1_量子的疊加性

量子物理因?yàn)閰^(qū)別于經(jīng)典物理而被稱為新物理，它最著名的三個(gè)特性就是疊加態(tài)、糾纏態(tài)和坍縮性。雖然目前尚不能完美地解釋這些特性，但因?yàn)閿?shù)學(xué)公式的嚴(yán)格推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)的間接證明和生活中的廣泛應(yīng)用，所以量子理論已經(jīng)成為了真理的一部分。

所謂的疊加態(tài)，就是一個(gè)粒子可以同時(shí)多個(gè)具備排他的狀態(tài)。比如一個(gè)電子在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，造成明暗相間的條紋。但是，這怎么可能呢？確實(shí)，不僅僅是普通人，就連愛因斯坦到死的時(shí)候，也無法接受量子理論。

但是，無論能不能理解，如剛才所說，它就是真理。最重要的是，疊加性因?yàn)橥瑫r(shí)具備一些矛盾的特性，也擁有了逆天的實(shí)用價(jià)值。量子計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力，就是利用疊加特性。如果有一天，人類能精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)天氣，快速發(fā)明治療各種疾病的藥物，就是量子計(jì)算機(jī)在背后貢獻(xiàn)力量。

知道了什么是疊加態(tài)，我們不難發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)世界中，程序員們已經(jīng)通過編寫程序，在計(jì)算機(jī)的虛擬世界中創(chuàng)造了很多具備疊加性的應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)字孿生就是典型的代表。

那么，數(shù)字孿生系統(tǒng)到底存在哪些疊加態(tài)？這些疊加態(tài)又是如何實(shí)現(xiàn)的呢？下面，就以北京優(yōu)锘科技有限公司的數(shù)字孿生系統(tǒng)，即ThingJS 3D可視化平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱ThingJS）為例來進(jìn)行具體的說明。

2_ 亦近亦遠(yuǎn)

當(dāng)宇航員置身太空中時(shí)，盡管地球如此巨大，但依然能盡收眼底。再大的物體，只要距離它足夠遠(yuǎn)，我們也能看清它的全貌，知道它的形狀，顏色，其表面都覆蓋著什么。

另一方面，就算距離地球如此之遠(yuǎn)，宇航員依然能夠利用高精密度的觀測(cè)設(shè)備，拉近了與地球的距離，甚至能夠看清楚地面上的一只螞蟻。可以說，利用了宇宙飛船和觀測(cè)設(shè)備，宇航員同時(shí)具備了亦近亦遠(yuǎn)這種看似矛盾的能力。

現(xiàn)實(shí)工作中人們通常不需要觀察或者管理地球這么大尺度的物體，但就算一棟樓或者城市的某個(gè)區(qū)域，也不是想遠(yuǎn)就遠(yuǎn)，想近就近的。要么借助某些工具，要么就是人自己跑的遠(yuǎn)一點(diǎn)或者近一點(diǎn)。

這一切在數(shù)字孿生系統(tǒng)出現(xiàn)后，便發(fā)生了變化。借助ThingJS，使用者只需要操作鼠標(biāo)，便能改變與物體的距離，讓人具備了遠(yuǎn)看全局近看細(xì)節(jié)的能力。

為了實(shí)現(xiàn)這種亦近亦遠(yuǎn)的能力，ThingJS都做了哪些工作呢？

2.1?虛擬攝像機(jī)

在解釋亦近亦遠(yuǎn)能力如何實(shí)現(xiàn)之前，要說一個(gè)ThingJS的專業(yè)術(shù)語：攝像機(jī)，它是可視化應(yīng)用開發(fā)過程中必不可少的一個(gè)概念，它是用戶觀察3D場(chǎng)景的切入點(diǎn)。你可以把電腦的屏幕理解成攝像機(jī)，屏幕后面就是三維虛擬世界。亦近亦遠(yuǎn)的三維場(chǎng)景，就是通過控制攝像機(jī)的可視范圍來實(shí)現(xiàn)的，即可視范圍越大，物體顯得更遠(yuǎn)；可視范圍越小，物體顯得更近。

ThingJS還有一種能力，就是攝像機(jī)不動(dòng)的情況下，某個(gè)被觀察物體可以單獨(dú)進(jìn)行縮放，這種伸縮可以是長(zhǎng)寬高同時(shí)縮放，也可以是某個(gè)方向上單獨(dú)縮放。

