（计算机软件与理论专业论文）大容量图案协同设计关键技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 印染、陶瓷、纺织、丝绸、地毯以及丝网印刷等领域是我国重要的传统产业， 目前在产品市场上面临着激烈的国际竞争，产品市场需求特点已由少品种、大批 量转变为多品种、少批量的生产模式，并逐步向以客户定制为核心的模式转变， 即具有“小批量，多品种、快交货、高品质”的市场特点，其中产品的图案设计、 工艺处理成为影响上述行业产品质量、交货周期的关键因素。 近年来，结合人工智能和图形图像技术的智能图案创作系统得到了迅速地发 展。然面，仅仅依靠目前的图案设计辅助软件不能完全满足轻纺行业大容量图案 集体创新的需要，因为目前的轻纺图案设计系统虽然大多能够支持单个设计者的 独立设计，但还无法很好地支持设计者之间的协同工作。故而研究和探讨计算机 支持的大容量图案协同设计，对提高轻纺图案设计的能力和效率有着重要的意 义。本文即是在这个应用背景下，围绕大容量图案协同设计的若干关键技术进行 了深入研究并给出了支持这种协同设计的体系结构，实现了一个原型系统，这些 工作也是“分布式智能图案设计及工艺处理一体化系统”和“集成化 计算机辅助图案设计制版系统( i c a p d ) ”研发工作的一部分，得到了国家 自然科学基金( 6 9 8 7 3 0 2 8 ) 和国家8 6 3 项目的支持( 项目编号：8 6 3 5 1 1 8 2 0 叼2 7 ) ， 有着重要的理论意义和实际应用价值。 本文主要工作与贡献如下： ( 1 ) 根据目前印染行业对图案设计系统的需求，提出了一个图案的多分辨率对 象表示模型，并采用位图、矢量和单色调混合表示的模型框架，对提高图案设计 效率和精度具有良好的效果。 ( 2 ) 采用基于事件模式的任务调度方法，有效的避免了因等待一个任务的完成 而使系统其他任务被阻塞的情况，大大提高了任务处理效率；根据任务的操作范 围对任务进行分类，采用基于消息的传输策略，对局部任务直接在本地立即执行， 对跨界等整体任务提交给服务器进行分解并行执行 ( 3 ) 采用基于预测的可操作区域生成算法，根据用户当前操作和状态，系统自 动预测生成可操作区域，所有用户的操作都在可操作区域内进行，避免了组内成 山东大学硕士学位论文 员共同对一幅图案进行协同设计时发生冲突的可能性，有利于设计效率的提高。 ( 4 ) 采用基于数据库的事务模型机制和基于属性粒度的锁，进一步提高了系统 的并发性：同时为了保证各设计版本的数据一致性，引入时间戳机制以实现各客 户端及服务器数据的一致性 关键词：图案设计；协同设计：任务执行；并发控制：一致性维护 u 山东人学硕十学位论文 s t u d yo ns o m ek e yp r o b l e m si nc o l l a b o r a t i v ed e s i g no fm a s s c a p a c i t yp a t t e r n s a b s t r a c t a tp r e s e n t m a n yi m p o r t a n tt r a d i t i o n a li n d u s t r i e so fo u rc o u n t r y , s u c ha sp r i n t i n g a n dd y e i n g , c h i n a w a r e ，t e x t i l e ，s i l k , c a r p e t i n ga n dp u b l i s h i n ge t c ，a r ef a c i n gf l i n t y m a r k e tc o m p e t i t i o nf r o mt h ew o r l d t h em a r k c tr e q u i r e m e n t sh a v eb e e nc h a n g e d f r o ml i t t l ev a r i e t ya n dl a r g eq u a n t i t yt ol a r g ev a r i e t ya n dl i t t l eq u a n t i t y t h em a r k e t m o d ei sa l s ob e e nt r a n s f e r r i n gt oc u s t o r n i z a t i o n - e e n t e r e ds t y l ew i t ht h ec h a r a c t e r so f l i t t l eq u a n t i t y , l a r g ev a r i e 劬q u i c kc o n s i g n m e n t , a n dh i g hq u a l i t y s op r o d u c t s d e s i g nt o g e t h e rw i t ha r t sa n dc r a f t sb e c o m em o r ea n dm o r ec r i t i c a lf o ri m p r o v i n g p a t t e r n sq u a l i t ya