基于可視化交互技術(shù)的數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余冰清

摘 ?要： 為解決歷史博物館的空間與時(shí)間局限性，采用可視化交互技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)。通過數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊獲取可使用的物品信息列表，生成VM文件;利用數(shù)字化博物館瀏覽模塊分析VM文件，將二維平面圖拉伸變化為三維空間圖，提供給瀏覽者瀏覽使用。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)字化博物館技術(shù)構(gòu)建流程，采用線性化算法運(yùn)算點(diǎn)擊次數(shù)，根據(jù)點(diǎn)擊次數(shù)反映權(quán)重實(shí)現(xiàn)字體可視化，構(gòu)建標(biāo)簽云組件，提供交互服務(wù)，便于瀏覽者高效了解博物館信息。驗(yàn)證結(jié)果顯示該系統(tǒng)虛擬展示效果佳、應(yīng)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞： 可視化交互技術(shù); 數(shù)字化博物館; 動(dòng)態(tài)全景虛擬展示; 線性化算法; 交互服務(wù); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0140?04

Abstract： A dynamic panoramic virtual display system of the digital museum is designed by using the visual interaction technology， so as to solve the time and space limitation problem of the history museum. The digital museum design module is used to obtain the usable item information list and generate the VM file. The digital museum browsing module is used to analyze the VM file. The two?dimensional planar map is stretched into the three?dimensional space map for browsers to browse and use. For the system software， the construction process of the digital museum technology is designed. The linearized algorithm is used to calculate the click times. The weight is reflected according to the click times to achieve font visualization， build tag cloud components， and provide interactive services， so that the browsers can understand museum information efficiently. The verification results show that the system has a good virtual display effect and strong applicability.

Keywords： visual interactive technology; digital museum; dynamic panoramic virtual display; linearized algorithm; interactive service; system design

0 ?引 ?言

人們?cè)跒g覽博物館內(nèi)各種文物時(shí)，受條件與時(shí)間所限，無法近距離、長(zhǎng)時(shí)間地觀察古文物。為解決歷史博物館的空間與時(shí)間局限性[1]，數(shù)字化博物館應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化博物館的定義范圍分為狹義與廣義兩種，通過數(shù)字技術(shù)再現(xiàn)博物館展品是狹義上的數(shù)字化博物館，而涵蓋現(xiàn)實(shí)世界內(nèi)只存在于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無實(shí)體的虛擬展示，即廣義上的數(shù)字化博物館。作為科技應(yīng)用結(jié)合藝術(shù)展示的綜合性成果，數(shù)字化博物館具有一項(xiàng)最主要的特征——交互性[2]，數(shù)字化博物館的交互性決定著參觀過程中，瀏覽者能否進(jìn)行高質(zhì)量可視化虛擬交互體驗(yàn)。

科技的快速發(fā)展使多媒體技術(shù)與VR技術(shù)愈發(fā)成熟，當(dāng)前，交互技術(shù)已經(jīng)由靜態(tài)二維界面的交互發(fā)展為多維信息空間中的交互[3]，實(shí)現(xiàn)這一跨越式發(fā)展的基礎(chǔ)為面向虛擬環(huán)境中使用者多層次、動(dòng)態(tài)性的行為實(shí)施研究與設(shè)計(jì)。

因此，設(shè)計(jì)基于可視化交互技術(shù)的數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)，方便瀏覽者更加高效地獲取和了解博物館信息。

1 ?數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)

1.1 ?整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)由瀏覽者同物品數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊和數(shù)字化博物館瀏覽模塊共同組成，見圖1。

圖1 ?數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

圖1中：瀏覽者同物品數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的主要功能是修正、添加和刪減MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)、FTP服務(wù)器內(nèi)的物品信息;數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊主要功能是查閱供瀏覽的物品信息，將信息從MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和FTP服務(wù)器內(nèi)下載至本地，瀏覽者依照自身需求，在設(shè)置數(shù)字化博物館二維平面圖成功后置入物品，構(gòu)建VM模型文件[4];數(shù)字化博物館瀏覽模塊分析所構(gòu)建的VM模型文件，同時(shí)展示所構(gòu)建的數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景。

