“福州古厝”數字博物館平臺研究

李莉

(福州市勘測院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著我國數字化技術的快速發展，我國的博物館建設進入了新的發展階段，數字化博物館建設逐漸成為人們廣泛關注的熱點[1，2]。數字化博物館可以實現博物館文物資源與數據資料的統一存儲、管理與共享，提高博物館數字化水平，增強博物館的陳列展覽能力，優化用戶的觀展體驗，提升用戶與展品之間的互動性[3，4]。

當前，國內建立了很多不同主題的數字博物館[5～7]，如，山西省非物質文化遺產數字博物館[5]、中國傳統村落數字博物館[6]、數字故宮[7]。另外，很多學者也提出了數字博物館的建設[4，8～10]，如，高晨彤提出了數字博物館云平臺的整體架構及四類業務功能，開發了具體的業務功能微服務模塊[4]。李新國提出了數據庫設計和湘語數字博物館系統基礎架構[8]。黃妍等調研了浙江省現存古橋、古堰，提出了基于“互聯網+”的浙江古橋古堰數字博物館[9]。但當前很多數字博物館主要以文字、圖片或視頻的形式來展現博物館內容，體驗感和沉浸感差[11]。而VR技術、三維建模技術等應用于數字博物館的建設有助于多感官、多層次和立體化的方式展現博物館內容，易于實現與用戶的交互，從而增強用戶體驗感[11～15]，如，李哲等以江西流坑村、浙江胡卜村等為例，利用三維數據展示了村落智慧[12]。吳成浩探討了八大山人數字博物館虛擬展示建設的可行性，提出了利用虛擬現實和增強現實技術建設八大山人數字博物館實感交互的方案[13]。

福州具有2200多年的建城史，1986年被國務院列為第二批國家歷史文化名城，孕育了海納百川、底蘊深厚的閩都文化，也造就了黛瓦相連、獨具特色的古建筑群。古建筑是構成福州歷史文化名城的要素之一[16，17]。本文基于福州歷史文化名城保護和利用成果，利用傾斜攝影、激光點云、三維建模、全景VR等高新技術賦能中國傳統文化，對福州市國家文物保護單位、省級文物保護單位等福州古厝和世界文化遺產申遺片區開展數字化建庫、開發“福州古厝”數字博物館平臺，將福州古厝搬到云端，賦予古厝全新生命力，讓古厝真正“活”起來、“亮”起來，滿足公眾、游客足不出戶在線觀展需求。

2 古厝數字博物館數據庫設計

福州市古厝數字博物館由空間基礎數據庫、古厝全景影像數據庫、街區三維場景精細模型數據庫、古厝文化元素數據庫和系統業務數據庫組成。運用全景VR、無人機航攝、三維建模、三維場景實時渲染技術，構建福州古厝數字博物館數據庫，如圖1所示。

圖1 古厝數字博物館數據庫組織結構

2.1 空間基礎數據庫

空間基礎數據庫由切片電子地圖數據庫與定位數據庫構成，由福州市政務版地理信息公共平臺生產建設，通過在線地圖數據服務對外共享使用。切片電子地圖數據庫的數據內容包括矢量電子地圖數據與影像電子地圖數據，可作為信息化空間背景參考基礎數據。數據內容主要包括居民地及設施、交通、水系、植被與土質、注記等。定位數據庫的數據內容包括熱點及路網等基礎性空間查詢定位數據，可用于信息化空間查詢與定位等操作。

2.2 古厝全景影像數據庫

采用360全景技術，建設福州市范圍內共計80處古厝與19處特色歷史文化街區的全景影像數據庫，包括高空鳥瞰全景影像、地面室內外全景影像、全景影像熱點信息等內容。古厝全景影像數據庫由古厝空中全景影像數據庫、古厝地面全景影像子數據庫、古厝全景熱點信息數據庫構成，如圖2所示。

圖2 古厝水榭戲臺全景影像

2.3 街區古厝三維精細模型數據庫

街區古厝三維模型數據庫以福州市現有三維模型數據庫為基礎，建設兩處歷史文化街區、5處重點古厝范圍內的三維精細模型，并采用三維渲染技術進行渲染，提升場景視覺效果。街區古厝三維模型數據庫依據是否用于可視化表現可以分為源數據分庫和表現分庫。源數據分庫又根據要素分為地形、建筑物、交通、場地和水系、植被以及其他等六個模型子庫，各模型子庫存放原始三維模型，每個模型含有幾何和紋理兩類信息。表現分庫也按要素分為地形、建筑物、交通、場地和水系、植被及其他等六個模型子庫，各模型子庫存放用于三維可視化表現的模型，每個模型通過唯一編碼與原始三維模型一一對應，并含有LOD1、LOD2、LOD3三個不同表現細節層次等級的模型(圖3)。

