基于可視化交互技術的數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)設計

余冰清

摘 ?要： 為解決歷史博物館的空間與時間局限性，采用可視化交互技術設計數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)。通過數(shù)字化博物館設計模塊獲取可使用的物品信息列表，生成VM文件;利用數(shù)字化博物館瀏覽模塊分析VM文件，將二維平面圖拉伸變化為三維空間圖，提供給瀏覽者瀏覽使用。系統(tǒng)軟件設計數(shù)字化博物館技術構建流程，采用線性化算法運算點擊次數(shù)，根據(jù)點擊次數(shù)反映權重實現(xiàn)字體可視化，構建標簽云組件，提供交互服務，便于瀏覽者高效了解博物館信息。驗證結果顯示該系統(tǒng)虛擬展示效果佳、應用性強。

關鍵詞： 可視化交互技術; 數(shù)字化博物館; 動態(tài)全景虛擬展示; 線性化算法; 交互服務; 系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN911?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0140?04

Abstract： A dynamic panoramic virtual display system of the digital museum is designed by using the visual interaction technology， so as to solve the time and space limitation problem of the history museum. The digital museum design module is used to obtain the usable item information list and generate the VM file. The digital museum browsing module is used to analyze the VM file. The two?dimensional planar map is stretched into the three?dimensional space map for browsers to browse and use. For the system software， the construction process of the digital museum technology is designed. The linearized algorithm is used to calculate the click times. The weight is reflected according to the click times to achieve font visualization， build tag cloud components， and provide interactive services， so that the browsers can understand museum information efficiently. The verification results show that the system has a good virtual display effect and strong applicability.

Keywords： visual interactive technology; digital museum; dynamic panoramic virtual display; linearized algorithm; interactive service; system design

0 ?引 ?言

人們在瀏覽博物館內(nèi)各種文物時，受條件與時間所限，無法近距離、長時間地觀察古文物。為解決歷史博物館的空間與時間局限性[1]，數(shù)字化博物館應運而生。數(shù)字化博物館的定義范圍分為狹義與廣義兩種，通過數(shù)字技術再現(xiàn)博物館展品是狹義上的數(shù)字化博物館，而涵蓋現(xiàn)實世界內(nèi)只存在于網(wǎng)絡內(nèi)無實體的虛擬展示，即廣義上的數(shù)字化博物館。作為科技應用結合藝術展示的綜合性成果，數(shù)字化博物館具有一項最主要的特征——交互性[2]，數(shù)字化博物館的交互性決定著參觀過程中，瀏覽者能否進行高質量可視化虛擬交互體驗。

科技的快速發(fā)展使多媒體技術與VR技術愈發(fā)成熟，當前，交互技術已經(jīng)由靜態(tài)二維界面的交互發(fā)展為多維信息空間中的交互[3]，實現(xiàn)這一跨越式發(fā)展的基礎為面向虛擬環(huán)境中使用者多層次、動態(tài)性的行為實施研究與設計。

因此，設計基于可視化交互技術的數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)，方便瀏覽者更加高效地獲取和了解博物館信息。

1 ?數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)

1.1 ?整體結構設計

數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)由瀏覽者同物品數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)字化博物館設計模塊和數(shù)字化博物館瀏覽模塊共同組成，見圖1。

圖1 ?數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)結構框架

圖1中：瀏覽者同物品數(shù)據(jù)庫管理模塊的主要功能是修正、添加和刪減MySQL數(shù)據(jù)庫、FTP服務器內(nèi)的物品信息;數(shù)字化博物館設計模塊主要功能是查閱供瀏覽的物品信息，將信息從MySQL數(shù)據(jù)庫和FTP服務器內(nèi)下載至本地，瀏覽者依照自身需求，在設置數(shù)字化博物館二維平面圖成功后置入物品，構建VM模型文件[4];數(shù)字化博物館瀏覽模塊分析所構建的VM模型文件，同時展示所構建的數(shù)字化博物館動態(tài)全景。

1.2 ?數(shù)字化博物館設計模塊

數(shù)字化博物館設計模塊確保瀏覽者在成功登錄系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)依照瀏覽者級別得到能夠使用的物品信息列表[5]。在畫板內(nèi)生成數(shù)字化博物館的二維平面圖，在本地平面內(nèi)選取圖片作為數(shù)字化博物館不同區(qū)域的紋理。將物品信息列表中所列物品置于數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)二維平面圖中，同時生成VM文件，具體過程如圖2所示。

圖2 ?數(shù)字化博物館設計模塊

VM文件內(nèi)保存的信息包括：數(shù)字化博物館二維平面圖內(nèi)頂點的數(shù)量以及不同頂點位置信息;數(shù)字化博物館內(nèi)物品數(shù)量、物品ID和物品位置信息;本模塊內(nèi)設定的瀏覽者初始位置信息。

1.3 ?數(shù)字化博物館瀏覽模塊

數(shù)字化博物館瀏覽模塊的主要功能是分析數(shù)字化博物館設計模塊中的VM文件，將數(shù)字化博物館設計模塊中的二維平面圖拉伸變化為三維空間圖[6]，并提供給瀏覽者瀏覽使用，具體過程如圖3所示。

圖3 ?數(shù)字化博物館瀏覽模塊設計

瀏覽者通過數(shù)字化博物館設計模塊獲取包含數(shù)字化博物館信息的VM文件，通過數(shù)字化博物館瀏覽模塊打開VM文件，獲取其中包含的數(shù)字化博物館信息。在數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)內(nèi)，瀏覽者利用鍵盤能夠實現(xiàn)交互瀏覽漫游。

