基于數(shù)字孿生的校史館設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 瑞，劉蔚晨，宋祥壯

(1.西安郵電大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710121; 2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

校史館是學(xué)校歷史陳列館、展覽館或博物館的簡稱，是學(xué)校傳統(tǒng)與校園文化的集中展現(xiàn)形式，能夠展示不同時期的學(xué)校風(fēng)貌。目前，校史館主要是實(shí)體化和虛擬化兩種形式。實(shí)體校史館存在展覽空間、人數(shù)等多重限制，而融入現(xiàn)代科技的虛擬校史館已經(jīng)成為大學(xué)校史館的主流[1]。

虛擬校史館作為學(xué)校內(nèi)資源共享的信息資源基礎(chǔ)平臺，使多個機(jī)構(gòu)的多項(xiàng)業(yè)務(wù)資源共享，有機(jī)地成為一個動態(tài)的整體。

個性化服務(wù)設(shè)計(jì)作為一種以用戶為中心的設(shè)計(jì)模式，旨在提高用戶體驗(yàn)。目前，虛擬校史館建設(shè)多依賴于虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)[2]、Unity 3D等技術(shù)的應(yīng)用，雖然技術(shù)較為成熟，但個性化服務(wù)體驗(yàn)較弱。一部分校史館以格式知覺塔[3]的形式體現(xiàn)校史文化，突破了傳統(tǒng)校史館在展陳設(shè)計(jì)上的感官體驗(yàn)；另一部分校史館則通過空間語言[4]在展示空間設(shè)計(jì)上尋求創(chuàng)新，意在營造游覽中的空間層次感。但是追求空間設(shè)計(jì)和展陳設(shè)計(jì)的校史館只局限于校史館內(nèi)部建設(shè)，個性化服務(wù)覆蓋面較窄。蘇州博物館[5]注重基于循環(huán)結(jié)構(gòu)的移動情景感知服務(wù)，并通過應(yīng)用程序(Application,APP)服務(wù)于參觀者，該服務(wù)依賴于導(dǎo)覽結(jié)構(gòu)，因此資源共享程度較低。上海玻璃博物館[6]進(jìn)行了文創(chuàng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將用戶體驗(yàn)體現(xiàn)在對文創(chuàng)產(chǎn)品的個性化定制中，針對性較強(qiáng)，但是個性化的文創(chuàng)產(chǎn)品更新較慢，不適用虛擬校史館的時事、文化等建設(shè)。虛擬校史館的個性化服務(wù)形式呈現(xiàn)多元化，針對校史館特殊的教育背景和校內(nèi)文化建設(shè)的需求，滿足不同人群的個性化服務(wù)仍需進(jìn)一步研究。

受傳統(tǒng)校史館服務(wù)設(shè)計(jì)的局限，目前大學(xué)校史館提供的各種信息服務(wù)并不能完全滿足人們對服務(wù)形式與內(nèi)容的各種需求。因此，為了提升虛擬校史館的個性化服務(wù)體驗(yàn)，擬提出數(shù)字孿生技術(shù)與共享服務(wù)設(shè)計(jì)理念[7]相融合的虛擬校史館系統(tǒng)。該系統(tǒng)以服務(wù)設(shè)計(jì)理念為指引，在虛擬共享平臺下實(shí)現(xiàn)個性化的用戶服務(wù)。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)[8]逐漸引入到交通、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域，對滿足用戶需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行功能化評估，能夠提高產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。因此，數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)虛擬校史館個性化服務(wù)的有效途徑。

1 虛擬校史館系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以實(shí)體校史館為基礎(chǔ)，主要運(yùn)用數(shù)字孿生的技術(shù)特點(diǎn)，借鑒服務(wù)設(shè)計(jì)的理念，實(shí)現(xiàn)虛擬校史館的個性化服務(wù)。

1.1 共享服務(wù)設(shè)計(jì)理念

虛擬校史館作為一種系統(tǒng)化的服務(wù)，涉及到學(xué)校、訪客、軟件和基礎(chǔ)設(shè)施等相關(guān)要素，而服務(wù)設(shè)計(jì)是一種系統(tǒng)化的思維方式，其能有效地規(guī)劃和組織學(xué)校、基礎(chǔ)設(shè)施和通信，以提高用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)設(shè)計(jì)理念需要建立在窗口服務(wù)系統(tǒng)(Window Service System,WSS)、技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)(Technical Service System,TSS)和資源服務(wù)系統(tǒng)(Resource Service System,RSS)的層次結(jié)構(gòu)上[9]。