n dr e d u c i n gc o n s i g n m e n tt i m e i nt h er e c e n tf e wy e a r s , i n t e l l i g e n tp a t t e r n sd e s i g ns y s t e m sb a s e do n 州丘c i a l i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g ya n dg r a p h i ct e c h n o l o g yh a v eg o t t e nar a p i dd e v e l o p m e n lb u t t h e s ec o m p u t e r - a i d e dp a t t e r n sd e s i g ns y s t e m s ，w h i c hm o s t l ys u p p o r to n ep e r s o n s d e s i g ni n s t e a do fc o l l a b o r a t i v ew o r kf o rm a n yp e r s o n s ，c a n ts a t i s 匆t h ec o o p e r a t i v e o p e r a t i o nr e q u i r e m e n tf o rl n a s sc a p a c i t yp a t t e r n s s oi ti si m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a t i v e t os t u d yt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nt e c h n o l o g yf o rn 埝s sc a p a c i t yp a t t e r n st oi m p r o v e p a t t e r n sd e s i g ne f f i c i e n c y t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e ss o m ek e yp r o b l e m sa b o u t c o l l a b o r a t i v ep a t t e r n sd e s i g na n dr e a l i z e sap r o t o t y p es y s t e mu n d e rt h ea b o v ea p p l i e d b a c k g r o u n d i na d d i t i o n , t h e s ew o r k sa r ep a r to fi n t e g r a t e dc o m p u t e ra i d e dp a t t e r n s d e s i g na n dp l a t e - m a k i n gs y s t e ma n ds u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( 6 9 8 7 3 0 2 8 ) a n dn a t i o n a lh i 曲- t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o 莎哪o f c h i n a ( 8 6 3p r o g r a mn o 8 6 3 5 1 1 8 2 0 - 0 2 7 ) t h ee o n t r i b a t i o n so f t h i sd i s s e r t a f i o na r e ： ( 1 ) a c e n r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fp r i n t i n ga n dd y e i n gd e s i g n , t h i s d i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan 洲m u l t i r e s o l u t i o i ld a t am o d e lw i t ht h r e em i x e d e x p r e s s i o n so fb i t m a p ，v e c t o r , m o n o c h r o m e ，w h i c hi sp r o v e du s e f u lt oi m p r o v e 1 1 1 山东大学硕士学位论文 d e s i g n e r se f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o u s ( 2 ) f r o mt h ea s p e c to fi m p r o v i n gd e s i g ne f f i c i e n c y , at a s kh a n d l i n gm e t h o d b a s e