趙兵兵 李贊

[摘 要]信息化手段的協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)終將取代傳統(tǒng)手工作坊模式，促進(jìn)科技館展品研發(fā)工作效率和水平的提升。本文提出相對簡單可行的技術(shù)解決方案，經(jīng)試用取得良好效果，適用于科技館展品研發(fā)的協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)，希望能夠解決目前創(chuàng)新型展品的研發(fā)設(shè)計(jì)、溝通交流、資料管理、推廣制作、產(chǎn)權(quán)保護(hù)等方面存在的問題和困難。該系統(tǒng)引入了多人實(shí)時(shí)協(xié)作設(shè)計(jì)的概念，綜合利用了互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)通訊、三維仿真等信息技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]科技館 展品研發(fā) 協(xié)作設(shè)計(jì)

隨著國家、社會(huì)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(yè)的可持續(xù)發(fā)展與展品設(shè)計(jì)方式相對落后之間的矛盾日漸突出。為實(shí)現(xiàn)科技館展品研發(fā)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和規(guī)?；嵘蛊费邪l(fā)的成功率，需要依靠信息化手段完成工業(yè)化升級(jí)轉(zhuǎn)變。

在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建成，為科技館展品設(shè)計(jì)、制作行業(yè)之間的協(xié)作設(shè)計(jì)提供了互聯(lián)網(wǎng)工作平臺(tái)，打破了原有工作模式的時(shí)間和空間限制，各個(gè)工種的設(shè)計(jì)人員可共享同一個(gè)三維設(shè)計(jì)界面，實(shí)時(shí)觀看展品拼裝過程及展示效果，并且每個(gè)協(xié)作人員均可申請對展品模型的操作權(quán)，在協(xié)作過程中，設(shè)計(jì)人員可以通過實(shí)時(shí)的文字、語音通訊進(jìn)行交流，并保存展品的修改意見。

一、在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要功能和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要功能包括：導(dǎo)入三維模型、由模型轉(zhuǎn)為展品構(gòu)件、快速拼裝虛擬展品、三維仿真演示和多人在線協(xié)作設(shè)計(jì)。系統(tǒng)支持多種格式三維模型的導(dǎo)入，并經(jīng)過對模型的拼接屬性和仿真屬性進(jìn)行編輯，轉(zhuǎn)化為支持在本系統(tǒng)虛擬拼裝的通用構(gòu)件，并存入模塊化通用部件素材庫的相應(yīng)分類。設(shè)計(jì)人員可以通過選取素材庫中的構(gòu)件快速拼裝成虛擬展品，通過簡單調(diào)試，即可演示展品的仿真效果，在協(xié)作模式下支持多人遠(yuǎn)程共享設(shè)計(jì)界面并實(shí)時(shí)交流。

系統(tǒng)搭建過程：

（1）服務(wù)器端采用tomcat的Webapp架構(gòu)平臺(tái)系統(tǒng)，使用Java語言開發(fā)，選擇Spring加hibernate加postgresql的技術(shù)框架。

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

（3）協(xié)作服務(wù)的數(shù)據(jù)同步采用電信級(jí)的erlang開發(fā)工具定制完成。

（一）導(dǎo)入三維模型和展品構(gòu)件的編輯功能

虛擬展品的數(shù)字構(gòu)件作為在線協(xié)作設(shè)計(jì)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(tǒng)的三維模型數(shù)據(jù)和相應(yīng)的材質(zhì)貼圖等設(shè)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(yùn)動(dòng)屬性、光學(xué)仿真或物理仿真屬性。拼裝接口屬性的定義，降低了數(shù)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(shè)計(jì)的效率。

構(gòu)件編輯功能的實(shí)現(xiàn)過程，是在客戶端軟件中使用Qt作為交互界面開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)基本的鼠標(biāo)鍵盤消息管理；使用OSG作為三維渲染引擎，實(shí)現(xiàn)基本的OSG模型加載以及紋理加載。

在進(jìn)行三維場景繪制時(shí)，用戶點(diǎn)擊鼠標(biāo)對構(gòu)件進(jìn)行拼裝接口的設(shè)計(jì)以及marker標(biāo)定點(diǎn)的設(shè)定和命名，完成對構(gòu)件的編輯。

所有數(shù)據(jù)資源的獲取，通過服務(wù)端spring +hibernate +postgresql方式建立的webapp框架，然后通過restapi的方式進(jìn)行獲取。