圖3 街區古厝三維模型

2.4 古厝文化元素數據庫

古厝文化元素數據庫與古厝全景影像數據、古厝三維場景數據庫共同構成完整的古厝展示數據體系。古厝空間影像數據庫是古厝風貌格局直觀展示，古厝文化元素數據是古厝所承載的歷史文化的凝練。古厝文化元素數據庫內容包含古厝文字、語音、音樂、圖片、視頻等(如圖4所示)。

圖4 古厝文化元素數據庫

2.5 系統業務數據庫

系統業務數據庫指平臺上線運行后產生的業務數據，包括文創、學術、活動等模塊產生的業務數據，這些數據來源主要為管理用戶通過運營運維管理系統發布的數據，社會公眾通過數字博物館網站PC端、手機端填寫的數據，以及古厝全景發布系統產生的數據管理信息。

3 數字博物館平臺系統功能設計

“福州古厝”數字博物館平臺由基于Web端、移動端、觸屏端的線上、線下集合式搭建形成，由“福州古厝”數字博物館網站(中文版、英文版)、“云古厝”手機端、“福州古厝”數字孿生系統、“福州古厝”全景數據發布系統、平臺運維運營管理系統五個子系統組成(圖5)。

圖5 系統總體結構圖

“福州古厝”數字博物館網站：是福州古厝對外展示和互動的主窗口、官方網站，包含中文版、英文版兩個版本，功能模塊由首頁、地圖、街區、古厝、活動、文創、學術、教育、關于九個一級功能模塊組成，一級模塊下設若干個二級功能模塊。

“云古厝”手機端：借助強大的移動互聯網技術，通過“云古厝”H5網頁版、e福州古厝數字博物館專欄兩種方式進行古厝的宣傳和展示。“云古厝”H5網頁版包含首頁、地圖、古厝、文創、互動、我的六個模塊，e福州App“古厝數字博物館”欄目包含搜索、場館快捷入口、場館全景調用等功能模塊。

“福州古厝”數字孿生系統：線下古厝三維互動展示平臺，通過多媒體、多感官、多維度的交互技術，給用戶帶來深度沉浸式的文旅體驗。系統包含3D互動操作、坊巷格局、古厝文化、非物質文化遺產、室內全景、平面導覽圖、特效設置、自動導覽、系統設置九個功能模塊(如圖6所示)。

圖6 “福州古厝”數字孿生系統

“福州古厝”全景數據發布系統：為福州古厝全景影像發布提供基礎平臺，系統包含場館管理、場景發布管理、全景信息處理、全景熱點管理、電子沙盤管理、多媒體數據管理、古厝二維碼管理七個功能模塊。

平臺運維管理系統：“福州古厝”數字博物館網站及手機端的運維系統，活動、文創、學術、教育等模塊的運營運維管理系統。包含統一登錄管理、用戶管理、密碼及安全管理、日志管理、活動發布管理、文創成果發布管理、交流互動管理、流量統計分析、數據備份管理九個功能模塊。

4 關鍵技術

(1)UML統一建模

統一建模語言(UML是Unified Modeling Language的縮寫)是用來對軟件密集系統進行可視化建模的一種語言，是為面向對象開發系統的產品進行說明、可視化和編制文檔的一種標準語言。UML展現了一系列最佳工程實踐，這些最佳實踐在對大規模，復雜系統進行建模方面，特別是在軟件架構層次已經被驗證有效。UML可以貫穿軟件開發周期中的每一個階段，被OMG采納作為業界的標準。UML最適于數據建模，業務建模，對象建模，組件建模。UML作為一種模型語言，它使開發人員專注于建立產品的模型和結構，而不是選用什么程序語言和算法實現。當模型建立之后，模型可以被UML工具轉化成指定的程序語言代碼。

(2)微服務架構

微服務架構是一項在云平臺中部署應用和服務的新技術，近一兩年來發展迅速，它提倡將單一應用劃分成一組小的服務，服務之間互相協調、互相配合，每個服務運行在獨立的進程中，服務間采用輕量級通信相互溝通。與傳統的單一應用架構相比，微服務架構在大型應用系統的開發、測試、部署等多個方面優勢明顯，是當前大數據、云計算、物聯網平臺等眾多高新技術領域的新寵。本平臺采用微服務架構，主要解決系統的高并發性能和系統擴展性問題。本平臺要求在架構上必須能夠支撐多人同時使用系統，即滿足大并發訪問的需求。而解決這一問題的最有效的方法即是為某個大并發訪問服務開啟多個實例，通過負載均衡方式進行合理分流，以應對大并發訪問。與傳統的“巨塊”程序架構相比，微服務架構的核心在于服務，每個服務可以單獨部署，并且可以按需開啟多個，可完美地解決系統的高并發訪問。

