基于數字孿生技術的校史館VR導覽設計研究

馮于天韞 蔡駿 蔣正清

摘要：數字化革命，帶來了渠道最深的變革。近年來，數字孿生與虛擬現實等信息技術正逐漸滲透到人們的日常學習生活環境當中。在文化傳播方面，隨著場所形式，展覽方式，展出內容的轉型升級，也推動著博物館等場館的數字化數據形態的構建。為此，通過研究二者結合下的虛擬校史館的基本形態與應用場景，對物質文化遺產的數字化方法和技術進行探索?；跀底謱\生的概念，使用三維數據掃描、3ds Max建模及Unity交互設計等技術與方法，以校史館VR導覽設計為例，采用三維激光掃描得到展品模型結合3ds Max軟件對場館建筑進行構建，最終在Unity中導入模型對其進行交互環節設計。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化提供參考。

關鍵詞：數字媒體數字孿生虛擬現實數據采集三維建模

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

基于對數字孿生概念的文獻進行梳理研究發現，對于數字孿生技術在物質文化遺產數字化已有了初步的探索與應用，構建了相關的數字孿生五維模型分析以及與數字孿生息息相關的應用領域，如今市面上很多博物館都已使用數字孿生技術對自身的展覽方式進行了進一步的優化調整。因此我們希望結合以上概念來挖掘校園文化數字化的價值，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，研究如何實現在學校歷史文化數字化的過程中有效地保留其原始數據并體現其藝術魅力與文化內涵。

一、文獻綜述

（一）數字孿生的概念：美國密歇根大學的Grieves教授，他于2003年探討產品全生命周期管理時提出“與物理產品等價的虛擬數字化表達”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施的數字形式的仿制品，并以此進行現實狀態下環境、條件和狀態的模擬仿真測試，這一思想成為了數字孿生概念的起源[1]。數字孿生技術通過數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優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、數據、智能并集成多學科的技術，數字孿生面向產品全生命周期過程，發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[2]。因此，數字孿生的理論與技術對于數字人文的發展提供了新的理論、方法與工具。

（二）虛擬現實技術概述：在科技不斷創新發展的現代，科技的進步也帶動了3D建模這一研究領域的應用及發展，時至今日也出現了使用虛擬現實技術將3D模型導入軟件，帶領用戶通過VR設備對于現實中的場景進行探索，現實虛擬即通過計算機對現實世界進行模擬，創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]。這項技術的誕生可以使受眾即使不用親臨現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原或結構遭到破壞即將不復存在的建筑數據保留提供了極大地便利。正是數字技術的突破為媒介的發展提供了強大的支撐，并在一定經濟基礎上得到了長足發展。在此背景下，視覺傳達設計的數字化發展趨勢更加明顯，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，這種虛擬現實的參觀體驗也將脫離線下校史館以平面展板、靜態展物為主的形式，具有突出的視覺張力及表現力，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注度與興趣度能夠得到有效提升，在數字化的大環境下，VR導覽的制作有利于將文獻資料數字化保存，并且有利于內容的檢索與收錄，此形式也將是數據保存及展示的一大趨勢。

二、制作實現步驟

結合以上兩個概念，我們構思了與校史文化相關的展示方式，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導覽軟件為基礎展開調研及設計，我們的設計步驟如圖l所示作為整體的制作思路及技術路線，通過了前期的資料收集以及聯系了華理徐匯校區校史館館方，收集到了一手的資料后對之后需要使用的軟件及設備進行規劃。中期使用三維掃描設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中實現交互的設計，后期在軟件制作完成后進行第二次調研以便于證實該軟件是否提升了用戶使用感受，經過修改與完善最終完成設計。從中發掘出傳統校史館展覽方式中存在的一些不足并提出相應的解決方案。

（一）問卷調查分析與同類產品分析：在500份面向校內外學生與教師的問卷調查的系統分析下，根據不同問題進行了數據分析，按照學生與教師身份的分類對問題進行歸納，我們發現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。這些問題使我們發現，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計提供了鮮明的思路。根據問卷統計，總結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容。從以上三個問題出發，歸納出了在徐匯校區VR導覽中需要涵蓋的三個要素：1.要有關于校史館的導覽系統，帶領觀眾對于校史館進行參觀。2.要有線上交互內容，能夠像線下的參觀一樣，也可與展出內容進行互動，發揮數字化的優勢拓展展出形式。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展歷程。結合以上三點要素與數字孿生技術，基于校史館的規劃設計階段構建一個虛擬仿真的模型，構建成功后就可實現它與物理實體之間的數據、信息交互，從而不斷完善虛擬校史館中的數據模，對于校史館的虛擬導覽體驗進行提升與改進。