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2.2?精簡(jiǎn)切換

可視化應(yīng)用很重要的一個(gè)使用場(chǎng)景就是宣傳展示，展示的設(shè)備會(huì)由普通的電腦顯示器變成了大屏，分辨率可能達(dá)到2K、4K甚至8K。在這種分辨率下，模型必須制作的非常精細(xì)，才能夠保證在近距離和高分辨率下，模型依然保持正常的觀感，不模糊，不出現(xiàn)鋸齒。但這又帶來了另外一個(gè)問題，精細(xì)的模型比普通的模型占用更多的內(nèi)存和顯卡計(jì)算能力，精細(xì)的模型多的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)大家所說的“卡”。

經(jīng)常玩游戲的人深有體會(huì)，配置低的電腦如果各種游戲特效都打開，流暢度就會(huì)大大下降，原因之一就是特效打開的情況下，加載過多的高精細(xì)度的模型（人物模型、道具模型、特效模型等）造成的。

ThingJS巧妙的使用了精模簡(jiǎn)模切換的辦法，兼顧了性能和視覺效果。也就是說在場(chǎng)景初始化后，用戶是遠(yuǎn)距離觀察整個(gè)場(chǎng)景，此時(shí)系統(tǒng)雖然加載了所有模型，但加載的是精細(xì)度較低的模型，保證了系統(tǒng)響應(yīng)速度；當(dāng)用戶近距離觀察某個(gè)設(shè)備（比如數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜）的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把那些在用戶視野范圍內(nèi)且距離較近的設(shè)備切換為精細(xì)的模型，因?yàn)橥瑫r(shí)在用戶視野內(nèi)且距離較近的設(shè)備數(shù)量不可能過多，所以雖然是精細(xì)模型也不影響系統(tǒng)性能。

2.3?小地圖

ThingJS支持小地圖方式，幫助用戶在全局視角下，通過點(diǎn)擊右上角小地圖的某個(gè)點(diǎn)，在3D場(chǎng)景中觀察該位置的詳細(xì)情況。這個(gè)功能讓用戶同時(shí)擁有了遠(yuǎn)近觀察的能力。

3_?亦內(nèi)亦外

小時(shí)候很喜歡看動(dòng)畫片，印象最深的動(dòng)畫片之一便是嶗山道士。片中的王生習(xí)得了法術(shù)，可以念動(dòng)咒語，穿過墻壁進(jìn)入室內(nèi)，不過因?yàn)樗男g(shù)不正，最終導(dǎo)致法術(shù)失靈。
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時(shí)至今日，嶗山道士換成了ThingJS，穿墻術(shù)換成了層級(jí)切換，而且這個(gè)法術(shù)百試百靈，永遠(yuǎn)不存在失效的情況。

3.1?層級(jí)切換

首先，ThingJS將3D場(chǎng)景中的空間單位按從大到小的順序進(jìn)行了層級(jí)劃分，比如分別為園區(qū)，建筑、樓層、房間、物體等等。

以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，ThingJS提供了層級(jí)切換的能力，讓用戶的觀察視角在各個(gè)層級(jí)之間實(shí)時(shí)變化，穿墻瞬移都不是問題。比如在園區(qū)層級(jí)，雙擊某個(gè)建筑物，可以切換到建筑層級(jí)，近距離的觀察建筑物外立面；再雙擊建筑物的某個(gè)樓層，可以切換到樓層層級(jí)，查看該樓層的布局結(jié)構(gòu)。

層級(jí)切換能力可以從外到內(nèi)，也可以從內(nèi)到外，但都是逐級(jí)切換。

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更神奇的是，無論在任何層級(jí)，用戶可以立刻飛到某個(gè)物體的旁邊，就像X戰(zhàn)警中的瞬移人。這個(gè)功能通常用來實(shí)現(xiàn)物體的搜索和空間定位。

3.2?第一人稱行走

如果覺得層級(jí)切換和瞬移這種超能力太過逆天，而你只想做個(gè)普通人，規(guī)規(guī)矩矩的從外到內(nèi)，也沒問題。ThingJS還提供了第一人稱行走的能力，就像玩游戲一樣。

A：左移；

D：右移；

W：前進(jìn)；

S：后退；

空格：跳躍；

鼠標(biāo)：旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景；

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在此功能基礎(chǔ)上，還可以自定義行走路線。設(shè)定完成后，視角就會(huì)根據(jù)設(shè)定的路線自動(dòng)行走并切換。

4?_亦分亦合

請(qǐng)看下面兩張圖，看出有什么差別了嗎？

第一張圖中，是變電站的一臺(tái)主變壓器，但為了管理和觀察上的方便，在第二張圖上將這個(gè)變壓器的各個(gè)組件進(jìn)行了拆解，可以查看每個(gè)組件的外形和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