1.2 ?數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊

數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊確保瀏覽者在成功登錄系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)依照瀏覽者級(jí)別得到能夠使用的物品信息列表[5]。在畫板內(nèi)生成數(shù)字化博物館的二維平面圖，在本地平面內(nèi)選取圖片作為數(shù)字化博物館不同區(qū)域的紋理。將物品信息列表中所列物品置于數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)二維平面圖中，同時(shí)生成VM文件，具體過程如圖2所示。

圖2 ?數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊

VM文件內(nèi)保存的信息包括：數(shù)字化博物館二維平面圖內(nèi)頂點(diǎn)的數(shù)量以及不同頂點(diǎn)位置信息;數(shù)字化博物館內(nèi)物品數(shù)量、物品ID和物品位置信息;本模塊內(nèi)設(shè)定的瀏覽者初始位置信息。

1.3 ?數(shù)字化博物館瀏覽模塊

數(shù)字化博物館瀏覽模塊的主要功能是分析數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊中的VM文件，將數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊中的二維平面圖拉伸變化為三維空間圖[6]，并提供給瀏覽者瀏覽使用，具體過程如圖3所示。

圖3 ?數(shù)字化博物館瀏覽模塊設(shè)計(jì)

瀏覽者通過數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊獲取包含數(shù)字化博物館信息的VM文件，通過數(shù)字化博物館瀏覽模塊打開VM文件，獲取其中包含的數(shù)字化博物館信息。在數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)內(nèi)，瀏覽者利用鍵盤能夠?qū)崿F(xiàn)交互瀏覽漫游。

1.4 ?軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 ?數(shù)字化博物館技術(shù)構(gòu)建流程設(shè)計(jì)

瀏覽者需求是數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)的根本[7]。為了滿足瀏覽者的需求，在數(shù)字化博物館技術(shù)構(gòu)建流程中，采用展示設(shè)計(jì)、人際交互理論以及可視化技術(shù)等，構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 ?數(shù)字化博物館技術(shù)構(gòu)建流程

主題確定與需求分析階段中主要是全方位分析數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)的主題。研究該主題的必要性與可行性，基于該主題全面規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)明確數(shù)字化博物館最終的功能與目標(biāo)?？傮w架構(gòu)設(shè)計(jì)階段基于上一階段分析結(jié)果規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體架構(gòu)，確定數(shù)字化博物館內(nèi)場(chǎng)景、展示方法和功能目標(biāo)的整體框架;明確同實(shí)際一致的交互行為，設(shè)計(jì)數(shù)字化博物館的交互功能，明確不同交互功能的實(shí)現(xiàn)過程。三維模型構(gòu)建階段通過三維建模軟件構(gòu)建規(guī)劃完成的博物館場(chǎng)景與所需模型，設(shè)定燈光與材質(zhì)等表現(xiàn)效果，獲取真實(shí)的瀏覽體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)可視化交互功能階段在可視化交互軟件內(nèi)導(dǎo)入構(gòu)建完的博物館場(chǎng)景與模型，對(duì)其實(shí)施優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可視化交互功能。實(shí)現(xiàn)可視化交互后，以網(wǎng)頁(yè)格式或執(zhí)行文件格式輸出博物館可視化交互結(jié)果，并發(fā)布到相應(yīng)網(wǎng)站中。

1.4.2 ?標(biāo)簽云組件設(shè)計(jì)

具有權(quán)重的標(biāo)簽集合即標(biāo)簽云[8]，依據(jù)差異字體和其他可視化形式反映標(biāo)簽權(quán)重差異，瀏覽者采用標(biāo)簽連接得到相關(guān)信息。在展示系統(tǒng)中使用標(biāo)簽云組件，組件內(nèi)的標(biāo)簽由瀏覽者與專家構(gòu)建，信息的主題與類別等通過信息的標(biāo)簽呈現(xiàn)，瀏覽者采用標(biāo)簽獲取與主題關(guān)聯(lián)的信息。標(biāo)簽云組件中設(shè)置字體大小的依據(jù)是標(biāo)簽權(quán)重，標(biāo)簽訪問次數(shù)描述標(biāo)簽權(quán)重大小，通過字體大小差異反應(yīng)瀏覽度較高的相關(guān)信息。