do ne v e n tm e c h a n i s ma n dat r a n s m i s s i o ns t r a t e g yb a s e d0 1 1 m e s s a g e s a r e p r e s e n t e d ；i na d d i t i o nt h i sd i s s e r t a t i o nc l a s s i f i e st a s k si n t ot w ok i n d sa c c o r d i n gt o t h e i rd i f f e r e n to p e r a t i o ns c o p et oe a s et h e i re x e c u t i o n a st op a r tt a s k sw h o s e o p e r a t i o n sa r ei n s i d eo ft h e i ro w nd e s i g nr e g i o n s ，t h e yc a l lb ep e r f o r m e dd i r e c t l yi n t h e i ro w nc l i e n t sl o e a u y , a n da st ow h o l et a s k sw h o s eo p e r a t i o n sa r eo u t s i d eo ft h e i r o w l ld e s i g nr e g i o n s ，t h e ym u s tb es e n tt ot h es e r v e rt ob ed e c o m p o s e df i r s t l y ( 3 ) af o r e c a s t - b a s e da r i t h m e t i ci sp r e s e n t e dt h a tc a nf o r e c a s te x e r c i s a b l ea r e a sf o r d e s i g n e r sd y n a m i c a l l y a c c o r d i n gt od e s i g n e r s c u r r e n to p e r a t i o na n ds t a t e ，t h es y s t e m d e c i d e sa ne x e r c i s a b l ea r e af o re a c hd e s i g n e ra u t o m a t i c a l l y , w h e r ea l ld e s i g n e r sc a l l d ot h e i rj o b si n s i d ew i t hn ow o r r ya b o u tc o n f l i c t s p l o t t i n ga ne x e r c i s a b l ea r e af o r e a c hd e s i g n e ri sp r o p i t i o u st oa v o i dc o n f l i c t sw h e ns e v e r a lp e o p l ed e s i g nt h es a m e p a t t e r na r e ac o l l a b o r a t i v e l ya n di sh e l p f u lt oi m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y ( 4 ) ad a t a b a s em e c h a n i s ma n da i la t t r i b u t e - b a s e dl o c ka r ei n t r o d u c e dt oi m p r o v e s y s t e mc o n c u r r e n c ym o r e , a n dat i m es t a m pm e c h a n i s mi sb r o u g h tf o r w a r dt ok e e p d e s i g nd a t ac o i n c i d e n t k e yw o r d s ：p a t t e r nd e s i g n ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；t a s k si m p l e m e n t a t i o n ； c o n f l i c t sa v o i d a n c e ；c o n s i s t e n c ym a i n t e n a n c e i v 原创性声明和关于论文使用授权的说职 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 沦文不包含任何其他个几或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：考拿珏宁争日期 论文作者签名：堕型些丝 日期 ， ，j 每j 5 