基于國(guó)產(chǎn)化軟件的博物館數(shù)字化展示空間的設(shè)計(jì)

張 鵬,董宇軒

(煙臺(tái)科技學(xué)院 a.數(shù)據(jù)智能學(xué)院;b.藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 265600)

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展,博物館也在向數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[1]的方向前進(jìn)。在博物館信息化發(fā)展過(guò)程中,國(guó)外技術(shù)相對(duì)成熟,但在信息安全保障方面存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。本研究采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)搭建博物館數(shù)字化展示空間平臺(tái),利用國(guó)產(chǎn)硬件與軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)替代,保障信息安全,并對(duì)搭建的數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì),提升平臺(tái)性能及使用效果。

1 平臺(tái)分析與設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

國(guó)產(chǎn)化博物館展示空間系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示,分為基礎(chǔ)設(shè)施層和應(yīng)用層兩部分,核心部分采用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)?；A(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)構(gòu)建平臺(tái)的物理部件和系統(tǒng)軟件,是整個(gè)平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)和核心,包括中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)。CPU是整個(gè)數(shù)字化展示平臺(tái)的核心,所有數(shù)據(jù)處理和程序運(yùn)行都要通過(guò)CPU進(jìn)行處理輸出,是整個(gè)平臺(tái)的核心大腦。本平臺(tái)采用龍芯處理器[2],利用純自主指令集LoongArch代替了x86架構(gòu)的CPU芯片。物理部件上的操作系統(tǒng)是溝通平臺(tái)硬件與軟件的重要系統(tǒng)軟件,采用麒麟操作系統(tǒng)[3]搭配龍芯處理器的LoongArch指令集,完成對(duì)應(yīng)用軟件的調(diào)用和執(zhí)行。

圖1 國(guó)產(chǎn)化博物館數(shù)字化展示空間平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.1 Overall framework of the digital exhibition space platform of the localized museum

數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)軟件中非常重要的組成,應(yīng)用軟件運(yùn)行時(shí)需要頻繁的與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,滿(mǎn)足應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)處理。采用達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DM)[4],從根本上保證了系統(tǒng)的安全性,其功能、性能、可靠性均達(dá)到了主流數(shù)據(jù)庫(kù)管理水準(zhǔn),能夠滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)信息化建設(shè)需求。

應(yīng)用層部分主要提供博物館展示空間的功能服務(wù),采用JavaEE框架技術(shù)和Vue前端框架技術(shù)打造高性能數(shù)字化功能服務(wù)平臺(tái),包括展品數(shù)字化展示、展館3D智能導(dǎo)覽、陳列設(shè)計(jì)等核心功能,同時(shí)具有文物研究、考古挖掘、典藏管理等個(gè)性化功能及面向用戶(hù)的宣傳推廣、觀眾服務(wù)及社交服務(wù),通過(guò)該平臺(tái)可在線了解博物館展品、展館的全部信息并進(jìn)行線上交互,改變了傳統(tǒng)博物館單一的游覽體驗(yàn)。

1.2 展館3D智能導(dǎo)覽功能

為了讓游客有更好的瀏覽體驗(yàn),基于國(guó)產(chǎn)化數(shù)字化博物館展示空間系統(tǒng),對(duì)入館到按順序參觀主題館、再到每一個(gè)主題館中展品觀賞的正確瀏覽路線及途中展品進(jìn)行數(shù)字化建模,將其導(dǎo)入博物館信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ),游客只需通過(guò)手機(jī)APP便可按照路線對(duì)沿途經(jīng)過(guò)的展品進(jìn)行線上觀看,避免錯(cuò)過(guò)重要場(chǎng)館及展品,還可為行動(dòng)不便或勞累的游客提供完整的游覽體驗(yàn)。