在同類型的軟件設計中，近幾年線上博物館的發展十分迅猛，其中的諸多案例，可以為校史館導覽系統提供參考與比較。首先關于敦煌藝術的線上展覽“數字敦煌”，在進行了體驗后發現該網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。從數字化管理、建設網站，到高精度、VR、3D沉浸式體驗，與時俱進的“數字敦煌”展現出了將傳統文化數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容以實現物理實體、虛擬實體、孿生數據和服務之間的互聯互通，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：“博物館是公共文化教育和服務的機構，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的基調設計具有啟示作用，不能為了吸引更多受眾而隨意添加一些無關緊要的內容。線上校史館需要在進行使用感受提升的同時保持校史應有的莊嚴感，不能喪失其作為校史館應有的教育與傳播學校文化的功能。

（二）校史館數據收集：使用計算機構建華理徐匯校區校史館，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，模型是數字孿生技術的關鍵，建立一個逼真的環境模型是建立虛擬導覽系統的基礎，通過采集真實環境中的場館數據，再使用三維制作軟件搭建一個數字模擬環境，前期需要對于實際環境進行精確的拍攝以及數據采集。

1.實物三維掃描：為了實現精確的收集數據，造訪了位于徐匯校區的老校史館，并使用了3DSS三維光學掃描設備，目前三維掃描設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損壞，考慮到這些展品特性，最終選擇了非接觸式測量設備，相較于接觸式測量設備，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.數據導入及處理：將掃描設備中的點云數據導入計算機中進行處理，受到實物原型質量及掃描測量環境的影響，在進行計算機三維模型重構前需對掃描數據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，利用設備對于校史館進行現場的展品進行3D掃描，并生成模型。

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

（三）虛擬現實導覽制作：經研究發現虛擬現實展示設計通過人們藝術性的思維創作使得表現形式豐富多彩，文化傳播中具有明顯的優勢。文化傳播依托于新技術的出現，使得中華傳統文化的繼承與發展更為深刻有效[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與視覺效果，所以在制作中使用了Unity作為實現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。環境帶來的身臨其境般的體驗。與此同時，能夠對其中的三維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秀的互動功能，還可以根據參與者的反饋與要求進行導覽軟件進一步的調整，滿足不同使用者的多方面需求?？紤]到用Unity制作后導出的程序對設備的要求不高，幾乎任何設備都可以進行兼容。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設備上進行展現，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所示將掃描數據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容，將收集的文字資料整理并添加在場景中，使得導覽系統更加的完善?；谡{查顯示交互環節的加入能夠滿足關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實觀看校史館的過程中能夠與其中的展品及展板上的內容進行互動的功能，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，根據用戶的反饋，總結了兩個改進點1.對于導覽系統中內容的顯示，由于設計時使用的觀看界面轉移到VR設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生疑惑。對于這兩點問題，需要進行更進一步的優化與改善，根據在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KANO模型，要在期望型需求上做出較大的優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容，將故事內容進行整合后，利用數字媒介的拓展性高，可操作性強等特點，以時間的發展順序分別將資料添加在了場館中的不同展示區域，對于校史館的內容進行了擴充，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整。

（四）對于用戶體驗進行比較調研：結合KANO模型中提供的五個需求維度，我們制作了一份關于徐匯校區校史館VR導覽系統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。發放了200份大范圍問卷，其中有效問卷數量為178份。如圖8，經計算問卷顯示線上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展覽形式。以此可以看出對于線下校史館的數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導覽系統的構建根據數據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。

結論

本文基于數字孿生概念并結合線下的問卷調研，對于華理徐匯校區校史館進行了虛X實4的建立，將校史資料收集整理為孿生數據的建立提供支持，通過Unity制怍VR導覽系統實現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。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、功能新穎的展現效果服務于用戶。在之后的發展中數字模型可與線下的數據同步進行拓展和完善，使得二者在現實與虛擬世界中達到信息的同步性、一致性。設備的技術升級對于展出形式也帶來了新的形式，為傳統文化內容的數字化保護提供了更多種多樣的方式，使線下的展示內容能在虛擬環境下得到逼真的還原及展示，期望能為之后的校史文化數字化建設提供一點參考。

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