基于數(shù)字孿生技術(shù)的校史館VR導覽設(shè)計研究

馮于天韞 蔡駿 蔣正清

摘要：數(shù)字化革命，帶來了渠道最深的變革。近年來，數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實等信息技術(shù)正逐漸滲透到人們的日常學習生活環(huán)境當中。在文化傳播方面，隨著場所形式，展覽方式，展出內(nèi)容的轉(zhuǎn)型升級，也推動著博物館等場館的數(shù)字化數(shù)據(jù)形態(tài)的構(gòu)建。為此，通過研究二者結(jié)合下的虛擬校史館的基本形態(tài)與應(yīng)用場景，對物質(zhì)文化遺產(chǎn)的數(shù)字化方法和技術(shù)進行探索?；跀?shù)字孿生的概念，使用三維數(shù)據(jù)掃描、3ds Max建模及Unity交互設(shè)計等技術(shù)與方法，以校史館VR導覽設(shè)計為例，采用三維激光掃描得到展品模型結(jié)合3ds Max軟件對場館建筑進行構(gòu)建，最終在Unity中導入模型對其進行交互環(huán)節(jié)設(shè)計。得到校史館VR導覽軟件。該方法可以為如何促進校史文化的推廣及展示方式的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字媒體數(shù)字孿生虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)采集三維建模

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：B

文章編號：1003-0069（ 2021） 08-0054-03

Abstract： The digital revolution has brought about the most profound changesln channels. In recent years， digital twin and virtual reality technology is graduallyinfiltrating into people's daily life. ln terms of cultural communication， with thetransformation and upgrading of venue form， exhibition mode and exhibitioncontent， it also promotes the construction of digital world form of museums and othervenues. Therefore， by studying the basic form and application scene of the virtualschool history museum under the combination of the two， explores the methods andtechnologies of digitization of material and cultural heritage. Based on the concept ofdigital twin， using 3D data scanning， 3ds Max modeling and unity interactive designtechnology and methods， taking the VR guide design of school history museum asan example， using 3D laser scanning to get the exhibits model， combining with the3DS MAX soffware to construct the venue building， and finally importing the model into unity to design the interactive link.it using 3D data scanning， 3ds Max modelingand unity to obtain a VR navigation software of School Hisfory Museum. This methodcould be a reference for the promotion and display of school history culture

Keywords： Digital media Digital twin Virtual reality Data collection 3D modeling

引言

基于對數(shù)字孿生概念的文獻進行梳理研究發(fā)現(xiàn)，對于數(shù)字孿生技術(shù)在物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化已有了初步的探索與應(yīng)用，構(gòu)建了相關(guān)的數(shù)字孿生五維模型分析以及與數(shù)字孿生息息相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，如今市面上很多博物館都已使用數(shù)字孿生技術(shù)對自身的展覽方式進行了進一步的優(yōu)化調(diào)整。因此我們希望結(jié)合以上概念來挖掘校園文化數(shù)字化的價值，并基于KANO模型來了解此類在線導覽的基本型需求、期望型需求以及興奮型需求，研究如何實現(xiàn)在學校歷史文化數(shù)字化的過程中有效地保留其原始數(shù)據(jù)并體現(xiàn)其藝術(shù)魅力與文化內(nèi)涵。

一、文獻綜述

（一）數(shù)字孿生的概念：美國密歇根大學的Grieves教授，他于2003年探討產(chǎn)品全生命周期管理時提出“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”概念，并給出了具體定義：以虛擬的形式表達或描述真實存在的一個或多個特定設(shè)施的數(shù)字形式的仿制品，并以此進行現(xiàn)實狀態(tài)下環(huán)境、條件和狀態(tài)的模擬仿真測試，這一思想成為了數(shù)字孿生概念的起源[1]。數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段來增加或擴展物理實體新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務(wù)[2]。因此，數(shù)字孿生的理論與技術(shù)對于數(shù)字人文的發(fā)展提供了新的理論、方法與工具。