展館3D智能導(dǎo)覽功能架構(gòu)如圖2所示,通過(guò)移動(dòng)開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行Android端用戶(hù)平臺(tái)構(gòu)建,用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)APP登錄數(shù)字化博物館系統(tǒng)。使用Unity 3D平臺(tái)引擎與3DS MAX軟件進(jìn)行3D博物館導(dǎo)覽空間建模。博物館3D導(dǎo)覽空間分為交互式漫游模塊和數(shù)據(jù)持久化模塊。數(shù)據(jù)持久化模塊主要提供展館及展品的3D素材,包括展品模型庫(kù)、場(chǎng)景模型庫(kù)、建筑模型庫(kù)等,該素材的構(gòu)建主要通過(guò)3DS MAX完成。交互式漫游模塊主要完成不同展館之間的變換等交互要素,包括位置移動(dòng)和輸入控制兩部分。在博物館數(shù)字化平臺(tái)設(shè)置展館3D智能導(dǎo)覽功能可進(jìn)一步豐富數(shù)字化平臺(tái)的功能性,增強(qiáng)游客對(duì)博物館展品的體驗(yàn)感及沉浸性。

圖2 展館3D智能導(dǎo)覽功能架構(gòu)Fig.2 Architecture of exhibition hall 3D intelligent tour function

1.3 博物館數(shù)字化平臺(tái)應(yīng)用層架構(gòu)

采用B/S架構(gòu)模式。B(Browser)即瀏覽器端也稱(chēng)作前端,是主要面向用戶(hù)操作的界面。S(Server)即服務(wù)器端也稱(chēng)作后端,主要負(fù)責(zé)游客信息管理、館藏物品管理、導(dǎo)覽地圖管理等,偏重于數(shù)據(jù)處理及邏輯處理。后端使用MVC設(shè)計(jì)思想,將后端搭建分成3部分,控制層(C)主要處理游客的請(qǐng)求響應(yīng)過(guò)程,模型層(M)主要處理游客或博物館數(shù)字化資源的數(shù)據(jù)交互及管理,視圖層(V)主要承載返回游客的結(jié)果數(shù)據(jù)。

具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)采用JavaEE框架技術(shù)的SpringBoot和Mybatis兩個(gè)框架。應(yīng)用層架構(gòu)流程如圖3所示。用戶(hù)通過(guò)瀏覽器端發(fā)送處理請(qǐng)求,由SpringBoot框架分析用戶(hù)請(qǐng)求,調(diào)度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊提供用戶(hù)所需數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模塊由Mybatis框架與達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)完成交互訪問(wèn),獲取用戶(hù)所需數(shù)據(jù),并將結(jié)果通過(guò)Vue技術(shù)與Html技術(shù)形成界面,返回給用戶(hù)顯示,完成整個(gè)數(shù)字化平臺(tái)的工作流程。

圖3 博物館數(shù)字化平臺(tái)應(yīng)用層架構(gòu)Fig.3 Application layer architecture of museum digital platform

1.4 博物館數(shù)字化平臺(tái)高性能設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足數(shù)字化平臺(tái)性能要求,在用戶(hù)與數(shù)字化平臺(tái)之間增加一個(gè)消息隊(duì)列服務(wù)器,當(dāng)某一時(shí)段訪問(wèn)平臺(tái)的游客數(shù)量突然增多時(shí),數(shù)字化平臺(tái)服務(wù)器可能無(wú)法同一時(shí)間處理驟增的游客信息,為了及時(shí)響應(yīng)用戶(hù),使用消息隊(duì)列服務(wù)器作為中間件,將游客發(fā)送的請(qǐng)求進(jìn)行暫時(shí)保存,同時(shí)響應(yīng)用戶(hù),避免用戶(hù)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間等待。在服務(wù)器閑時(shí),系統(tǒng)將游客信息發(fā)送給服務(wù)器處理,從而增強(qiáng)數(shù)字化平臺(tái)服務(wù)器的可伸縮性及整體性能。

如圖4所示,當(dāng)游客通過(guò)客戶(hù)端訪問(wèn)數(shù)字化博物館平臺(tái)服務(wù)器時(shí),如果此時(shí)游客訪問(wèn)量很大,大用戶(hù)量的服務(wù)器訪問(wèn)會(huì)令服務(wù)器的運(yùn)行壓力驟增,導(dǎo)致用戶(hù)得到服務(wù)器響應(yīng)的時(shí)間變長(zhǎng)。數(shù)字化平臺(tái)會(huì)將增加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等操作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到消息隊(duì)列服務(wù)器中,立刻給用戶(hù)響應(yīng)結(jié)果,從而減少用戶(hù)等待時(shí)間。等到閑時(shí),消息隊(duì)列服務(wù)器再與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互,保存或刪除用戶(hù)數(shù)據(jù)。消息隊(duì)列服務(wù)器可在用戶(hù)訪問(wèn)量增大時(shí)有效緩解數(shù)字化平臺(tái)服務(wù)器的壓力,優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn),增強(qiáng)平臺(tái)性能。