（二）展品的在線拼裝和交互設(shè)計(jì)功能

在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)的展品拼裝過程簡單、高效，具有光電磁效果運(yùn)動(dòng)屬性的展品在拼裝完成后，還可經(jīng)過簡單設(shè)置觸發(fā)參數(shù)進(jìn)行效果演示。

展品拼裝功能的實(shí)現(xiàn)過程：當(dāng)用戶使用鼠標(biāo)選中構(gòu)件后，場景中加載該模型，并根據(jù)模型動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶視點(diǎn)。用戶可以使用鼠標(biāo)選中模型，然后進(jìn)行移動(dòng)，在移動(dòng)過程中，程序會(huì)根據(jù)在構(gòu)件編輯時(shí)設(shè)定的拼裝接口自動(dòng)完成動(dòng)態(tài)的姿態(tài)調(diào)整，在三維設(shè)計(jì)空間中智能輔助用戶完成拼裝過程。當(dāng)用戶釋放鼠標(biāo)時(shí)，表明這個(gè)拼裝過程已經(jīng)完成，程序開始計(jì)算拼裝的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)問題，并綁定相關(guān)的構(gòu)件模型。

（三）利用展品仿真功能驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)的合理性

設(shè)計(jì)成果展示系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的三維仿真演示平臺(tái)，演示的內(nèi)容是由在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)布的虛擬展品，在這里仿真模擬了現(xiàn)實(shí)科技館中觀眾與展品之間的互動(dòng)，用戶通過對虛擬展品進(jìn)行交互式操作，展品會(huì)依據(jù)預(yù)設(shè)的電、磁、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等物理屬性進(jìn)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(gè)系統(tǒng)使展品的設(shè)計(jì)者、生產(chǎn)者、使用者（觀眾）等人群都有機(jī)會(huì)充分表達(dá)對展品的意見和需求，為后續(xù)的產(chǎn)品研發(fā)和改造提供具有針對性的用戶反饋。在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以在多人協(xié)作過程中直接觀看展品實(shí)驗(yàn)結(jié)果和演示效果。

展品互動(dòng)演示功能的實(shí)現(xiàn)過程是利用Qt所產(chǎn)生的每一步設(shè)置界面，用戶可以設(shè)定相應(yīng)的控制邏輯，如利用按鈕控制另一個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)邏輯等設(shè)定好之后點(diǎn)擊控制按鈕開始仿真。OSG場景中會(huì)自動(dòng)加入該事件的響應(yīng)機(jī)制，當(dāng)用戶點(diǎn)擊按鈕的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件，然后進(jìn)一步控制部件之間的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)。如果有電子特效，則在marker之間的檢查之后，觸發(fā)并進(jìn)行播放。

光電效果演示功能的實(shí)現(xiàn)過程是利用OSG中的粒子特效，實(shí)現(xiàn)閃電、火、光、電等仿真效果。當(dāng)marker的檢測通過之后，會(huì)觸發(fā)一個(gè)相應(yīng)的消息，這個(gè)消息的響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)用戶設(shè)定的邏輯進(jìn)行執(zhí)行。所謂的仿真，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)上都是采用粒子特效進(jìn)行模擬，關(guān)鍵是如何觸發(fā)，什么時(shí)候觸發(fā)才是重點(diǎn)，所以觸發(fā)參數(shù)的設(shè)置是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵。

（四）在線協(xié)作設(shè)計(jì)功能有效降低了團(tuán)隊(duì)合作的溝通成本

在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)使展品設(shè)計(jì)人員、制作人員以及更多的團(tuán)體和個(gè)人有機(jī)會(huì)參與到實(shí)時(shí)的展品設(shè)計(jì)過程中，并在協(xié)作設(shè)計(jì)中通過實(shí)際操作展品的拼裝，充分表達(dá)對科學(xué)原理、科普效果的需求，這些需求和意見將是展品設(shè)計(jì)人員寶貴的經(jīng)驗(yàn)積累。

協(xié)作設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)過程是在服務(wù)器端采用erlang進(jìn)行展品項(xiàng)目的消息管理，通過erlang建立了連接等待和消息管理等機(jī)制，為每個(gè)用戶建立一個(gè)微進(jìn)程，用戶之間的消息通訊以及廣播通訊根據(jù)進(jìn)程進(jìn)行，用戶的退出和加入狀態(tài)也是利用微進(jìn)程進(jìn)行管理。在客戶端軟件中，使用Qt作為交互界面開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)基本的鼠標(biāo)鍵盤消息管理；使用OSG作為三維渲染引擎，實(shí)現(xiàn)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(jìn)行劃分，然后每個(gè)操作會(huì)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)到服務(wù)端，服務(wù)端按照展品項(xiàng)目進(jìn)行廣播和同步，從而實(shí)現(xiàn)在線設(shè)計(jì)過程中的協(xié)作功能。在通訊過程中，通常會(huì)有延遲和時(shí)序問題，解決方式是把每個(gè)報(bào)文加上時(shí)間戳，然后在服務(wù)端進(jìn)行排序并在客戶端進(jìn)行處理，充分利用多線程的方式保證數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性。