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，i 刊 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墼导师签名，鳖日 期：跏f 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 大容量图案协同设计的重要性 印染、陶瓷、纺织、丝绸、地毯以及丝网印刷等领域是我国重要的传统产业， 近年来在产品市场上面临着激烈的国际竞争，产品市场需求特点已由少品种、大 批量转变为多品种、少批量的生产模式，并逐步向以客户定制为核心的模式转变， 即具有“小批量，多品种、快交货、高品质”的市场特点，其中产品的图案设计、 工艺处理成为影响上述行业产品质量、交货周期的关键因素。 计算机科学与技术的迅猛发展推动着社会步入信息化、网络化、智能化时代， 提升了各行各业的信息化建设”1 。印染、陶瓷，纺织等传统领域也步入了信息化 的进程中，八十年代中后期，国外开始应用c a d 技术解决图案设计问题，出现了 初级的产品系统；九十年代初，我国部分单位开始此类技术的研究与系统开发。 一般而言，图案设计的数据处理流程一般包括扫描、图像分色、图案编辑、工艺 处理及制版输出等过程嘲，如图1 1 所示。首先，工业中设计待用的样稿( 设计 人员设计的纸样、布样或照片) ，经扫描仪扫描输入计算机后，形成真彩色图像， 真彩色图像经过图像处理、图像分色得到一组色片，然后色片经过图案编辑、工 艺处理，最后输出胶片、制网数据，或者通过扎孔输出纹板 图1 1 图案设计的数据处理流程 目前，图案设计数据处理流程中的扫描、分色和制版输出，已经在一定程度 山东大学硕士学位论文 上实现了计算机自动化，提高了产品的生产效率。然而，对于大容量、高精度图 案( 如图1 2 ) 的图案编辑、工艺设计，由于具有以下特点，成为数据处理流程 中的瓶颈，大大延长了产品的设计周期，不能满足企业的需要。 ( 1 ) 大容量、高精度图案存储量大。如幅面为2 m * 1 8 m ，分辨率为6 0 0d p i 的图案，如果是纯色，需占内存空间约2 g b ，如果颜色为8 种连续色调的云纹图案， 所需要的图案数据存储空间为1 6 6 ，单个计算机无法满足如此的内存空间要求， 为了支持大容量图案的设计，需要多计算机的共同处理。 ( 2 ) 大容量、高精度图案设计效率低。图案设计多采用单人设计模式、模 仿手工描稿方式，由于图案的幅面大、精度高，设计效率低，一幅复杂图案的设 计周期多达1 5 天，很难满足快速交货的需要。 因此迫切需要多人协同设计的环境，提高设计效率。 1 2 相关工作 图1 2 大容量、高精度图案 随着信息化进程的深入，通信技术与计算机及其网络技术相融合，产生了一 个新的研究领域一计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v e d e s i g n ，c s c d ) ( c s c d ) 1 ，简称计算机协同设计计算机支持的协同设计( c s c d ) 是c s c w 的概念和技术在产品设计开发过程中的有效应用。协同设计系统的任务是 2 山东大学硕士学付论文 为一组设计人员提供一个共同设计产品的平台，协调设计人员的设计活动，具有 分布式的信息集成、过程集成和组织集成的特征，以“产品”( 广义的概念) 为核 心和目标组织多学科和不同技术的人员进行分布式协同设计。 图案协同设计是计算机协同设计的一个典型应用”瑚1 ，以印花、提花等这一 类应用领域为背景，研究如何在传统的面向单用户操作的图案c a d c 埘技术和系 统的基础上利用计算机来进行图案的协同设计处理9 1 图案协同设计作为c s c w 的 一个研究方向，具有自己的特点。首先，它不同于纯文本的协同编辑“州“，它包 含对图形数据“吼埘和图像数据“”的编辑，在传输上要求较高的网络带宽；文本一 般不能重叠编辑，而图案协同设计在保证图案操作互斥性的同时，必须保证操作 区域的共享性，因此比纯文本的编辑模式要复杂许多。其次，它与基于音频、视 频的协同也不同，后两者对数据的精确性要求较低，也不存在操作互斥的问题。 目前有很多关于图案协同设计系统的研究，如w s c r a w l2 o “”和w e - m e t “叼 是基于白板的图像协同编辑系统，在绘图区域上的操作是通过修改绘图区域的像 素而实现的，但未考虑并发冲突情况。c i m e s ( c o l l a b o r a t i v ei m a g ee d i t i n g s y s t e m s ) 原型系统“7 是基于图案设计系统而研制的，系统采用复制结构，每一 个设计人员共享其图案数据，在编辑阶段使用优化和锁机制来解决冲突问题，但 数据的版本一致性难以控制。鲁东明、花敏等“。则把协同写作技术应用于图案设 计系统，它分析了多用户协同图案设计系统的需求，描述了任务上相互依赖的多 个设计人员之间的交互方式及协作机制，构造了逻辑模型，理论上设计了图案设 计系统的结构模型。 本文讨论的图案设计是面向位图图像和矢量图形 见2 1 节 的混合结构，矢 量图形包括基本的矢量图形元素，如线、圆、多边形、曲线等，因此图案设计的 协同任务要考虑位图图像和矢量图形的特征，而现有的研究和系统都未同时涉及 这两种不同对象。