虛擬校史館的服務(wù)設(shè)計(jì)理念是基于共享理念建立的。如圖1所示，在RSS階段，虛擬校史館實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)各平臺之間的資源共享，資源來自實(shí)體校史館的文化展品以及學(xué)校各個學(xué)院和機(jī)構(gòu)提交近期的活動資料，保證校史館能夠提供豐富的服務(wù)內(nèi)容。在TSS階段，實(shí)現(xiàn)對RSS整合的資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的編排展示，主要通過VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)和Web 3D技術(shù)搭建虛擬共享服務(wù)平臺。窗口服務(wù)階段主要是評估經(jīng)過CSS的技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)的虛擬校史館能否實(shí)現(xiàn)個性化服務(wù)。

圖1 服務(wù)設(shè)計(jì)理念

1.2 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是一種虛擬表示，充當(dāng)一個物理對象或過程的實(shí)時數(shù)字模型[10]。虛擬校史館系統(tǒng)的數(shù)字孿生框架如圖2所示，展示了不同數(shù)字孿生模塊的多模態(tài)交互。數(shù)字孿生將整合的數(shù)據(jù)資源經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的數(shù)字化映射，為訪客提供豐富的服務(wù)內(nèi)容與游覽方式。在虛擬空間中，三維可視化平臺用于評估虛擬構(gòu)建的數(shù)字孿生模型能否實(shí)現(xiàn)多場景、多視角的個性化服務(wù)體驗(yàn)。除此之外，虛擬校史館作為一個共享服務(wù)平臺，用戶的體驗(yàn)和反饋可以幫助我們建立動態(tài)的個性化需求庫，更好地完善平臺功能。

圖2 虛擬校史館的數(shù)字孿生框架

2 虛擬校史館系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

考慮到技術(shù)水平是決定虛擬校史館個性化服務(wù)成功與否的重要因素[11]，因此，以虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)校史館的服務(wù)碎片化，利用交互展示將碎片化的服務(wù)進(jìn)行不同類型的排列組合。最終通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體校史館的虛擬化，并從個性化服務(wù)的角度展示了基于數(shù)字孿生的校史館系統(tǒng)。

2.1 虛擬化實(shí)現(xiàn)

作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主流實(shí)現(xiàn)形式，Web 3D是一種通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行三維顯示和交互式操作的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。根據(jù)個性化服務(wù)對于虛擬校史設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合實(shí)體校史館的展覽特點(diǎn)，將Web 3D技術(shù)應(yīng)用于校史館的開發(fā)中。虛擬校史館實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。系統(tǒng)采用攝影測量技術(shù)[12]、虛擬建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)和交互制作技術(shù)，應(yīng)用最先進(jìn)的建模、紋理、烘托和動畫方法實(shí)現(xiàn)實(shí)體校史館在視覺上的重建。

圖3 虛擬校史館實(shí)現(xiàn)過程

該系統(tǒng)主要包括以下3個階段的工作。

1) 前期的準(zhǔn)備。主要包括搜集資料和對項(xiàng)目的整體規(guī)劃兩方面的工作。

2) 場景素材配置。在細(xì)節(jié)性和精確性的問題上，選擇實(shí)用性較強(qiáng)的攝影測量技術(shù)，可以從現(xiàn)實(shí)世界掃描并模擬物體的外觀質(zhì)量。因此，在建立三維校史館模型場景時，需要針對不同的房間設(shè)置中央或角落等合適的攝像機(jī)機(jī)位。精確性和細(xì)節(jié)性是實(shí)現(xiàn)交互式體驗(yàn)的關(guān)鍵，系統(tǒng)針對校史館的細(xì)節(jié)通過Photoshop和UI軟件進(jìn)行3D空間渲染和可視化的紋理映射，以更高的保真度創(chuàng)作場景的視覺和聽覺。