（二）虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述：在科技不斷創(chuàng)新發(fā)展的現(xiàn)代，科技的進步也帶動了3D建模這一研究領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展，時至今日也出現(xiàn)了使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將3D模型導入軟件，帶領(lǐng)用戶通過VR設(shè)備對于現(xiàn)實中的場景進行探索，現(xiàn)實虛擬即通過計算機對現(xiàn)實世界進行模擬，創(chuàng)建出一個虛擬的三維空間世界，為觀眾提供視覺方面、聽覺方面以及觸覺方面的感官模擬，讓觀眾仿佛置身于真實世界，能夠及時地、無限制地對三維空間里的各項元素之間進行有效觀察[3]。這項技術(shù)的誕生可以使受眾即使不用親臨現(xiàn)場也可以對場景進行訪問參觀。這為一些面臨需要改造或拆除的建筑進行歷史風貌復(fù)原或結(jié)構(gòu)遭到破壞即將不復(fù)存在的建筑數(shù)據(jù)保留提供了極大地便利。正是數(shù)字技術(shù)的突破為媒介的發(fā)展提供了強大的支撐，并在一定經(jīng)濟基礎(chǔ)上得到了長足發(fā)展。在此背景下，視覺傳達設(shè)計的數(shù)字化發(fā)展趨勢更加明顯，這將深刻地影響人們的生活方式與審美觀念[4]。基于以上觀點，將徐匯校史館進行VR導覽制作不僅有利于提升受眾的參觀體驗，這種虛擬現(xiàn)實的參觀體驗也將脫離線下校史館以平面展板、靜態(tài)展物為主的形式，具有突出的視覺張力及表現(xiàn)力，能夠使受眾獲得獨特的參觀感受。還能帶動學習學校歷史文化的宣傳與推廣，以一種比較新穎的形式使得大眾對于校史的關(guān)注度與興趣度能夠得到有效提升，在數(shù)字化的大環(huán)境下，VR導覽的制作有利于將文獻資料數(shù)字化保存，并且有利于內(nèi)容的檢索與收錄，此形式也將是數(shù)據(jù)保存及展示的一大趨勢。

二、制作實現(xiàn)步驟

結(jié)合以上兩個概念，我們構(gòu)思了與校史文化相關(guān)的展示方式，希望通過建立虛擬模型來模擬對于校史館的參觀，在此基礎(chǔ)上通過對于模擬線下的參觀方式來更加便利地探究如何改進傳統(tǒng)的展覽方式來提升用戶的參觀感受，提高用戶參與度與知曉度。最終確定以校史館VR導覽軟件為基礎(chǔ)展開調(diào)研及設(shè)計，我們的設(shè)計步驟如圖l所示作為整體的制作思路及技術(shù)路線，通過了前期的資料收集以及聯(lián)系了華理徐匯校區(qū)校史館館方，收集到了一手的資料后對之后需要使用的軟件及設(shè)備進行規(guī)劃。中期使用三維掃描設(shè)備對場館中需要精細建模的部分進行展品的掃描，并在建模軟件中進行模型整合，最終在Unity中實現(xiàn)交互的設(shè)計，后期在軟件制作完成后進行第二次調(diào)研以便于證實該軟件是否提升了用戶使用感受，經(jīng)過修改與完善最終完成設(shè)計。從中發(fā)掘出傳統(tǒng)校史館展覽方式中存在的一些不足并提出相應(yīng)的解決方案。