本文提出了一个基于位图和矢量混合型结构的图案表示模型， 并对图案协同设计中的整体任务分解、冲突避免和控制以及数据的并发一致性维 护进行了深入研究并予以实现。 1 3 本文的主要工作 自9 0 年代中期开始，山东大学人机交互与虚拟现实课题组先后在国家自然 山东大学硕士学位论文 科学基金( 6 9 8 7 3 0 2 8 ) 和国家8 6 3 计划项目( 课题编号：8 6 3 - 5 1 卜8 2 0 0 2 7 ) 的 多次大力资助下，进行了图案设计与制版一体化系统攻关研究。本文工作主要是 以此为背景，重点围绕大容量、高精度图案的协同设计这一关键技术问题来开展 研究。 本文中，针对大容量图案的协同设计采用分割的思想，将大容量图案根据 实际情况分割成几部分，各部分由相应小组负责完成，各小组间可同时进行设计， 互不干扰( 如图1 3 所示) ，各小组内部成员对同一图案进行协同设计( 如图1 4 所示) 极端情况，只有一个小组对整个图案进行协同设计 图1 3 组间协同设计图1 4 组内协同设计 在上述协同设计模式中，小组内部成员对同一图案任务设计时如何避免冲突 以保证设计的流畅高效性，小组成员可能发出的跨区域的整体任务如何执行，以 及如何保证多用户设计操作的数据一致性，都是本文所要研究的主要问题。主要 工作包括： ( 1 ) 根据目前印染行业对图案设计系统的需求，提出了一个图案的多分辨 率对象表示模型，并采用位图、矢量和半色调图像混合表示模型框架，对提高图 案设计效率和精度具有良好的效果。 ( 2 ) 采用基于事件模式的任务调度方法，有效的避免了因等待一个任务的 完成而使系统其他任务被阻塞的情况，大大提高了任务处理效率；根据任务的操 作范围对任务进行分类，采用基于消息的传输策略，对局部任务直接在本地立即 执行，对跨界等整体任务提交给服务器进行分解并行执行。 ( 3 ) 采用基于预测的可操作区域生成算法，根据用户当前操作和状态，系 统自动预测生成可操作区域，所有用户的操作都在可操作区域内进行，避免了组 内成员共同对一幅图案进行协同设计时发生冲突的可能性，有利于设计效率的提 高。 4 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 采用基于数据库的事务模型机制和基于属性粒度的锁，进一步提高了 系统的并发性；同时为了保证各设计版本的数据一致性，引入时间戳机制以实现 。各客户端及服务器数据的一致性。 1 4 论文组织结构 本文面向大容量的图案协同设计问题，从提高图案设计的精度和效率，增强 整体任务的处理能力，维持数据一致性等角度，提出了一种模型框架并在该框架 下讨论了相关问题，主要内容安排如下： 第二章介绍了图案的多分辨率对象表示模型和系统的基本功能，并对提出的 混合型协同模型框架进行了详细描述。 第三章首先介绍了一个基于事件模式的任务调度方法，然后介绍了对设计任 务根据其操作范围进行分类，并详细描述了局部任务和整体任务不同的任务执行 策略。 第四章首先介绍了如何通过对任务预先进行可执行性判断以防止死锁现象 的发生，描述了判断可执行后由系统如何自动预测生成可操作区域，并对预测算 法的具体实现进行了详细描述。 第五章详细描述了为提高系统的并发性和维护系统的数据一致性所采取的 各种策略，并对相关具体策略进行了举例说明。 第六章对论文的工作进行总结并提出尚须改进之处 山东火学硕士学位论文 第2 章大容量图案协同设计系统 2 1 图案的多分辨率对象表示模型 从九十年代中期，国际上已经开始了面向高精度、大幅面图案表示模型的研 究。d e b o r a hf b e r m a n 等提出了图案的多分辨率表示模型“”，思想是利用小波 ( w a v e l e t s ) 变换实现图案不同区域用不同的分辨率表示。k e np e r l i n 等提出 了金字塔结构的图案多分辨率表示模型，并利用过程纹理( p r o c e d u r a l t e x t u r e s ) 实现图案的高精度绘制侧这些模型虽然一定程度上提高了图案的网 络浏览速度，但都没有脱离图案的位图图像表示，因此仍存在着极大的弊端。本 系统提出了一个图案的多分辨率对象表示模型，将图案看作由多个色片组成，每 个色片可有位图图像、矢量图形和单色调图像三种方式表示，并定义了对色片的 一系列操作，对色片施加操作的过程，即设计人员的图案设计过程，对提高图案 设计效率和精度具有良好的效果。 色片是一个面向图案设计人员的概念，表示设计人员对图案关注的基本单 位。印染图案设计者可将工艺制版中的“套色”看作色片对象( 如图2 1 所示) ， 陶瓷、精密印刷行业图案设计者，可将利用一种油墨或水彩绘制出的图案的一层 看作一个色片，广告设计者可将一个视觉实体看作一个色片。一幅图案可以包含 多个色片，直观显示为多个色片的叠加。 色片对象具有色彩属性、矢量属性和尺寸属性。色彩属性定义了色片对象的 颜色，有纯色( i n d e xc o l o r ) 和过渡色；矢量属性定义了色片对象的形状，尺 寸属性定义了色片对象的大小。针对色片对象的这些属性，采用怎样的数据表示 模型是一个值得研究的问题。 图案数据的表示模型是图案设计系统的基础。