基于云端虛擬漫游的多人協同設計系統方案研究

顧宇杰 張永剛 曾梁

摘 要：在船舶行業中，由于小批量、高計劃的性質，設計顯得尤為重要，而現有的設計缺少統一平臺與高交互性的中間軟件支持，難以實現多人協作與開放設計。本文提出了一種多人協同設計系統設想。該設想基于云端計算，并以某一虛擬引擎作為中間軟件，在保障了安全性、保密性的基礎上，為虛擬建造與裝配提供了一種解決思路。

關鍵詞：虛擬現實;云端計算;多人協同;DVR;船舶設計

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.06.081

0 引言

船舶制造具有小批量、高計劃的性質，同時也具有資金、勞動力密集的特征。同時，設計在生產中至關重要。設計缺陷如果拖到船舶建造期間才被發覺，很可能令船舶初期修改量大;中期修改余地小，返工、工時負擔不均;最終導致后期延誤交船。

同樣的，設計與制造中的多工種、多專業復合設計制造又會造成出圖緩慢、更改困難的問題;更無須提內裝工藝中的美學元素、人機工程學元素的體現以及設計理念的更新。

在更高層面上，目前缺少全國性的公共圖庫模型庫，以供各地設計師能夠協同工作、交流學習以營造良好的行業生態。這種公共庫的缺乏正是當前工程設計領域一盤散沙的根本原因。

上述公共庫建立困難的原因有如下兩點：一方面是知識付費環境下產權的保護問題;另一方面是缺乏一個統一的、兼容性好的平臺。這個平臺需要有較好的存儲傳輸加密性能、與多種專業工程軟件進行交互的中間軟件介質性質，且具有符合設計人員習慣的直觀快捷建模系統，同時兼有高度協同性及低硬件依賴。

1 設計要求

本系統面向的是船舶及各類工程專業從業者，即具有專業性需求與全局性把握的需求。以船舶詳設與裝配仿真等任務的需要，設計目標為以下幾點：

（1）更加靈活方便，減少硬件及環境依賴。

（2）參數化建模，高即時渲染效率。

（3）包含裝配計劃（工時工藝要求等）。

（4）具有多人協作的平臺性質與保密性能。

（5）跨平臺，且具有中間軟件性質。

2 設計思路與分析

虛擬現實產業正在蓬勃發展，若能以較小的代價將設計中的工程軟件裝配規劃導入到支持多人協同工作的云端物理引擎中，并進行虛擬漫游式的制造，則可以更直觀與具體地進行設計缺陷檢查。同時，虛擬漫游式的制造也利于進行多專業配合設計，支持異地修改，也能重新安排工時負荷等裝配規劃。當模型接受了所有的變更提交或是用戶發出的階段性請求后，導出工程文件與裝配規劃。

在生產方面，這無疑會減少初期設計的完善時間與設計缺陷，尤其是降低不同專業人員協同工作時的溝通難度。同時，由于云計算的性質，在較為耗費算力的步驟（如繪制3ds Max的燈光渲染效果圖）可以減少更多成本。同時，更強的設計代入感會大大促進內裝工藝的發展，從而為更高附加值的船舶設計奠定基礎。

在該系統中，真正參與了整個模型計算與處理的僅有云端的虛擬引擎，而用戶端僅進行圖像處理與極少模型處理。同時，與工程軟件交互的也僅有該虛擬引擎，該引擎本身不參與工程運算，僅僅充當類似虛擬機與交互平臺使用，而這反而加強了保密性能。

3 系統建立流程示例

現以Unity 3D為內核構建云端系統?，F將就以下幾個問題展開論述：系統導入導出工程文件，系統與用戶的交互，系統的多人協作與保密性。

3.1 Unity 3D導入導出工程文件

Unity 3D著眼于較輕便的渲染與人機友好交互，而其本身不帶有參數化建模功能，但其支持導入參數化的3ds Max模型，并表現出良好的兼容性?，F基于Unity 3D內核將不同軟件統合成同一個可視化的三維模型，集成度大大提高。