3) 對虛擬環(huán)境進(jìn)行制作。主要通過3DMAX進(jìn)行三維空間建模，利用立體顯示技術(shù)獲得具有空間深度和維度信息的圖像，導(dǎo)入Unity 3D中完成第一人稱視角的游覽、各種物品交互及場景跳轉(zhuǎn)等交互的制作。此外，系統(tǒng)還可以通過Web自動化錯誤檢測技術(shù)對制作的系統(tǒng)進(jìn)行錯誤檢測，如功能丟失、接口錯誤和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)錯誤等行為測試，確保運(yùn)行過程中的流暢性與體驗(yàn)感。

2.2 交互展示的實(shí)現(xiàn)

在完成數(shù)字孿生模型的重建制作后，需要將項(xiàng)目發(fā)布到虛擬網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交互，以驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際效果。選用WebGL技術(shù)在較為輕量的JavaScript腳本語言中完成交互連接。在構(gòu)建適用于Web的內(nèi)容時，一方面系統(tǒng)可能需要與網(wǎng)頁上的其他元素進(jìn)行通信，另一方面可以使用Unity當(dāng)前在默認(rèn)情況下未公開的Web API 實(shí)現(xiàn)功能。因此在交互制作中，Unity需要直接與瀏覽器的JavaScript引擎連接。在Unity中完成顯示與交互制作后，Unity對象需要轉(zhuǎn)換為WebGL文件與瀏覽器腳本交互，如圖4所示。Unity使用emscripten編譯器工具鏈交叉編譯為asm.js JavaScript。使用Unity發(fā)布WebGL需要與Js進(jìn)行交互通信，主要包括使用jslib與前端js代碼進(jìn)行交互和Web前端對Unity的調(diào)用。UnityScript即WebGL需要完成在場景中添加腳本并初始化，實(shí)現(xiàn)對Web的消息發(fā)送和接收。JavaScript即Web需要進(jìn)行消息監(jiān)聽并發(fā)送消息給WebGL[13]。

圖4 Web GL的交互

數(shù)據(jù)庫的操作主要是通過阿里云服務(wù)器中建立的MySQL數(shù)據(jù)庫搭建IIS網(wǎng)站服務(wù)器并部署WebGL項(xiàng)目。在MySQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要一個源數(shù)據(jù)庫ECS和一個目標(biāo)數(shù)據(jù)庫RDS。首先，在本地的Navicat下建立阿里云連接，遠(yuǎn)程登陸到源數(shù)據(jù)庫中，對比源數(shù)據(jù)庫中的資源信息。其次，需要通過SSH方式登陸到阿里云管理控制臺，建立目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。最后，在開放的制定端口號下，連接MySQL數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)ECS自建數(shù)據(jù)庫遷移到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫RDS。

Unity-WebGL與html頁面相互調(diào)用是將JavaScript源包含到文件中，直接從腳本代碼中調(diào)用這些函數(shù)[14]。為了訪問WebGL中的紋理，emscripte提供了GL.textures數(shù)組，其將Unity中的原生紋理id映射到WebGL紋理對象。WebGL函數(shù)可以在emscripten的WebGL中的GLctx上調(diào)用。在Web前端調(diào)用Unity，則需要從瀏覽器的JavaScript向Unity腳本發(fā)送數(shù)據(jù)或通知。該系統(tǒng)可以從嵌入在項(xiàng)目中的JavaScript插件進(jìn)行調(diào)用。但是，如果線程中從嵌入頁面的全局范圍調(diào)用內(nèi)部JavaScript函數(shù)，則必須在WebGL模板index.html中使用unityInstance變量。在Unity引擎實(shí)例化成功之后執(zhí)行此操作。因此，腳本交互中通常使用myGameInstance. SendMessage()向構(gòu)建模塊發(fā)送消息，訪問構(gòu)建模塊對象。

3 虛擬校史館的效果呈現(xiàn)

3.1 個性化漫游交互服務(wù)