在應(yīng)用系統(tǒng)所管理的對(duì)象中，有很多類似的物體，它包含了眾多復(fù)雜的組件。如果拆開表示，雖然能夠仔細(xì)觀察到各個(gè)組件的外觀和運(yùn)行情況，但卻破壞了系統(tǒng)總體外觀上的完整性；如果不拆開，就難以了解復(fù)雜對(duì)象的物理結(jié)構(gòu)，在理解這個(gè)對(duì)象的運(yùn)行原理，以及發(fā)生故障時(shí)候的根源分析和問題解決的情況下，都會(huì)造成困難。由此可見，具備了聚合分解能力的模型和可以承載這種模型的可視化平臺(tái)是多么重要。

4.1?模型制作

閱讀過了上面的部分，我們自然可以想到，ThingJS平臺(tái)亦分亦合的能力是要有相應(yīng)的模型支持的，程序還沒有達(dá)到能把一個(gè)模型拆解成多個(gè)模型組件的智能化程度。

優(yōu)锘的建模工程師從客戶處獲取物體各個(gè)組件的外觀照片，然后分別建模再整合到一起。這個(gè)過程中，每個(gè)組件模型的美觀和組合在一起的完整性和契合性都要保證，其制作的復(fù)雜性和時(shí)間上的高成本，導(dǎo)致了在實(shí)際項(xiàng)目中，只有一些大型的、重要的物體，比如變壓器、盾構(gòu)機(jī)等，才進(jìn)行分合模型的制作。

4.2?模型分合

分合模型制作完成后，接下來就是程序處理了。程序可以按照視覺上的合理性，設(shè)置各個(gè)組件的運(yùn)動(dòng)軌跡和向量，然后對(duì)物體的各個(gè)組件進(jìn)行位移，最后形成一個(gè)整體模型分開，變成多個(gè)組件模型的動(dòng)畫效果。

實(shí)際開發(fā)過程中，一個(gè)分合模型的組件數(shù)量比較少還好，但是如果組件數(shù)量多，一個(gè)個(gè)進(jìn)行軌跡和向量的設(shè)置然后測(cè)試，最后形成一個(gè)合理的視覺效果，會(huì)耗費(fèi)很大的工作量。因此，ThingJS提供了一個(gè)可視化工具，實(shí)現(xiàn)了模型移動(dòng)和代碼自動(dòng)生成的雙向交互。也就是說，將一個(gè)分合模型導(dǎo)入到這個(gè)可視化工具后，可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)模型中的一個(gè)組件，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的腳本。如此往復(fù)，把每一個(gè)組件都用鼠標(biāo)拖動(dòng)到分開狀態(tài)下的合適位置，也就完成了所有的代碼開發(fā)工作。如果對(duì)位置的細(xì)節(jié)不滿意，還可以修改代碼中代表位移長(zhǎng)度的數(shù)字，則可視化區(qū)域中的組件會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的移動(dòng)。

4.3?動(dòng)態(tài)組合

分合模型的動(dòng)畫效果無論從視覺感受，還是實(shí)際管理上都有很重要的意義。不過，ThingJS亦分亦合的能力不僅于此，比如動(dòng)態(tài)組合。

在與某廠的合作過程中了解到，他們?yōu)榭蛻羯a(chǎn)的數(shù)據(jù)中心微模塊中，包含的機(jī)位數(shù)量是不固定的，每一種類型的微模塊有十幾種可能性，而且微模塊的類型有很多種。在這種情況下，一般的做法就是要做幾十種模型，更要命的是，如果某種類型的微模塊的模型要進(jìn)行改動(dòng)，這個(gè)系列的所有模型都要改變，費(fèi)時(shí)費(fèi)力易出錯(cuò)。

為此，ThingJS新增了一種動(dòng)態(tài)組合的能力，像上文中提到的微模塊，會(huì)制作一個(gè)含有三個(gè)組件，即兩側(cè)的門和一對(duì)機(jī)柜（如果是單列微模塊就是一個(gè)機(jī)柜）的模型。在3D場(chǎng)景中，系統(tǒng)可以根據(jù)外部系統(tǒng)傳入的參數(shù)（包括方向和機(jī)柜數(shù)量），動(dòng)態(tài)的加載模型組件，即微模塊前門，動(dòng)態(tài)數(shù)量的機(jī)柜和微模塊后門，最終在3D場(chǎng)景中形成大小不一的微模塊。

