基于數字孿生的校史館設計與實現

張 瑞，劉蔚晨，宋祥壯

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

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

虛擬校史館作為學校內資源共享的信息資源基礎平臺，使多個機構的多項業務資源共享，有機地成為一個動態的整體。

個性化服務設計作為一種以用戶為中心的設計模式，旨在提高用戶體驗。目前，虛擬校史館建設多依賴于虛擬現實(Virtual Reality,VR)[2]、Unity 3D等技術的應用，雖然技術較為成熟，但個性化服務體驗較弱。一部分校史館以格式知覺塔[3]的形式體現校史文化，突破了傳統校史館在展陳設計上的感官體驗；另一部分校史館則通過空間語言[4]在展示空間設計上尋求創新，意在營造游覽中的空間層次感。但是追求空間設計和展陳設計的校史館只局限于校史館內部建設，個性化服務覆蓋面較窄。蘇州博物館[5]注重基于循環結構的移動情景感知服務，并通過應用程序(Application,APP)服務于參觀者，該服務依賴于導覽結構，因此資源共享程度較低。上海玻璃博物館[6]進行了文創產品設計，將用戶體驗體現在對文創產品的個性化定制中，針對性較強，但是個性化的文創產品更新較慢，不適用虛擬校史館的時事、文化等建設。虛擬校史館的個性化服務形式呈現多元化，針對校史館特殊的教育背景和校內文化建設的需求，滿足不同人群的個性化服務仍需進一步研究。

受傳統校史館服務設計的局限，目前大學校史館提供的各種信息服務并不能完全滿足人們對服務形式與內容的各種需求。因此，為了提升虛擬校史館的個性化服務體驗，擬提出數字孿生技術與共享服務設計理念[7]相融合的虛擬校史館系統。該系統以服務設計理念為指引，在虛擬共享平臺下實現個性化的用戶服務。近年來，數字孿生技術[8]逐漸引入到交通、醫療和農業等各個領域，對滿足用戶需求的產品設計進行功能化評估，能夠提高產品功能設計的準確性。因此，數字孿生是實現虛擬校史館個性化服務的有效途徑。

1 虛擬校史館系統的設計

該系統以實體校史館為基礎，主要運用數字孿生的技術特點，借鑒服務設計的理念，實現虛擬校史館的個性化服務。

1.1 共享服務設計理念

虛擬校史館作為一種系統化的服務，涉及到學校、訪客、軟件和基礎設施等相關要素，而服務設計是一種系統化的思維方式，其能有效地規劃和組織學校、基礎設施和通信，以提高用戶體驗和服務質量。服務設計理念需要建立在窗口服務系統(Window Service System,WSS)、技術服務系統(Technical Service System,TSS)和資源服務系統(Resource Service System,RSS)的層次結構上[9]。

虛擬校史館的服務設計理念是基于共享理念建立的。如圖1所示，在RSS階段，虛擬校史館實現了校內各平臺之間的資源共享，資源來自實體校史館的文化展品以及學校各個學院和機構提交近期的活動資料，保證校史館能夠提供豐富的服務內容。在TSS階段，實現對RSS整合的資源進行標準化、模塊化的編排展示，主要通過VR、增強現實(Augmented Reality,AR)和Web 3D技術搭建虛擬共享服務平臺。窗口服務階段主要是評估經過CSS的技術融合實現的虛擬校史館能否實現個性化服務。

圖1 服務設計理念

1.2 數字孿生

數字孿生是一種虛擬表示，充當一個物理對象或過程的實時數字模型[10]。虛擬校史館系統的數字孿生框架如圖2所示，展示了不同數字孿生模塊的多模態交互。數字孿生將整合的數據資源經過標準化、模塊化的數字化映射，為訪客提供豐富的服務內容與游覽方式。在虛擬空間中，三維可視化平臺用于評估虛擬構建的數字孿生模型能否實現多場景、多視角的個性化服務體驗。除此之外，虛擬校史館作為一個共享服務平臺，用戶的體驗和反饋可以幫助我們建立動態的個性化需求庫，更好地完善平臺功能。

圖2 虛擬校史館的數字孿生框架

2 虛擬校史館系統的實現方法

考慮到技術水平是決定虛擬校史館個性化服務成功與否的重要因素[11]，因此，以虛擬化技術實現校史館的服務碎片化，利用交互展示將碎片化的服務進行不同類型的排列組合。最終通過數字孿生技術實現實體校史館的虛擬化，并從個性化服務的角度展示了基于數字孿生的校史館系統。

2.1 虛擬化實現

作為虛擬現實技術的主流實現形式，Web 3D是一種通過互聯網進行三維顯示和交互式操作的虛擬現實技術。根據個性化服務對于虛擬校史設計的要求，結合實體校史館的展覽特點，將Web 3D技術應用于校史館的開發中。虛擬校史館實現過程如圖3所示。系統采用攝影測量技術[12]、虛擬建模技術、立體顯示技術和交互制作技術，應用最先進的建模、紋理、烘托和動畫方法實現實體校史館在視覺上的重建。

