基于云端虚拟漫游的多人协同设计系统方案研究

顾宇杰 张永刚 曾梁

摘 要：在船舶行业中，由于小批量、高计划的性质，设计显得尤为重要，而现有的设计缺少统一平台与高交互性的中间软件支持，难以实现多人协作与开放设计。本文提出了一种多人协同设计系统设想。该设想基于云端计算，并以某一虚拟引擎作为中间软件，在保障了安全性、保密性的基础上，为虚拟建造与装配提供了一种解决思路。

关键词：虚拟现实;云端计算;多人协同;DVR;船舶设计

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.06.081

0 引言

船舶制造具有小批量、高计划的性质，同时也具有资金、劳动力密集的特征。同时，设计在生产中至关重要。设计缺陷如果拖到船舶建造期间才被发觉，很可能令船舶初期修改量大;中期修改余地小，返工、工时负担不均;最终导致后期延误交船。

同样的，设计与制造中的多工种、多专业复合设计制造又会造成出图缓慢、更改困难的问题;更无须提内装工艺中的美学元素、人机工程学元素的体现以及设计理念的更新。

在更高层面上，目前缺少全国性的公共图库模型库，以供各地设计师能够协同工作、交流学习以营造良好的行业生态。这种公共库的缺乏正是当前工程设计领域一盘散沙的根本原因。

上述公共库建立困难的原因有如下两点：一方面是知识付费环境下产权的保护问题;另一方面是缺乏一个统一的、兼容性好的平台。这个平台需要有较好的存储传输加密性能、与多种专业工程软件进行交互的中间软件介质性质，且具有符合设计人员习惯的直观快捷建模系统，同时兼有高度协同性及低硬件依赖。

1 设计要求

本系统面向的是船舶及各类工程专业从业者，即具有专业性需求与全局性把握的需求。以船舶详设与裝配仿真等任务的需要，设计目标为以下几点：

（1）更加灵活方便，减少硬件及环境依赖。

（2）参数化建模，高即时渲染效率。

（3）包含装配计划（工时工艺要求等）。

（4）具有多人协作的平台性质与保密性能。

（5）跨平台，且具有中间软件性质。

2 设计思路与分析

虚拟现实产业正在蓬勃发展，若能以较小的代价将设计中的工程软件装配规划导入到支持多人协同工作的云端物理引擎中，并进行虚拟漫游式的制造，则可以更直观与具体地进行设计缺陷检查。同时，虚拟漫游式的制造也利于进行多专业配合设计，支持异地修改，也能重新安排工时负荷等装配规划。当模型接受了所有的变更提交或是用户发出的阶段性请求后，导出工程文件与装配规划。

在生产方面，这无疑会减少初期设计的完善时间与设计缺陷，尤其是降低不同专业人员协同工作时的沟通难度。同时，由于云计算的性质，在较为耗费算力的步骤（如绘制3ds Max的灯光渲染效果图）可以减少更多成本。同时，更强的设计代入感会大大促进内装工艺的发展，从而为更高附加值的船舶设计奠定基础。

在该系统中，真正参与了整个模型计算与处理的仅有云端的虚拟引擎，而用户端仅进行图像处理与极少模型处理。同时，与工程软件交互的也仅有该虚拟引擎，该引擎本身不参与工程运算，仅仅充当类似虚拟机与交互平台使用，而这反而加强了保密性能。

3 系统建立流程示例

现以Unity 3D为内核构建云端系统。现将就以下几个问题展开论述：系统导入导出工程文件，系统与用户的交互，系统的多人协作与保密性。

3.1 Unity 3D导入导出工程文件

Unity 3D着眼于较轻便的渲染与人机友好交互，而其本身不带有参数化建模功能，但其支持导入参数化的3ds Max模型，并表现出良好的兼容性。现基于Unity 3D内核将不同软件统合成同一个可视化的三维模型，集成度大大提高。

导入主要分为数据读取、三维拓扑解析与网格、全局光渲染。

导出仅为数据读取的逆过程，此处略去。

数据分为传统的OBJ格式模型，与从工程软件中读取的施工装配规划与制造规划。前者包含模型的顶点数据与材质数据，后者包含工时信息、递交流程等。

3.2 系统与用户的交互

因为Unity 3D虚拟机的性质与导入数据的庞大，其对内存的占用将不是个人电脑所能承担的，故考虑将虚拟机设置在云端。同时，此类大量的并行式任务在云端工作时并不会降低效率。而为了实现多专业互动的直观与清晰，以及内装工艺的设计要求，云端的虚拟漫游确为一种成本低廉而又有效的方法。

分布式虚拟现实系统DVR将作为云端漫游系统的骨架。现拟用集中式与局部复制式结构相结合的方法以适应不同开发者的需求。

集中式DVR是仅在云端运行一个模型而采集视角图片与tag标记发送到用户端。用户端提供基于图片的三维漫游，此举对网络通信带宽要求较高，但对用户端配置几乎无要求。

由于5G时代的到来，集中式虚拟现实系统所需的即时传输将越来越轻松。面对大多数用户以至于设计师这种漫游也有其优势，因为装配尺寸及特征尺寸不会因为非参数化建模而影响表达，即移动设备端的这种漫游大有市场，而数据传输的完整性并不会遭到破坏，能适应工程的精度要求。不管是tag还是装配过程中的爆炸动画都是云端计算完毕后才发送到用户端的，而并行处理与高效运输能尽可能保障漫游体验。

复制式DVR是用户端复制云端服务器的模型，从而支持参数化修改。该方案对配置要求较高，也可以延续先前做法仅对图像中的造型做重绘制，但该方案更适应于造型处理。本文对复制式的DVR系统提出几点优化，以应用于实际。现以装配仿真为例以下两点：

（1）局部复制。

云端在处理用户请求时，按区域划分重定向申请，比如货仓、艏部、尾部、上建，甚至还会有双层底等中区域。每次云端向用户发送该中区域的模型，即当用户调用开发者模式（设计者）模式时才启用。此时将关闭碰撞检测与材质渲染，要求用户端有相应开发环境。

（2）云端保持图像。

当用户不更改图像中模型几何参数时（如仅更改装配顺序时），则仍采用云端保持图像的方法，在云端将节点、片体等爆炸，然后进行带装配序列规划的仿真实验。这是面向装配规划的任务，包括装配过程中的序列，路径工艺及工时的规划，这将生成更改后的tag。

3.3 多人协作与保密性

为了避免分时复用的算力相对不足与去除元件数据多人同时共享的一致性问题，云端系统模拟图纸送审流程，采用区域整体提交修改，检验一致性与递交冲突报告的方法来实现多专业设计、多人设计相合作的问题。用户仅将区域整体性变更进行提交，而一致性冲突的提交则会向两个用户分别发放检验冲突报告，进行合作设计。

为了解决保密性问题，采用模型角点变化的方法云端加密存储，动态多次备份来解决可能的备份丢失。至于下载到当地的导出数据，可加上限制备份的權限声明，与定时销毁（主要采用定时的随机变换）的功能设计，以彻底解决保密性问题。

4 总结

本文提出了一种基于云端计算的虚拟设计与仿真方案设计，借用虚拟机原理兼容统合各类工程软件，支持装配的仿真。在传输速度上达到要求的条件下，可实现系统的建立，且有望将移动端作为用户端运行。

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