圖4 博物館數(shù)字化平臺(tái)消息隊(duì)列設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.4 Architecture of message queue design for museum digital platform

2 實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試數(shù)字化平臺(tái)的性能,從TPS(Transactions Per Second)和RT(Response times over time)兩個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。TPS是性能測(cè)試中常用的指標(biāo)之一,全稱(chēng)是Transactions Per Second,即每秒事務(wù)數(shù),指系統(tǒng)在1 s內(nèi)能夠處理的事務(wù)數(shù)目。事務(wù)是指數(shù)字化平臺(tái)系統(tǒng)中一個(gè)完整的業(yè)務(wù)操作過(guò)程,如在博物館系統(tǒng)注冊(cè)賬戶(hù)的過(guò)程、在平臺(tái)商店購(gòu)買(mǎi)紀(jì)念品的過(guò)程等。通過(guò)計(jì)算TPS指標(biāo)可得到一定時(shí)間內(nèi)完成業(yè)務(wù)操作的數(shù)量,進(jìn)而評(píng)估系統(tǒng)性能。TPS越高代表系統(tǒng)的處理能力越強(qiáng)。

以5 min為測(cè)試時(shí)間段,針對(duì)不同的并發(fā)用戶(hù)數(shù)進(jìn)行測(cè)試,得到每個(gè)測(cè)試段的TPS值。結(jié)果顯示,隨著并發(fā)用戶(hù)數(shù)的增多,5 min內(nèi)處理的TPS數(shù)量在不斷增多,且保持穩(wěn)定增長(zhǎng),表明此系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和效率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)字化博物館平臺(tái)系統(tǒng)的TPS指標(biāo)

響應(yīng)時(shí)間隨時(shí)間變化(Response times over time)是性能測(cè)試中常用的指標(biāo)之一,用于衡量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在測(cè)試過(guò)程中的變化情況。響應(yīng)時(shí)間是衡量用戶(hù)從發(fā)出請(qǐng)求直到收到回復(fù)花費(fèi)的時(shí)間。如游客從填寫(xiě)注冊(cè)界面到收到注冊(cè)成功的系統(tǒng)通知所花費(fèi)的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,從測(cè)試結(jié)果可知,隨著系統(tǒng)并發(fā)用戶(hù)數(shù)的增多,平均響應(yīng)時(shí)間處在一個(gè)良好范圍內(nèi),并發(fā)數(shù)為200時(shí),最大響應(yīng)時(shí)間達(dá)1048.31,但是95%響應(yīng)時(shí)間(95%的數(shù)值都低于該數(shù))為612.73,處在一個(gè)良好的響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用戶(hù)使用該系統(tǒng)時(shí)可獲得良好的體驗(yàn)度和使用感。

表2 數(shù)字化博物館平臺(tái)系統(tǒng)的RT指標(biāo)

3 結(jié)束語(yǔ)

利用國(guó)產(chǎn)化技術(shù)構(gòu)建了高性能數(shù)字化博物館展示空間系統(tǒng),該系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層和應(yīng)用層組成?；A(chǔ)設(shè)施層由物理部件和系統(tǒng)軟件構(gòu)成,由國(guó)產(chǎn)化技術(shù)構(gòu)建完成,保證了數(shù)據(jù)和平臺(tái)的安全可靠。應(yīng)用層主要提供了數(shù)字化博物館服務(wù)功能,由框架技術(shù)完成。在展館3D智能導(dǎo)覽功能中使用Unity 3D和3DS Max進(jìn)行展館3D建模及智能導(dǎo)覽。使用消息隊(duì)列優(yōu)化系統(tǒng)性能,提高數(shù)字化博物館平臺(tái)系統(tǒng)的訪問(wèn)性能及存儲(chǔ)性能,使平臺(tái)可在大用戶(hù)量訪問(wèn)時(shí)保持優(yōu)良的運(yùn)行效果。經(jīng)過(guò)TPS和RT兩個(gè)指標(biāo)的性能測(cè)試表明,本系統(tǒng)具有高性能平臺(tái)服務(wù)能力。