為了驗(yàn)證數(shù)字孿生系統(tǒng)與共享服務(wù)理念的可行性，對現(xiàn)存校史館進(jìn)行了虛擬構(gòu)建和個性化服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。允許訪客通過登錄瀏覽器進(jìn)入網(wǎng)上虛擬校史館的主頁或者通過智能終端設(shè)備進(jìn)入微信公眾號。訪客可以在參觀之前選擇適合自己的漫游方式，同時可以根據(jù)自己的興趣愛好選擇熱點(diǎn)標(biāo)簽。系統(tǒng)可以根據(jù)訪客的特點(diǎn)和所選的熱點(diǎn)標(biāo)簽規(guī)劃一條適合該訪客的游覽路徑。因此，虛擬校史館的虛擬漫游功能是根據(jù)不同的訪客參觀需求設(shè)計(jì)的，訪客可以自己去尋找熱點(diǎn)信息，這使得文化信息可以通過互動的數(shù)字創(chuàng)意方式被個人重新發(fā)現(xiàn)和體驗(yàn)。

大部分展品是通過攝影測量采集的，部分展品是通過網(wǎng)絡(luò)鏈接獲取的。系統(tǒng)通過虛擬展板對不同的展品信息進(jìn)行個性化展示，為不同的訪客提供了多元化的信息傳輸。信息的展示形式主要有文字、圖片相冊、畫卷、音視頻和熱點(diǎn)鏈接等方式。根據(jù)不同的展品形式，支持不同的表現(xiàn)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)校相關(guān)文化內(nèi)容的了解，展示更多關(guān)于文化物品故事的情感和獨(dú)到的見解。系統(tǒng)還提供諸多個性化的小型博客和討論區(qū)，具有易用性和拓展性。后臺人員則可以通過Unity平臺將更新數(shù)據(jù)上傳至阿里云的MySQL數(shù)據(jù)庫中，真正做到及時更新、及時共享。

3.2 多視角多場景交互服務(wù)

系統(tǒng)提供多場景和多視角的界面交互功能，包括場景交互和視角切換。通過在HTML5中添加定位控件，系統(tǒng)在監(jiān)控到“Click”操作后，可在瀏覽器中自動定位地理位置，實(shí)現(xiàn)360°環(huán)境交互功能。虛擬校史館采用的移動模式是點(diǎn)到點(diǎn)的傳送，系統(tǒng)配置了多個通往不同場景的網(wǎng)關(guān)，每個場景都配置通往其他場景或返回主界面的網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)切換即可實(shí)現(xiàn)場景的傳送，多視角展示效果如圖5所示。

圖5 多視角展示

除了校史館內(nèi)的場景輪換，虛擬校史館中增設(shè)了校園的720°全景展廳，并對部分網(wǎng)紅打卡的熱點(diǎn)景區(qū)，如校訓(xùn)石、雕塑等設(shè)置了鏈接，訪客可以根據(jù)自己的興趣愛好點(diǎn)擊瀏覽詳細(xì)的景點(diǎn)信息。系統(tǒng)配置了多屏互動、VR視角和全景視角等多種瀏覽方式，提供豐富的視覺體驗(yàn)。除此之外，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)錨點(diǎn)添加、語音播報和后臺管理等功能，更好地服務(wù)于用戶的交互式文化體驗(yàn)。

4 結(jié)語

通過數(shù)字孿生技術(shù)為公眾訪客提供了一種基于個性化服務(wù)理念的虛擬校史館共享平臺。該系統(tǒng)利用Unity3D與3DMAX組合的軟件配置，對實(shí)體校史館進(jìn)行建模顯示與交互制作，并通過美工制作與紋理貼圖使得虛擬校史館更具有真實(shí)性。通過系統(tǒng)驗(yàn)證，虛擬校史館實(shí)現(xiàn)了個性化漫游交互、個性化服務(wù)展示、多場景界面交互和多視角展示等功能。作為以共享服務(wù)理念建設(shè)的虛擬校史館平臺，系統(tǒng)還應(yīng)在教育服務(wù)、方案活動、評價或管理模式[15]等方面做更多的改進(jìn)和完善。數(shù)字孿生技術(shù)與共享服務(wù)設(shè)計(jì)理念相融合的虛擬校史館系統(tǒng)讓公眾感受到更便捷、更舒適和更有趣的個性化服務(wù)，在觀展方面有更好的交互體驗(yàn)，有助于校史館通過數(shù)字孿生的技術(shù)手段提高管理效率。