（一）問卷調(diào)查分析與同類產(chǎn)品分析：在500份面向校內(nèi)外學生與教師的問卷調(diào)查的系統(tǒng)分析下，根據(jù)不同問題進行了數(shù)據(jù)分析，按照學生與教師身份的分類對問題進行歸納，我們發(fā)現(xiàn)大部分學生在校期間很少會去主動參觀我校的校史館，甚至不知道校史館的存在，而參觀過的同學對于其中的展示形式以及內(nèi)容存在一些建議，希望展覽能夠更加有趣生動，更希望加入一些交互內(nèi)容。而大部分的教師則是由于時間或路途不便，更加希望提供一個線上平臺，使他們可以更加自由地了解校史館。這些問題使我們發(fā)現(xiàn)，華理在校的大部分同學他們還是很想去了解校史只是缺乏途徑，線下的展示形式對于有意愿進行參觀的人群在時間與地點上又有著限定。這也為我們的項目設(shè)計提供了鮮明的思路。根據(jù)問卷統(tǒng)計，總結(jié)出了三個線下校史館所需要解決的問題：1.在線下進行參觀的時候如果沒有人進行引導對于展出的內(nèi)容順序存在困惑。2.展示形式比較單一，只能通過觀看展板了解校史信息。3.展示的信息大多為歷史事件的大致介紹及人物事跡，缺少吸引觀眾的敘事內(nèi)容。從以上三個問題出發(fā)，歸納出了在徐匯校區(qū)VR導覽中需要涵蓋的三個要素：1.要有關(guān)于校史館的導覽系統(tǒng)，帶領(lǐng)觀眾對于校史館進行參觀。2.要有線上交互內(nèi)容，能夠像線下的參觀一樣，也可與展出內(nèi)容進行互動，發(fā)揮數(shù)字化的優(yōu)勢拓展展出形式。3.挖掘校史背后的故事，增加參觀者對于學校歷史的興趣，更愿意去了解學校的發(fā)展歷程。結(jié)合以上三點要素與數(shù)字孿生技術(shù)，基于校史館的規(guī)劃設(shè)計階段構(gòu)建一個虛擬仿真的模型，構(gòu)建成功后就可實現(xiàn)它與物理實體之間的數(shù)據(jù)、信息交互，從而不斷完善虛擬校史館中的數(shù)據(jù)模，對于校史館的虛擬導覽體驗進行提升與改進。

在同類型的軟件設(shè)計中，近幾年線上博物館的發(fā)展十分迅猛，其中的諸多案例，可以為校史館導覽系統(tǒng)提供參考與比較。首先關(guān)于敦煌藝術(shù)的線上展覽“數(shù)字敦煌”，在進行了體驗后發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)站上不僅可以對于壁畫高清圖進行參觀，也可以戴上VR眼鏡感受身臨其境的立體體驗。從數(shù)字化管理、建設(shè)網(wǎng)站，到高精度、VR、3D沉浸式體驗，與時俱進的“數(shù)字敦煌”展現(xiàn)出了將傳統(tǒng)文化數(shù)字化的可行性與重要性，為我們的校史館VR導覽提供了展示形式方向的參考。但不同于數(shù)字敦煌的以看為主，校史館VR導覽希望能夠加入更多的互動內(nèi)容以實現(xiàn)物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)之間的互聯(lián)互通，讓線下與線上相輔相成，形成良好的互動體驗。

其次國家文物局局長劉玉珠曾在2019年3月3日的全國兩會“部長通道”上強調(diào)：“博物館是公共文化教育和服務(wù)的機構(gòu)，其功能有別于一些展覽或場館，不是提供游樂玩耍的場所，而是需要引導大眾感受高尚的社會風氣以及對于大眾的精神文明建設(shè)需要起到引導作用，博物館的基本屬性決定了它需要做到‘高雅不深奧，親和不媚俗?！眲⒂裰榫珠L的觀點為我們的導覽系統(tǒng)的基調(diào)設(shè)計具有啟示作用，不能為了吸引更多受眾而隨意添加一些無關(guān)緊要的內(nèi)容。線上校史館需要在進行使用感受提升的同時保持校史應(yīng)有的莊嚴感，不能喪失其作為校史館應(yīng)有的教育與傳播學校文化的功能。

（二）校史館數(shù)據(jù)收集：使用計算機構(gòu)建華理徐匯校區(qū)校史館，要使參觀者能夠在虛擬場景中接收到的信息與線下可以接收到的信息保持一致，模型是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵，建立一個逼真的環(huán)境模型是建立虛擬導覽系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過采集真實環(huán)境中的場館數(shù)據(jù)，再使用三維制作軟件搭建一個數(shù)字模擬環(huán)境，前期需要對于實際環(huán)境進行精確的拍攝以及數(shù)據(jù)采集。