在传统的计算机图形学领域， 图案被看作由一串颜色信号序列组成，在计算机内部表示为二维颜色数组，通常 称之为位图图像。这种图案表示模型现在已严重束缚了计算机技术在图案设计领 域的进一步应用，与矢量图形相比具体表现为以下几点。“： ( 1 ) 数据表示 矢量图形由矩形、圆、条等图形对象构成，可以被创建、删除和修改；图形 6 山东大学硕士学位论文 do o 0o 台 ( a ) 图案 0oo o 0o o 0 ( b ) 红色色片 ( c ) 浅蓝色片 ( d ) 黄色色片 ( f ) 绿色色片 图2 1 ：图案和色片 对象表现为对象的属性，如颜色、坐标、线宽等；图形操作的目标是图形对 象，通过移动或修改对象的属性完成图形编辑操作。位图由m x n 的像素点阵组 成，每个像素点记录了该点的颜色。位图操作的目标是位图中的某一个区域的像 素，通过改变对应区域像素的颜色完成位图编辑操作。 ( 2 ) 分辨率无关 在图形系统中，可以方便地改变对象的颜色、纹理，无失真的放大缩小，即 是与分辨率无关的。而位图图像则无此特点 c 3 ) 操作表示 图形操作可以参数化表示和保存，容易实现逆操作和u n d o r e d o 功能；多数 位图操作不能用参数化表示和保存，只能以位图的方式保存操作，不容易实现逆 操作，除非保存了操作前的位图。位图编辑的时空开销要比图形编辑大的多 虽然位图表示具有很多缺点，但是对于某些编辑操作采用位图方式较矢量图 形方式却更易于实现，可见位图图像和矢量图形表示方法各有利弊。 本文讨论的图案设计采用面向位图图像和矢量图形的混合结构，在传统位图 7 参一6o参 喇参 蓝 山东大学硕十学位论文 图像的基础上引入图案的矢量图形表示，从而实现了一种图案的多分辨率对象表 示模型。 图2 2 ：印染图案中的撤丝图2 3 ：艺术图案设计中的云 每张色片由三种类型数据表示组成：纯色、云纹和矢量数据。纯色是指单纯 一种颜色，没有颜色的过渡( 如图2 2 ) ，为了便于数据管理，所有的纯色片按 照彩色表进行索引存储于一个位图结构中。云纹是由某种颜色的连续色调组成 ( 如图2 3 ) ，每一个云纹对应一个文件。矢量是指表示色片形状的矢量图形，包 括基本的矢量图形元素，如线、圆、多边形、曲线等，所有的矢量信息存储于一 个矢量文件。整个图案数据组织如图2 4 。 图2 4 ：图案的数据组织结构 对于由矢量表示的色片，可无失真放大缩小，且旋转、变形等操作也不会造 成精度的损失，是与分辨率无关的；对于由云纹表示的色片，由于是由连续色调 组成，区域的边界相对比较模糊，即使设计编辑的分辨率较低，也不会影响最后 输出胶片的质量。色片对象由过程解释生成，根据图案显示尺寸设定相应的生成 参数值，过程解释根据参数值生成相应大小的对象，因此图案可在任意分辨率下 8 山东大学硕士学位论文 解释生成而几乎不损失其精度；对于由纯色表示的色片，则是与分辨率有关的。 因此本系统采用的对象表示模型是多分辨率的，且矢量数据的表示方法给大幅 面、高精度图案的表示和编辑修改带来极大方便。另外，色片的概念是基于行业 的设计概念提出来的，幅图案由多个色片对象表示，对色片施加操作的过程， 即设计人员的图案设计过程，这种设计过程更符合设计人员的习惯，有利于更好 的进行图案设计工作。 2 2 系统模型结构 对于协同设计系统，典型的模型结构主要分为两种：集中式结构和复制结构 【2 习 0 ( 1 ) 集中式结构 集中式结构中，系统有多个编辑站点，每个站点运行一个客户进程。客户进 程负责从用户输入产生修改共享图案的操作和在本地用户界面显示共享图案的 内容；系统只有一个服务站点，共享图案放在服务站点上，服务进程负责更新共 享图案和发送更新的图案到客户站点；各编辑站点的操作任务都在服务站点上执 行，本身无执行任务的能力，结构见图2 5 。 图2 5 集中式结构 可见，集中式结构的主要缺点是本地响应时间可能过长。这是因为操作一旦 产生，只有经过下列步骤才能在本地用户界面反映出操作效果： c a ) 发送操作到服务器； ( b ) 服务器执行操作，然后广播更新消息通知所有客户站点； c c ) 客户端收到服务器发回的消息，更新本地用户界面 这三个步骤的完成速度依赖于网络延迟。而在一个高延时的网络环境中，响 9 山东大学硕士学位论文 应时问可能较长。 ( 2 ) 复制结构 在复制结构中，没有设置服务站点，服务进程和共享图案副本分布在所有站 点因此，每个编辑站点包含一个客户进程，一个服务进程和一份共享图案副本， 每个站点具有自己处理任务的能力，同时服务进程负责维持共享图案副本的一致 性，服务进程之间互相直接通信保证所有更新被所有站点执行。因此，本地操作 产生，立即被本地服务进程执行和更新结果，本地操作响应时间与网络延迟无关。 但是，这种方法的缺点是多个服务进程并发更新共享图案会导致复制副本的不一 致，结构见图2 6 。 ， 图2 6复制结构 分析以上两种结构，对于集中式，由于所有操作都集中在服务器端执行，所 以导致本地响应时间过长；而对于复制式，虽然各客户端能实时响应本地操作， 但易导致复制副本的不一致性，且对于复杂的计算任务，单个客户端难以实现快 速计算矧删渊。结合上述两种结构的特点，本系统采用混合型体系结构，模型框 架如图2 。7 所示。 系统采用“组”组织机制，首先将总的设计任务划分为几个子设计任务，然 后每个子设计任务分给一个组设计完成。