圖3 虛擬校史館實現過程

該系統主要包括以下3個階段的工作。

1) 前期的準備。主要包括搜集資料和對項目的整體規劃兩方面的工作。

2) 場景素材配置。在細節性和精確性的問題上，選擇實用性較強的攝影測量技術，可以從現實世界掃描并模擬物體的外觀質量。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置中央或角落等合適的攝像機機位。精確性和細節性是實現交互式體驗的關鍵，系統針對校史館的細節通過Photoshop和UI軟件進行3D空間渲染和可視化的紋理映射，以更高的保真度創作場景的視覺和聽覺。

3) 對虛擬環境進行制作。主要通過3DMAX進行三維空間建模，利用立體顯示技術獲得具有空間深度和維度信息的圖像，導入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等交互的制作。此外，系統還可以通過Web自動化錯誤檢測技術對制作的系統進行錯誤檢測，如功能丟失、接口錯誤和數據結構錯誤等行為測試，確保運行過程中的流暢性與體驗感。

2.2 交互展示的實現

在完成數字孿生模型的重建制作后，需要將項目發布到虛擬網絡中進行交互，以驗證系統的實際效果。選用WebGL技術在較為輕量的JavaScript腳本語言中完成交互連接。在構建適用于Web的內容時，一方面系統可能需要與網頁上的其他元素進行通信，另一方面可以使用Unity當前在默認情況下未公開的Web API 實現功能。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發布WebGL需要與Js進行交互通信，主要包括使用jslib與前端js代碼進行交互和Web前端對Unity的調用。UnityScript即WebGL需要完成在場景中添加腳本并初始化，實現對Web的消息發送和接收。JavaScript即Web需要進行消息監聽并發送消息給WebGL[13]。

圖4 Web GL的交互

數據庫的操作主要是通過阿里云服務器中建立的MySQL數據庫搭建IIS網站服務器并部署WebGL項目。在MySQL數據庫的數據傳輸過程中，需要一個源數據庫ECS和一個目標數據庫RDS。首先，在本地的Navicat下建立阿里云連接，遠程登陸到源數據庫中，對比源數據庫中的資源信息。其次，需要通過SSH方式登陸到阿里云管理控制臺，建立目標數據庫。最后，在開放的制定端口號下，連接MySQL數據庫，使用數據傳輸服務，實現ECS自建數據庫遷移到目標數據庫RDS。

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

3 虛擬校史館的效果呈現

3.1 個性化漫游交互服務

為了驗證數字孿生系統與共享服務理念的可行性，對現存校史館進行了虛擬構建和個性化服務系統的設計。允許訪客通過登錄瀏覽器進入網上虛擬校史館的主頁或者通過智能終端設備進入微信公眾號。訪客可以在參觀之前選擇適合自己的漫游方式，同時可以根據自己的興趣愛好選擇熱點標簽。系統可以根據訪客的特點和所選的熱點標簽規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不同的訪客參觀需求設計的，訪客可以自己去尋找熱點信息，這使得文化信息可以通過互動的數字創意方式被個人重新發現和體驗。

大部分展品是通過攝影測量采集的，部分展品是通過網絡鏈接獲取的。系統通過虛擬展板對不同的展品信息進行個性化展示，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、音視頻和熱點鏈接等方式。根據不同的展品形式，支持不同的表現形式，能夠實現對學校相關文化內容的了解，展示更多關于文化物品故事的情感和獨到的見解。系統還提供諸多個性化的小型博客和討論區，具有易用性和拓展性。后臺人員則可以通過Unity平臺將更新數據上傳至阿里云的MySQL數據庫中，真正做到及時更新、及時共享。

3.2 多視角多場景交互服務

系統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，系統在監控到“Click”操作后，可在瀏覽器中自動定位地理位置，實現360°環境交互功能。虛擬校史館采用的移動模式是點到點的傳送，系統配置了多個通往不同場景的網關，每個場景都配置通往其他場景或返回主界面的網關，通過網關切換即可實現場景的傳送，多視角展示效果如圖5所示。

圖5 多視角展示

除了校史館內的場景輪換，虛擬校史館中增設了校園的720°全景展廳，并對部分網紅打卡的熱點景區，如校訓石、雕塑等設置了鏈接，訪客可以根據自己的興趣愛好點擊瀏覽詳細的景點信息。系統配置了多屏互動、VR視角和全景視角等多種瀏覽方式，提供豐富的視覺體驗。除此之外，系統可以實現錨點添加、語音播報和后臺管理等功能，更好地服務于用戶的交互式文化體驗。

4 結語

通過數字孿生技術為公眾訪客提供了一種基于個性化服務理念的虛擬校史館共享平臺。該系統利用Unity3D與3DMAX組合的軟件配置，對實體校史館進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性。通過系統驗證，虛擬校史館實現了個性化漫游交互、個性化服務展示、多場景界面交互和多視角展示等功能。作為以共享服務理念建設的虛擬校史館平臺，系統還應在教育服務、方案活動、評價或管理模式[15]等方面做更多的改進和完善。數字孿生技術與共享服務設計理念相融合的虛擬校史館系統讓公眾感受到更便捷、更舒適和更有趣的個性化服務，在觀展方面有更好的交互體驗，有助于校史館通過數字孿生的技術手段提高管理效率。