1.實物三維掃描：為了實現(xiàn)精確的收集數(shù)據(jù)，造訪了位于徐匯校區(qū)的老校史館，并使用了3DSS三維光學掃描設(shè)備，目前三維掃描設(shè)備可分為接觸式與非接觸式兩種，由于需要進行掃描的物品具有極高價值歷史文物價值且容易出現(xiàn)損壞，考慮到這些展品特性，最終選擇了非接觸式測量設(shè)備，相較于接觸式測量設(shè)備，其擁有掃描速度快、效率高且不會破壞實物表面的特點。該儀器可將展館中的人像、展品進行掃描并形成初步的模型。再結(jié)合實地高清相機的拍攝，實體拍攝的照片為之后掃描出的立體形象的修正提供了參考。

2.數(shù)據(jù)導入及處理：將掃描設(shè)備中的點云數(shù)據(jù)導入計算機中進行處理，受到實物原型質(zhì)量及掃描測量環(huán)境的影響，在進行計算機三維模型重構(gòu)前需對掃描數(shù)據(jù)采用濾波算法進行去噪、平滑及對齊處理[3]。該過程雖然主要由計算機自動處理完成，但是較為重要，這一步處理有效地減少了掃描出的模型中存在的一些掃描錯誤等問題，使得噪點減少，模型表面變得平整。如圖2所示，利用設(shè)備對于校史館進行現(xiàn)場的展品進行3D掃描，并生成模型。

3.場館整體組合：根據(jù)場館形態(tài)比較方正的特點，使用紅外測距儀進行人工測量記錄場館數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準確性，展板的內(nèi)容則使用拍攝及向官方收集展覽內(nèi)容結(jié)合的手法，有利于之后在Unity中進行交互內(nèi)容的制作時將文字數(shù)據(jù)及圖片數(shù)據(jù)導入。選用了紅外測距的方法可以提升對于場館的結(jié)構(gòu)測量的精確度，如圖3通過3ds Max對于場館的外部框架進行搭建，在構(gòu)建好的整體框架的基礎(chǔ)上按照之前記錄的展品位置，將建立好的模型根據(jù)位置編號置入場館內(nèi)部，形成完整的校史館模型。

（三）虛擬現(xiàn)實導覽制作：經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實展示設(shè)計通過人們藝術(shù)性的思維創(chuàng)作使得表現(xiàn)形式豐富多彩，文化傳播中具有明顯的優(yōu)勢。文化傳播依托于新技術(shù)的出現(xiàn)，使得中華傳統(tǒng)文化的繼承與發(fā)展更為深刻有效[5]。所以通過不同的交互式體驗可以提升校園文化展示的藝術(shù)與視覺效果，所以在制作中使用了Unity作為實現(xiàn)VR導覽的平臺。該軟件不僅可以對三維圖形圖像進行全景的觀察展示，還能讓人們可以看到感受一種立體式虛擬空間的感受，感受360。環(huán)境帶來的身臨其境般的體驗。與此同時，能夠?qū)ζ渲械娜S展品與模擬場景有良好的展示，帶給觀者較好的體驗。同時它有著易于使用且有優(yōu)秀的互動功能，還可以根據(jù)參與者的反饋與要求進行導覽軟件進一步的調(diào)整，滿足不同使用者的多方面需求?？紤]到用Unity制作后導出的程序?qū)υO(shè)備的要求不高，幾乎任何設(shè)備都可以進行兼容。這使得對于校史的傳播提供了一個更加便利的載體，不僅能在VR設(shè)備上進行展現(xiàn)，更好的兼容性也有利于之后搭載于各種不同的平臺之上。