另外，考慮到未來基于數據的應用可能有很多很多，提供易于功能擴展的系統架構，以支撐未來對現有功能的調整和新功能的增加。微服務架構是一個高伸縮性的架構，新功能的增加，在微服務架構中就體現為增加幾個服務，開發人員只需要開發新應用的幾個服務就可以了，可專注業務，進行獨立開發、測試和分發，不影響之前的服務，特別是在系統規模越來越大時，使用微服務架構，不會出現“牽一發而動全身”的不可控局面，非常方便功能的擴展和調整，優勢非常明顯。

(3)面向服務的架構(SOA)

面向服務架構(SOA)是一種應用框架，它著眼于日常的業務應用，并將它們劃分為單獨的業務功能和流程，即所謂的服務。SOA使用戶可以構建、部署和整合這些服務，且無須依賴應用程序及其運行計算平臺，從而提高業務流程的靈活性。這種業務靈活性可使企業加快發展速度，降低總體擁有成本，改善對及時、準確信息的訪問。SOA有助于實現更多的資產重用(整合舊系統)、更輕松地管理和更快的開發與部署。

基于HTML5的前端框架，并應用一套皮膚、骨骼、結構相分離的模塊化樣式體系和前端組件包。采用面向服務的架構(SOA)，基于插件式的模塊開發，增強了系統的擴展性、可維護性。

采用面向服務架構(SOA)的設計思想，構建包含標準體系、技術體系、業務體系、數據體系、應用體系、安全體系的“一體化”集成框架，總體架構基于層次化設計思想，以實現不同層次間的相互獨立性，保障系統的高度穩定性、實用性和可擴展性。

(4)基于XML的信息交換

XML是基于WebServices的SOA實現的核心，關于XML的規范是Web服務規范標準的基礎。XML具有強大的自描述能力，在各種層次、各種技術路線的系統間的數據交換時發揮巨大的作用。

(5)基于UE4的三維場景實時渲染技術

當前GIS應用基本以2D為主，3D化后都流行基于當時的開源渲染引擎諸如OsgEarth、CesiumJS等為基礎開發自研引擎平臺，對三維顯示效果和交互要求并不高。本文在使用GIS數據來構建超大規模的數字場景時，嘗試引入UE4引擎。UE4即第四代虛幻引擎，是一個實時渲染引擎平臺，通常用于游戲場景構建、電影特效制作。在基于UE4引擎中的三維模型可視化相比傳統三維的可視化再次提高了一個層次，創建以用戶為中心的體驗模式，根據用戶的即時想法和需求，自主選擇到項目中，動態實現了實時光影、動態效果、沉浸式展示等多項功能的設置研發，解決了多項傳統規劃三維模型展示的技術盲區，提高整體三維渲染效果，帶來了多種沉浸式體驗以及交互效果的智能技術，大大提升視覺效果的逼真度和運行流暢度(圖7)，為后續的高質量三維展示發展提供一定的基礎積累。

圖7 基于UE4的三維模型可視化對比

(6)三維場景LOD(多細節層次)技術

針對不同的城市分塊模型，需要有合理的層級組織，以達到理想的渲染效率。場景分級組織對于模型生成不同的細節程度，以符合從近到遠的渲染需求。每個細節程度的層級，分別需要設置不同的加載距離，當渲染攝像機距離超過設置距離時，則隱藏高細節程度的模型。

(7)實時光線追蹤技術

與傳統的掃描線或光柵化渲染方式不同，光線追蹤(Ray tracing)是三維計算機圖形學中的特殊渲染算法，跟蹤從攝像機發出的光線而不是光源發出的光線，通過這樣一項技術生成編排好的場景的數學模型顯現出來。相比于傳統方法的掃描線技術，實時光線追蹤技術有更好的光學效果，例如對于反射與折射有更準確的模擬效果，并且效率非常高，所以當追求高質量的效果時經常使用這種方法(圖8)。

圖8 開啟和關閉RTX的對比圖

5 結 論

本文運用全景VR、無人機航攝、三維建模、三維場景實時渲染技術，構建了福州古厝數字博物館數據庫，并搭建了基于Web端、移動端、觸屏端的線上、線下集合式的“福州古厝”數字博物館平臺，實現了福州古厝空間數據資源的VR實景、三維虛擬場景展示與管理，為福州古厝建設與宣傳提供了數據資源和分析決策支持，用信息促進福州古厝的保護和開發利用。以“一張圖”的方式，實現了將福州古厝搬到云端，能滿足公眾、游客足不出戶在線觀展需求。創新了福州古厝展覽展示手段，賦予了古厝全新生命力，加強了文化遺傳宣傳保護。實現古厝各類空間數據資源的共享共用，提升古厝數據的“傳輸”效率，實現福州古厝管理工作的“家底清”。