完成，程序开始计算拼装的运动关联问题，并绑定相关的构件模型。

（三）利用展品仿真功能验证概念设计的合理性

设计成果展示系统是基于互联网的三维仿真演示平台，演示的内容是由在线协作设计系统发布的虚拟展品，在这里仿真模拟了现实科技馆中观众与展品之间的互动，用户通过对虚拟展品进行交互式操作，展品会依据预设的电、磁、机械运动等物理属性进行演示，登录用户可以提交文字评论有针对性的意见和需求。这个系统使展品的设计者、生产者、使用者（观众）等人群都有机会充分表达对展品的意见和需求，为后续的产品研发和改造提供具有针对性的用户反馈。在线协作设计系统可以在多人协作过程中直接观看展品实验结果和演示效果。

展品互动演示功能的实现过程是利用Qt所产生的每一步设置界面，用户可以设定相应的控制逻辑，如利用按钮控制另一个部件的运动逻辑等设定好之后点击控制按钮开始仿真。OSG场景中会自动加入该事件的响应机制，当用户点击按钮的时候，会触发相应的事件，然后进一步控制部件之间的关联运动。如果有电子特效，则在marker之间的检查之后，触发并进行播放。

光电效果演示功能的实现过程是利用OSG中的粒子特效，实现闪电、火、光、电等仿真效果。当marker的检测通过之后，会触发一个相应的消息，这个消息的响应函数，根据用户设定的逻辑进行执行。所谓的仿真，在计算机图形学上都是采用粒子特效进行模拟，关键是如何触发，什么时候触发才是重點，所以触发参数的设置是实验结果的关键。

（四）在线协作设计功能有效降低了团队合作的沟通成本

在线协作设计系统使展品设计人员、制作人员以及更多的团体和个人有机会参与到实时的展品设计过程中，并在协作设计中通过实际操作展品的拼装，充分表达对科学原理、科普效果的需求，这些需求和意见将是展品设计人员宝贵的经验积累。

协作设计功能的实现过程是在服务器端采用erlang进行展品项目的消息管理，通过erlang建立了连接等待和消息管理等机制，为每个用户建立一个微进程，用户之间的消息通讯以及广播通讯根据进程进行，用户的退出和加入状态也是利用微进程进行管理。在客户端软件中，使用Qt作为交互界面开发工具，实现基本的鼠标键盘消息管理；使用OSG作为三维渲染引擎，实现基本的OSG模型加载以及纹理加载。用户的操作按照基本元进行划分，然后每个操作会发送相应的数据到服务端，服务端按照展品项目进行广播和同步，从而实现在线设计过程中的协作功能。在通讯过程中，通常会有延迟和时序问题，解决方式是把每个报文加上时间戳，然后在服务端进行排序并在客户端进行处理，充分利用多线程的方式保证数据通讯的实时性。

（五）实时通讯功能可以将有价值的建议和意见保存在相应的展品资料中

实时通讯功能作为团队协作的基本沟通方式，可以将有价值的建议和意见保存在相应的展品资料中。多人在线实时讨论功能实现的原理与协作设计相同，只是用户在线讨论的数据是文字信息，而不是对模型的操作数据。所有数据资源的获取，通过服务端的spring +hibernate +postgresql方式建立的webapp框架，然后通过restapi的方式进行获取。

二、创新展品在线协作设计系统的试用效果

2017年，中国科技馆在 “儿童科学乐园”主题展厅更新改造项目中进行了平台测试运行，各展区分别选取展品进行在线协作设计，以展品策划和艺术设计人员为主，在讨论沟通的同时，调整在线修改模型，并在设计过程中和确认阶段引入机械设计和电控设计人员提供建议，保证设计成果的合理可行。

传统的展品设计过程一般要通过会议当面讨论、电话沟通、网络通讯、软件文件交流为主，在每次交流表达对项目或阶段性成果的意见后，艺术设计人员在本地电脑上进行制图和修改，然后提交策划负责人审核确认，策划人员再指出问题和建议，每件展品需要这样往返3～5次才能定稿，总时间一般需要15～30天。试用在线协同设计软件后，将相关人员集中到一个交流平台，针对同一个三维模型发表意见，沟通交流，实时修改，这样可以将每次交流、修改、确认的过程缩短一半以上，展品的策划阶段缩短到10～20天。

传统的策划过程由于沟通耗时较长，在设计过程中一般不去征求机械、电控等技术设计人员的意见，要等概念设计完成后才交给技术设计组，如果这时发现问题，经常需要再回去修改概念设计，造成返工，浪费工作时间。利用平台进行的协调设计过程，可以很方便地邀请技术设计人员加入，发表意见和确认成果，保证设计的质量效果。

三、结论

在科技馆展品设计过程中，在线协作设计系统可以把展品的拼装过程和仿真实验过程都方便地实时共享给协作团队的所有成员，设计和实验的界面就是讨论界面，用多人协作拼装展品，取代原有的独立重复修改效果图的形式，用可操作的三维模型和多人的实时通讯，取代原有的平面效果圖和语言交流形式，由此带来沟通理解的成功率明显提升，概念设计周期大幅缩短。

原来散落在展品设计人员、维修人员或展览相关人员手里大量的展品设计模型，通过在线协作设计系统汇集起来并进行标准化处理，由此建成的通用部件素材库拥有大量标准化展品构件，在今后的展品研发过程中，这些经过展示优化和安全优化过的通用部件逐渐会取代传统模式下的个人制作的零件模型，这样不但节省了大量设计、建模和实验的时间，而且提高了展品的设计质量和标准化水平，有效提高创新展品的制作成功率。

参考文献

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