如圖4、5所示將掃描數(shù)據(jù)導入后形成了初步的模型，并在Unity中為模型加入燈光，使得觀看者可以在各個角度清晰的看到展示的內(nèi)容，將收集的文字資料整理并添加在場景中，使得導覽系統(tǒng)更加的完善?；谡{(diào)查顯示交互環(huán)節(jié)的加入能夠滿足關(guān)于期望型需求所制定的目標，所以使用Unity中的交互功能，通過編程的方式，完成使用者可以在虛擬現(xiàn)實觀看校史館的過程中能夠與其中的展品及展板上的內(nèi)容進行互動的功能，在制作完成后尋找了很多在校學生作為實驗對象進行實際的體驗，根據(jù)用戶的反饋，總結(jié)了兩個改進點1.對于導覽系統(tǒng)中內(nèi)容的顯示，由于設(shè)計時使用的觀看界面轉(zhuǎn)移到VR設(shè)備后畫面的展示會存在觀感上的偏差，對于這一問題需要進行進一步的改動。2.互動UI不夠完整，會導致用戶在觀看過程中對于行進路線及參觀順序產(chǎn)生疑惑。對于這兩點問題，需要進行更進一步的優(yōu)化與改善，根據(jù)在VR中顯示的畫面，修改了部分互動及展板界面的比例使得使用者可以更舒適的對于文字內(nèi)容進行閱讀，對于路線增加了箭頭導覽，使得參觀順序更加明確，起到更加直觀的引導作用。根據(jù)KANO模型，要在期望型需求上做出較大的優(yōu)化有利于提高用戶對于校史館線上導覽的滿意程度，增強用戶的使用感受。

為了對校史內(nèi)容進行深度的挖掘以滿足KANO模型中的興奮型需求，使得用戶黏性能夠得到提升，我們聯(lián)系了校史館的負責人，并通過負責人的講解，以及對于其中具體的人物故事的深入了解。收集到了很多本身校史館中并未展出的內(nèi)容，將故事內(nèi)容進行整合后，利用數(shù)字媒介的拓展性高，可操作性強等特點，以時間的發(fā)展順序分別將資料添加在了場館中的不同展示區(qū)域，對于校史館的內(nèi)容進行了擴充，除了文字資料外，添加了以校史文化為背景的視頻展示模塊，如圖6、7在Unity中對于導覽軟件進行調(diào)整。

（四）對于用戶體驗進行比較調(diào)研：結(jié)合KANO模型中提供的五個需求維度，我們制作了一份關(guān)于徐匯校區(qū)校史館VR導覽系統(tǒng)與原來的線下校史館的形式進行了對比的滿意程度問卷，滿意度分為“非常不滿意、不滿意、一般、滿意、非常滿意”五個程度，得分記為0-5分，共5題，滿分為25分。發(fā)放了200份大范圍問卷，其中有效問卷數(shù)量為178份。如圖8，經(jīng)計算問卷顯示線上VR導覽形式滿足了導覽這一基本型需求，并在期望型需求方面高于傳統(tǒng)展覽形式約30.2%的滿意度得分，在興奮型需求上的得分也高于傳統(tǒng)展覽形式。以此可以看出對于線下校史館的數(shù)字化制作有利于校史文化的推廣，并能夠使用戶得到更好的參觀體驗。徐匯校史館VR導覽系統(tǒng)的構(gòu)建根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出對于一開始所提出的三個問題進行了改善提升，能夠做到輔助線下校史館的推廣與宣傳，使希望了解校史館的用戶群體在線上也能對于校史館進行參觀及瀏覽，該導覽軟件為校史館提供了一個線上展示與宣傳的平臺。

結(jié)論

本文基于數(shù)字孿生概念并結(jié)合線下的問卷調(diào)研，對于華理徐匯校區(qū)校史館進行了虛X實4的建立，將校史資料收集整理為孿生數(shù)據(jù)的建立提供支持，通過Unity制怍VR導覽系統(tǒng)實現(xiàn)了物理實體與虛擬實體之間的信息連接，能夠提供交互服務(wù)。解決了觀眾在線下觀看時遇到的一些問題，并且在KANO模型的幫助下，校史館VR導覽系統(tǒng)的用戶體驗也得到了很大的提升，提高了用戶的滿意度。最終制作出了以一種一目了然、功能新穎的展現(xiàn)效果服務(wù)于用戶。在之后的發(fā)展中數(shù)字模型可與線下的數(shù)據(jù)同步進行拓展和完善，使得二者在現(xiàn)實與虛擬世界中達到信息的同步性、一致性。設(shè)備的技術(shù)升級對于展出形式也帶來了新的形式，為傳統(tǒng)文化內(nèi)容的數(shù)字化保護提供了更多種多樣的方式，使線下的展示內(nèi)容能在虛擬環(huán)境下得到逼真的還原及展示，期望能為之后的校史文化數(shù)字化建設(shè)提供一點參考。

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