（五）實(shí)時(shí)通訊功能可以將有價(jià)值的建議和意見保存在相應(yīng)的展品資料中

實(shí)時(shí)通訊功能作為團(tuán)隊(duì)協(xié)作的基本溝通方式，可以將有價(jià)值的建議和意見保存在相應(yīng)的展品資料中。多人在線實(shí)時(shí)討論功能實(shí)現(xiàn)的原理與協(xié)作設(shè)計(jì)相同，只是用戶在線討論的數(shù)據(jù)是文字信息，而不是對模型的操作數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)資源的獲取，通過服務(wù)端的spring +hibernate +postgresql方式建立的webapp框架，然后通過restapi的方式進(jìn)行獲取。

二、創(chuàng)新展品在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)的試用效果

2017年，中國科技館在 “兒童科學(xué)樂園”主題展廳更新改造項(xiàng)目中進(jìn)行了平臺(tái)測試運(yùn)行，各展區(qū)分別選取展品進(jìn)行在線協(xié)作設(shè)計(jì)，以展品策劃和藝術(shù)設(shè)計(jì)人員為主，在討論溝通的同時(shí)，調(diào)整在線修改模型，并在設(shè)計(jì)過程中和確認(rèn)階段引入機(jī)械設(shè)計(jì)和電控設(shè)計(jì)人員提供建議，保證設(shè)計(jì)成果的合理可行。

傳統(tǒng)的展品設(shè)計(jì)過程一般要通過會(huì)議當(dāng)面討論、電話溝通、網(wǎng)絡(luò)通訊、軟件文件交流為主，在每次交流表達(dá)對項(xiàng)目或階段性成果的意見后，藝術(shù)設(shè)計(jì)人員在本地電腦上進(jìn)行制圖和修改，然后提交策劃負(fù)責(zé)人審核確認(rèn)，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(shí)間一般需要15～30天。試用在線協(xié)同設(shè)計(jì)軟件后，將相關(guān)人員集中到一個(gè)交流平臺(tái)，針對同一個(gè)三維模型發(fā)表意見，溝通交流，實(shí)時(shí)修改，這樣可以將每次交流、修改、確認(rèn)的過程縮短一半以上，展品的策劃階段縮短到10～20天。

傳統(tǒng)的策劃過程由于溝通耗時(shí)較長，在設(shè)計(jì)過程中一般不去征求機(jī)械、電控等技術(shù)設(shè)計(jì)人員的意見，要等概念設(shè)計(jì)完成后才交給技術(shù)設(shè)計(jì)組，如果這時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)常需要再回去修改概念設(shè)計(jì)，造成返工，浪費(fèi)工作時(shí)間。利用平臺(tái)進(jìn)行的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過程，可以很方便地邀請技術(shù)設(shè)計(jì)人員加入，發(fā)表意見和確認(rèn)成果，保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量效果。

三、結(jié)論

在科技館展品設(shè)計(jì)過程中，在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以把展品的拼裝過程和仿真實(shí)驗(yàn)過程都方便地實(shí)時(shí)共享給協(xié)作團(tuán)隊(duì)的所有成員，設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的界面就是討論界面，用多人協(xié)作拼裝展品，取代原有的獨(dú)立重復(fù)修改效果圖的形式，用可操作的三維模型和多人的實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)周期大幅縮短。

原來散落在展品設(shè)計(jì)人員、維修人員或展覽相關(guān)人員手里大量的展品設(shè)計(jì)模型，通過在線協(xié)作設(shè)計(jì)系統(tǒng)匯集起來并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，由此建成的通用部件素材庫擁有大量標(biāo)準(zhǔn)化展品構(gòu)件，在今后的展品研發(fā)過程中，這些經(jīng)過展示優(yōu)化和安全優(yōu)化過的通用部件逐漸會(huì)取代傳統(tǒng)模式下的個(gè)人制作的零件模型，這樣不但節(jié)省了大量設(shè)計(jì)、建模和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，而且提高了展品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化水平，有效提高創(chuàng)新展品的制作成功率。

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