標(biāo)簽云組件中實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽名稱、構(gòu)建時(shí)間與標(biāo)簽連接等信息存儲(chǔ)功能的是TagBean.java類，通過Java包含的數(shù)據(jù)類型HashMap保存標(biāo)簽主題與其相應(yīng)的TagBean對(duì)象。如何將點(diǎn)擊標(biāo)簽次數(shù)科學(xué)映射至標(biāo)簽字體差異上是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽云組件的核心[9]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中全部標(biāo)簽點(diǎn)擊次數(shù)后得到點(diǎn)擊次數(shù)的分布具有不均勻性，與正態(tài)分布相似。系統(tǒng)為使用戶點(diǎn)擊次數(shù)均勻分布于字體差異區(qū)間中，采用線性化算法運(yùn)算點(diǎn)擊次數(shù)[10]，具體過程為：

式中：[E]，[W]和[FontSizei]分別為標(biāo)簽點(diǎn)擊次數(shù)平均差、線性斜率以及標(biāo)簽[i]字體差異值;[hitNumi]，[m]和[meanNum]分別為標(biāo)簽[i]的點(diǎn)擊次數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)標(biāo)簽總量和全部標(biāo)簽點(diǎn)擊平均值;[maxSize]，[minSize]和[midSize]分別為標(biāo)簽字體差異區(qū)間的最大值、標(biāo)簽字體差異區(qū)間的最小值以及字體差異的中間值。

計(jì)算過程的第一步是確定全部標(biāo)簽點(diǎn)擊次數(shù)的[E];通過匯總獲取全部標(biāo)簽點(diǎn)擊次數(shù)的偏離誤差范圍為[-2E]～[2E]，通過式（2）確定[W];在此基礎(chǔ)上利用[meanNum]與[midSize]等值確定標(biāo)簽[i]的字體差異值。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

2.1 ?虛擬展示效果

以我國(guó)某省博物館為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用本文設(shè)計(jì)的基于可視化交互技術(shù)的數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的全景虛擬展示，分析本文系統(tǒng)虛擬展示效果，結(jié)果見圖5。圖5中數(shù)字化博物館虛擬展示結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠有效展示數(shù)字化博物館展廳與數(shù)字化博物館外觀。

2.2 ?實(shí)用性

實(shí)驗(yàn)通過問卷調(diào)查方式，對(duì)100名數(shù)字化博物館參觀者進(jìn)行調(diào)查，分析問卷調(diào)查結(jié)果見圖6和圖7，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)用性。分析圖6與圖7可得，本文數(shù)字化博物館虛擬展示系統(tǒng)與實(shí)體瀏覽博物館相比具有物品信息全面、技術(shù)創(chuàng)新、自主操作、節(jié)省時(shí)間和動(dòng)畫展示等優(yōu)勢(shì)。基于這些優(yōu)勢(shì)，學(xué)生與科教文衛(wèi)相關(guān)人員更多傾向于采用數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)瀏覽、了解博物館相關(guān)信息，而機(jī)關(guān)企業(yè)由于條件所限，對(duì)數(shù)字化博物館與實(shí)體博物館的傾向差距較小。以上結(jié)論說明本文設(shè)計(jì)數(shù)字化博物館虛擬展示系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性。

圖5 ? 數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示結(jié)果

圖6 ?本文數(shù)字化博物館虛擬展示系統(tǒng)參觀興趣點(diǎn)

圖7 ?博物館人員流動(dòng)變化

3 ?結(jié) ?論

本文構(gòu)建基于可視化交互技術(shù)的數(shù)字化博物館動(dòng)態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)，通過瀏覽者同物品數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、數(shù)字化博物館設(shè)計(jì)模塊和數(shù)字化博物館瀏覽模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字化博物館全景展示。采用線性化算法運(yùn)算點(diǎn)擊次數(shù)，根據(jù)點(diǎn)擊次數(shù)反映權(quán)重構(gòu)建標(biāo)簽云組件，提供交互服務(wù)。結(jié)果表明，本文系統(tǒng)不僅能夠有效展示博物館全景，相比于實(shí)體博物館具有物品信息全面、技術(shù)創(chuàng)新、自主操作、節(jié)省時(shí)間和動(dòng)畫展示等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、高效率、高精度的虛擬展示。

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