组内成员对同一图案共同进行协同设 计，般需要经常协同沟通，属于紧密耦合关系，需要处理好并发冲突、数据一 致性等问题；而当有跨界等整体任务操作时，涉及到几个组的协同任务执行，需 要处理好复杂任务的分解与执行等问题。采用“组”组织机制，符合协同设计的 管理模式，每个小组由一个组负责人对小组进行负责管理，各组之间可以同时进 行各自的设计任务，互不干扰，同时，组组间有一定的协调机制，支持在需要时 的组组问协同工作模式，因此有利于设计管理与提高设计效率 1 0 山东人学硕+ 学位论文 图2 7 混合结构 在此混合结构中，虽然有服务器站点，但各客户站点仍有一个客户进程和一 个服务进程加上共享图案副本，具有一定的本地任务执行和数据一致性维护能 力。对于那些局部的操作在本地立即执行，并通知其他客户端感应此操作，各站 点的共享图案同步一致性维护见第五章具体介绍；对于那些整体的操作( 如跨界 或整体换色等操作) ，单个站点因缺少数据而无法完成此任务，因此上传至服务 器，在服务器端对任务进行分解以并行处理，然后将分解的任务分发给相应客户 端，各客户端根据各自的任务在本地执行更新。 任务的操作流程如图2 8 所示。根据设计任务的分工，由各自的组负责人建 立新组，组成员加入到相应的组中去，由总服务器负责群组的管理。从各自的组 服务器下载相应的设计数据，以后也可把设计的结果上传到组服务器上，此时， 组服务器要负责数据存储与并发访问的一致性维护。然后各组成员就可利用图案 编辑系统对相应的图案共同进行协同设计。其中，对于如跨界等整体任务，由于 超出了本地客户端的处理范围，所以上传至服务器，进行任务分解并行处理，然 后将分解的任务返回给各客户端执行；对于简单任务，可在客户端本地直接执行， 但由于组内成员共同对一个图案进行设计，所以容易发生冲突，为了避免冲突的 发生应首先确定当前的可操作范围，然后各成员在自己的可操作范围内进行操 作，同时将任务的参数命令消息通过服务器转发给其他客户端，使其他客户端根 据收到的命令参数，自动在当地也进行相同的任务操作，从而能够感知其他用户 山东人学硕士学位论文 图2 8 任务操作流程图 的操作，即“你见即我见汹h( w y s i w i s ) ，在此过程中还要注意各客户端的并 发一致性维护，最终在各客户端获得相同的执行结果。 通过采用上述的混合型结构，对任务种类进行划分，使局部任务能够在各站 点客户端得到实时响应，对跨界等整体任务也能够得到高质量的计算资源和并行 处理，因此也能达到较好的实时响应，通过各小组成员可操作范围的确定避免了 组内成员对同一图案协同设计时发生的冲突可能性，并且服务器保证了最终版本 的一致性，因此在保证最终结果正确的前提下提高了客户端的响应速度与设计效 率。 2 3 系统基本功能介绍 大容量图案的协同设计系统是一个功能复杂的设计系统，其主要功能可以用 图2 9 的三个层次六个子模块系统来表示。各子模块完成协同设计中相应功能层 中特定的任务。 ( 1 ) 网络通信模块 1 2 山东大学硕士学位论文 网络通信模块位于系统的最底层，它实现协同信息在网络上的正常通信， 处理协同成员间网络通信的细节，保证各种同步数据包和协同消息能正确到达协 同活动的各成员。 ( 2 ) 协同控制模块 负责协同活动的发起、终止、维护协同过程中各组的管理和成员的权限分 配及加入、退出等。 ( 3 ) 绘图工具模块 为图案设计提供丰富的绘图工具，包括画线，填充颜色，撇丝，变形等 么慧黧罂慧您篡冀寥么滋篓黧瑟瀑黧笺夏爹么鬣娶罂露虿 一梦要型里堡堡堕一一兰棼警兰堡芝一，堡墨塑窒垫生一 协同控制模块绘图工具模块7 一一一 同络通信模块 图2 9 图案协同设计系统逻辑模型 ( 4 ) 动态预测可操作区域模块 根据用户当前的操作和最近一段时问的操作，系统动态预测其可操作区域， 用户在可操作区域中进行操作，从而减少了各协同用户问发生操作区域冲突的可 能性，同时方便用户操作 ( 5 ) 并发一致性维护模块 采用各种维护策略，以提高系统的任务并发性和维护图案在多个协同站点 上的数据一致性。 ( 6 ) 任务调度执行模块 采用基于事件模式的任务调度方法，并对任务进行分类，对跨界等整体任。 务进行分解并发执行，从而保证系统中的无论是局部任务还是整体任务都能实对 快速执行。 概括讲，大容量图案的协同设计系统实现的基本功能有： 支持多角色的成员。组负责人、小组成员在整个协同过程中都有不同的任 1 3 山东大学硕士学位论文 务和角色，并且在协同过程中可以根据需要重新指派。 b 支持功能强大的计算机辅助图案设计( c a d ) ，为图案设计提供丰富的绘 图工具，包括画线，填充颜色，撇丝、变形等。 c 支持较强的计算和存储能力，对跨界等整体任务能够实现命令的实时响 应。 d 支持多样的沟通交流方式，如消息，共享等。这些工具的实现将提高成 员之间的通信能力，加强用户对协同的感知，同时协同的效率也得到保证。 e 支持具有智能和动态预测特性的可操作区域功能，避免了组内成员共同 对一幅图案进行协同设计时发生冲突的可能性，有利于设计效率的提高。 f 支持强有力的并发操作以及同步一致性能力。多个成员能对同一幅图案 同时进行设计，在并发访问和操作的情况下，数据的完整性和一致性能得到有效 保证。 