1.4 ?軟件設計

1.4.1 ?數(shù)字化博物館技術構建流程設計

瀏覽者需求是數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)的根本[7]。為了滿足瀏覽者的需求，在數(shù)字化博物館技術構建流程中，采用展示設計、人際交互理論以及可視化技術等，構建流程如圖4所示。

圖4 ?數(shù)字化博物館技術構建流程

主題確定與需求分析階段中主要是全方位分析數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)的主題。研究該主題的必要性與可行性，基于該主題全面規(guī)劃系統(tǒng)結構，同時明確數(shù)字化博物館最終的功能與目標。總體架構設計階段基于上一階段分析結果規(guī)劃設計系統(tǒng)整體架構，確定數(shù)字化博物館內(nèi)場景、展示方法和功能目標的整體框架;明確同實際一致的交互行為，設計數(shù)字化博物館的交互功能，明確不同交互功能的實現(xiàn)過程。三維模型構建階段通過三維建模軟件構建規(guī)劃完成的博物館場景與所需模型，設定燈光與材質等表現(xiàn)效果，獲取真實的瀏覽體驗。實現(xiàn)可視化交互功能階段在可視化交互軟件內(nèi)導入構建完的博物館場景與模型，對其實施優(yōu)化處理，實現(xiàn)優(yōu)質的可視化交互功能。實現(xiàn)可視化交互后，以網(wǎng)頁格式或執(zhí)行文件格式輸出博物館可視化交互結果，并發(fā)布到相應網(wǎng)站中。

1.4.2 ?標簽云組件設計

具有權重的標簽集合即標簽云[8]，依據(jù)差異字體和其他可視化形式反映標簽權重差異，瀏覽者采用標簽連接得到相關信息。在展示系統(tǒng)中使用標簽云組件，組件內(nèi)的標簽由瀏覽者與專家構建，信息的主題與類別等通過信息的標簽呈現(xiàn)，瀏覽者采用標簽獲取與主題關聯(lián)的信息。標簽云組件中設置字體大小的依據(jù)是標簽權重，標簽訪問次數(shù)描述標簽權重大小，通過字體大小差異反應瀏覽度較高的相關信息。

標簽云組件中實現(xiàn)標簽名稱、構建時間與標簽連接等信息存儲功能的是TagBean.java類，通過Java包含的數(shù)據(jù)類型HashMap保存標簽主題與其相應的TagBean對象。如何將點擊標簽次數(shù)科學映射至標簽字體差異上是實現(xiàn)標簽云組件的核心[9]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中全部標簽點擊次數(shù)后得到點擊次數(shù)的分布具有不均勻性，與正態(tài)分布相似。系統(tǒng)為使用戶點擊次數(shù)均勻分布于字體差異區(qū)間中，采用線性化算法運算點擊次數(shù)[10]，具體過程為：

式中：[E]，[W]和[FontSizei]分別為標簽點擊次數(shù)平均差、線性斜率以及標簽[i]字體差異值;[hitNumi]，[m]和[meanNum]分別為標簽[i]的點擊次數(shù)、數(shù)據(jù)庫內(nèi)標簽總量和全部標簽點擊平均值;[maxSize]，[minSize]和[midSize]分別為標簽字體差異區(qū)間的最大值、標簽字體差異區(qū)間的最小值以及字體差異的中間值。

計算過程的第一步是確定全部標簽點擊次數(shù)的[E];通過匯總獲取全部標簽點擊次數(shù)的偏離誤差范圍為[-2E]～[2E]，通過式（2）確定[W];在此基礎上利用[meanNum]與[midSize]等值確定標簽[i]的字體差異值。

2 ?實驗分析

2.1 ?虛擬展示效果

以我國某省博物館為實驗對象，采用本文設計的基于可視化交互技術的數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)實現(xiàn)實驗對象的全景虛擬展示，分析本文系統(tǒng)虛擬展示效果，結果見圖5。圖5中數(shù)字化博物館虛擬展示結果表明，本文系統(tǒng)能夠有效展示數(shù)字化博物館展廳與數(shù)字化博物館外觀。

2.2 ?實用性

實驗通過問卷調查方式，對100名數(shù)字化博物館參觀者進行調查，分析問卷調查結果見圖6和圖7，以驗證本文系統(tǒng)的實用性。分析圖6與圖7可得，本文數(shù)字化博物館虛擬展示系統(tǒng)與實體瀏覽博物館相比具有物品信息全面、技術創(chuàng)新、自主操作、節(jié)省時間和動畫展示等優(yōu)勢。基于這些優(yōu)勢，學生與科教文衛(wèi)相關人員更多傾向于采用數(shù)字化博物館展示系統(tǒng)瀏覽、了解博物館相關信息，而機關企業(yè)由于條件所限，對數(shù)字化博物館與實體博物館的傾向差距較小。以上結論說明本文設計數(shù)字化博物館虛擬展示系統(tǒng)具有較高的實用性。

圖5 ? 數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示結果

圖6 ?本文數(shù)字化博物館虛擬展示系統(tǒng)參觀興趣點

圖7 ?博物館人員流動變化

3 ?結 ?論

本文構建基于可視化交互技術的數(shù)字化博物館動態(tài)全景虛擬展示系統(tǒng)，通過瀏覽者同物品數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)字化博物館設計模塊和數(shù)字化博物館瀏覽模塊實現(xiàn)數(shù)字化博物館全景展示。采用線性化算法運算點擊次數(shù)，根據(jù)點擊次數(shù)反映權重構建標簽云組件，提供交互服務。結果表明，本文系統(tǒng)不僅能夠有效展示博物館全景，相比于實體博物館具有物品信息全面、技術創(chuàng)新、自主操作、節(jié)省時間和動畫展示等優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)全方位、高效率、高精度的虛擬展示。

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