5?_亦靜亦動(dòng)

一般人理解數(shù)字孿生系統(tǒng)，只是簡(jiǎn)單地理解為二維變?nèi)S，殊不知，比起維度的改變，更重要的是，數(shù)字孿生系統(tǒng)讓原來靜止的世界動(dòng)了起來。ThingJS也是如此，如果用戶想仔細(xì)地清楚，它就靜止；如果用戶想全面的了解，它就轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然，為了更好地展示被管理的對(duì)象，ThingJS平臺(tái)研發(fā)出的更多能力是向著動(dòng)的方向傾斜的。

5.1?物體控制

ThingJS提供了很多控制物體的方法，包括：

顯示/隱藏：可以讓某個(gè)或者某些物體模型顯示或者隱藏；

旋轉(zhuǎn)：讓某個(gè)物體模型沿任意方向，旋轉(zhuǎn)任意的角度；

移動(dòng)：讓某個(gè)物體模型沿著一定的線路移動(dòng)；

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上面提到的物體顯示隱藏、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)都是比較簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)能力，ThingJS還提供了一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)能力，比如一個(gè)物體圍繞著另一個(gè)物體旋轉(zhuǎn)，一個(gè)物體追隨著另一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)等等。各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式組合起來，為各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的可視化展示和管理提供了無數(shù)的可能性。

還有一種活動(dòng)效果是模型本身就具有的，比如數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中的機(jī)柜門的開關(guān)。ThingJS可以獲取并展現(xiàn)該模型具備的所有活動(dòng)效果。

5.2?視點(diǎn)動(dòng)畫

如果把物體控制能力形成的效果比喻成小視頻的話，那么ThingJS的動(dòng)畫制作能力就可以看成是動(dòng)畫片的制作。設(shè)想一下，如果有機(jī)會(huì)變成宮崎駿，誰還會(huì)在乎抖音上火不火呢。那么，ThingJS的動(dòng)畫的制作過程是怎樣的呢？

首先了解一下視點(diǎn)的概念。其實(shí)很容易理解，在3D場(chǎng)景中，某一個(gè)固定的畫面就是一個(gè)視點(diǎn)。當(dāng)然了，從用戶的角度看是一個(gè)靜止的畫面，而從系統(tǒng)后臺(tái)看這個(gè)畫面卻包含了眾多的數(shù)據(jù)，比如場(chǎng)景的編號(hào)和角度，攝影機(jī)到場(chǎng)景的距離和角度等等。

在了解了視點(diǎn)的概念后，下一步就是獲取視點(diǎn)，相當(dāng)于把你認(rèn)為合適的3D場(chǎng)景畫面按個(gè)暫停鍵然后截圖。

如果想動(dòng)畫過程中表現(xiàn)的內(nèi)容多一些，就要多獲取一些視點(diǎn)，形成一個(gè)視點(diǎn)列表。

完成了一個(gè)視點(diǎn)列表，其實(shí)就是完成了一個(gè)動(dòng)畫的制作。你可能會(huì)想怎么會(huì)這么容易，如果一個(gè)視點(diǎn)是園區(qū)的鳥瞰圖，下一個(gè)視點(diǎn)是某個(gè)設(shè)備的細(xì)節(jié)放大圖，兩個(gè)視點(diǎn)連續(xù)播放豈不就是圖片的切換，跟動(dòng)畫有什么關(guān)系呢？

ThingJS的強(qiáng)大之處，就在于它沒有把視點(diǎn)切換做成生硬的圖片切換，而是在后臺(tái)做了大量的工作，計(jì)算兩個(gè)視點(diǎn)中場(chǎng)景的層級(jí)和角度，攝像機(jī)的距離和角度等信息，然后按照一定速度均勻地進(jìn)行變換，從用戶的角度看起來，就是一個(gè)平滑的動(dòng)畫過程。

如果還不明白，就想象一下那些能夠進(jìn)行變臉的APP吧，這些APP通過算法把一張臉漸漸地，毫無違和感地變成另外一張臉。雖然這算法復(fù)雜，但是用戶只需要關(guān)心前后兩張臉的圖片就行了，剩下的交給計(jì)算機(jī)。

限于篇幅原因，ThingJS量子宇宙的疊加態(tài)先介紹到這里。接下來的一篇中，我們還將介紹亦簡(jiǎn)亦繁，亦舊亦新，亦真亦幻和亦獨(dú)亦群四種疊加態(tài)。

數(shù)字孿生/智慧園區(qū)/IOC/三維可視化/