图2 1 0 为大容量图案的协同设计系统多用户协同工作场景图。 2 4 本章小节 图2 1 0 多用户协同工作场景图 本章根据目前印染行业对图案设计系统的需求，提出了一个图案的多分辨率 对象表示模型，并采用位图、矢量和半色调图像混合表示模型框架，对提高图案 4 山东大学硕士学位论文 设计效率和精度具有良好的效果。通过分析典型模型结构集中式和复制式的优缺 点，提出了一个混合型的体系结构，在提高客户端实时响应速度的同时保证了最 终设计结果的一致性，并采用“组”组织机制，有利于设计管理与提高设计效率。 最后对系统支持的基本功能进行了介绍。 1 5 山东大学硕士学位论文 第3 章任务调度与执行 3 1 基于事件模式的任务调度方法 在多用户协同的图案编辑环境中，对各用户提交的任务采用何种任务调度方 法对任务的执行非常重要，因为可能系统处理延迟或其他用户响应迟缓，用户提 交的请求不能马上得到结果，此时，系统的各个部分不应当因为等待一个任务的 完成而被阻塞。异步的事件机制可以使得系统有更高效的任务处理能力，将处理 结果及时反馈给用户，能够更好的处理多任务。 针对来自于不同用户的不同任务，图3 1 给出了基于事件模式的任务调度方 法处理流程。 备用户提交的任务| i ill 当前任务 n l 巧会 鬯竺耖 上y 际磊面 i 及冲突者 细分操作区域 向所有冲突者和当前任 务操作者发送事件 任务挂起 监听来自客户端的响应 操作区域 望 任务执行 r 一一j r - 一一1 所有冲突者同意释放区域叫至夏垂亟垂三垂亟口+ 阿磊趸磊茬磊 i i 冲突者拒绝释放或操作者放弃：磊云；i ；i j 云i 。l 塑! 兰! 苎! 堡刻i：冲突者拒绝释放或操作者放弃+ 陌磊石i 磊j 函司巳望塑塑! ! ! 型i 首先，预定义一组系统可以识别处理的操作命令集。用户选择命令，输入相 关参数后，客户端根据用户目前的状态和操作，生成并提交给系统一个相应的任 务。每个任务可以定义如下： 1 6 山尔人学硕士学位论文 任务( 客户端i d ，任务类型，输入参数，操作区域包围盒，提交和处理时 间，任务状态) 。 其中，客户端i d 用于标识提交任务的用户；任务类型和输入参数根据用户 的浏览以及编辑等命令产生；根据任务类型和参数计算操作区域包围盒，用于检 测操作区域冲突以及在操作过程中更新用户的可操作区域：提交和处理时间属性 可以用于记录任务历史，用于操作区域的动态管理，用户长期没有进行操作的区 域将自动释放其操作权限；任务状态记录当前任务的状态，包括：等待处理、处 理、挂起、操作完成等。 一 所有用户提交的任务按照到达顺序构成处理任务队列。任务处理模块取出任 务队列中的第一个待处理任务，使其处于处理状态。然后检测当前任务的提交者， 任务操作类型，操作区域，判断当前操作区域是否与其他用户的操作区域存在冲 突。 如果存在区域冲突，并且无法通过计算当前区域更细致的包围盒的方法解决 冲突，则通过事件通知拥有操作权限的用户，申请获得操作权限，同时通知任务 提交者冲突的情况，询问是否取消任务。然后挂起该任务，监听来自客户端的响 应。任务提交者放弃操作或区域拥有者拒绝释放区域将导致任务由挂起状态直接 删除。如果所有冲突区域的拥有者同意释放区域，则更新公共区域映像，激活该 挂起的任务，等待处理。如果不存在区域冲突，则根据任务的操作范围，是局部 任务还是整体任务调用相应的处理策略予以执行。 客户端根据用户的配置和操作任务的结果事件，可以自动提交刷新显示任 务，或提示用户，由用户决定何时提交刷新显示命令。 3 2 局部任务的执行 在利用基于事件模式的任务调度方法对用户提交的任务进行调度之后，得到 的当前可处理任务根据其操作范围，是局部任务还是整体任务调用相应的处理策 略予以执行。对于局部任务，由于本地具有足够的数据且任务比较简单，需要较 少计算资源，在本地客户端即可执行完成，在图案的协同设计过程中，小组成员 客户端发出的大部分是局部任务命令。但如何使正在对同一图案进行设计操作的 组内其他成员快速感知此任务，是需要解决的问题。 1 7 山 东大学硕士学位论文 图案操作信息数据量大，传统的数据交互方式是图案传输方式，设计中传输 了大量的数据 2 7 。比如其设计过程可能是：设计者a 将其设计图案传输服务上 传到共享图形数据库中，设计者b 下载到本机后进行修改，哪怕是只改变了原图 中的一条直线，都要将整个图案数据进行重新上传。很显然，这种图案交换的数 据传输方式不适合协同设计系统通过i n t e r n e t 进行数据交换，因为图案数据一 般很大，再加上现在网络带宽较小的限制，在协同设计中这样来回传输图案数据 将花费大量的网络传输时间，设计者之间实时交互设计数据将变的很困难，最终 导致不能满足系统实时性要求 在同步设计环境下，设计人员对图案进行协同设计时，由于网络传输速度的 限制，大数据量的传输比较困难，通常的协同图案设计只是在已有图案的基础上 进行的，所以没有必要传输全部的设计数据信息 2 8 。 因此，对于局部任务的执行，采用基于消息的处理机制。即根据面向对象观 点，设计人员在对图案进行操作时，触发了一个操作事件。系统捕捉到事件后， 将操作事件按照标准格式写成消息，通过网络发送到服务器。服务器负责将消息 转发给其他的协作客户机，其他的协作客户机接收到消息后，在本机重新解释执