導入主要分為數據讀取、三維拓撲解析與網格、全局光渲染。

導出僅為數據讀取的逆過程，此處略去。

數據分為傳統的OBJ格式模型，與從工程軟件中讀取的施工裝配規劃與制造規劃。前者包含模型的頂點數據與材質數據，后者包含工時信息、遞交流程等。

3.2 系統與用戶的交互

因為Unity 3D虛擬機的性質與導入數據的龐大，其對內存的占用將不是個人電腦所能承擔的，故考慮將虛擬機設置在云端。同時，此類大量的并行式任務在云端工作時并不會降低效率。而為了實現多專業互動的直觀與清晰，以及內裝工藝的設計要求，云端的虛擬漫游確為一種成本低廉而又有效的方法。

分布式虛擬現實系統DVR將作為云端漫游系統的骨架?，F擬用集中式與局部復制式結構相結合的方法以適應不同開發者的需求。

集中式DVR是僅在云端運行一個模型而采集視角圖片與tag標記發送到用戶端。用戶端提供基于圖片的三維漫游，此舉對網絡通信帶寬要求較高，但對用戶端配置幾乎無要求。

由于5G時代的到來，集中式虛擬現實系統所需的即時傳輸將越來越輕松。面對大多數用戶以至于設計師這種漫游也有其優勢，因為裝配尺寸及特征尺寸不會因為非參數化建模而影響表達，即移動設備端的這種漫游大有市場，而數據傳輸的完整性并不會遭到破壞，能適應工程的精度要求。不管是tag還是裝配過程中的爆炸動畫都是云端計算完畢后才發送到用戶端的，而并行處理與高效運輸能盡可能保障漫游體驗。

復制式DVR是用戶端復制云端服務器的模型，從而支持參數化修改。該方案對配置要求較高，也可以延續先前做法僅對圖像中的造型做重繪制，但該方案更適應于造型處理。本文對復制式的DVR系統提出幾點優化，以應用于實際。現以裝配仿真為例以下兩點：

（1）局部復制。

云端在處理用戶請求時，按區域劃分重定向申請，比如貨倉、艏部、尾部、上建，甚至還會有雙層底等中區域。每次云端向用戶發送該中區域的模型，即當用戶調用開發者模式（設計者）模式時才啟用。此時將關閉碰撞檢測與材質渲染，要求用戶端有相應開發環境。

（2）云端保持圖像。

當用戶不更改圖像中模型幾何參數時（如僅更改裝配順序時），則仍采用云端保持圖像的方法，在云端將節點、片體等爆炸，然后進行帶裝配序列規劃的仿真實驗。這是面向裝配規劃的任務，包括裝配過程中的序列，路徑工藝及工時的規劃，這將生成更改后的tag。

3.3 多人協作與保密性

為了避免分時復用的算力相對不足與去除元件數據多人同時共享的一致性問題，云端系統模擬圖紙送審流程，采用區域整體提交修改，檢驗一致性與遞交沖突報告的方法來實現多專業設計、多人設計相合作的問題。用戶僅將區域整體性變更進行提交，而一致性沖突的提交則會向兩個用戶分別發放檢驗沖突報告，進行合作設計。

為了解決保密性問題，采用模型角點變化的方法云端加密存儲，動態多次備份來解決可能的備份丟失。至于下載到當地的導出數據，可加上限制備份的權限聲明，與定時銷毀（主要采用定時的隨機變換）的功能設計，以徹底解決保密性問題。

4 總結

本文提出了一種基于云端計算的虛擬設計與仿真方案設計，借用虛擬機原理兼容統合各類工程軟件，支持裝配的仿真。在傳輸速度上達到要求的條件下，可實現系統的建立，且有望將移動端作為用戶端運行。

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