基于國產化軟件的博物館數字化展示空間的設計

張 鵬,董宇軒

(煙臺科技學院 a.數據智能學院;b.藝術設計學院,山東 煙臺 265600)

隨著信息技術的迅速發展,博物館也在向數字化、集成化、網絡化、智能化[1]的方向前進。在博物館信息化發展過程中,國外技術相對成熟,但在信息安全保障方面存在一定的風險。本研究采用國產化技術搭建博物館數字化展示空間平臺,利用國產硬件與軟件實現技術替代,保障信息安全,并對搭建的數字平臺進行架構設計,提升平臺性能及使用效果。

1 平臺分析與設計

1.1 總體架構

國產化博物館展示空間系統總體架構如圖1所示,分為基礎設施層和應用層兩部分,核心部分采用國產化技術進行開發設計。基礎設施層負責構建平臺的物理部件和系統軟件,是整個平臺平穩運行的基礎和核心,包括中央處理器(CPU)、存儲器、操作系統及數據庫。CPU是整個數字化展示平臺的核心,所有數據處理和程序運行都要通過CPU進行處理輸出,是整個平臺的核心大腦。本平臺采用龍芯處理器[2],利用純自主指令集LoongArch代替了x86架構的CPU芯片。物理部件上的操作系統是溝通平臺硬件與軟件的重要系統軟件,采用麒麟操作系統[3]搭配龍芯處理器的LoongArch指令集,完成對應用軟件的調用和執行。

圖1 國產化博物館數字化展示空間平臺總體架構Fig.1 Overall framework of the digital exhibition space platform of the localized museum

數據庫是系統軟件中非常重要的組成,應用軟件運行時需要頻繁的與數據庫進行數據交換,滿足應用服務的數據處理。采用達夢數據庫管理系統(DM)[4],從根本上保證了系統的安全性,其功能、性能、可靠性均達到了主流數據庫管理水準,能夠滿足國內信息化建設需求。

應用層部分主要提供博物館展示空間的功能服務,采用JavaEE框架技術和Vue前端框架技術打造高性能數字化功能服務平臺,包括展品數字化展示、展館3D智能導覽、陳列設計等核心功能,同時具有文物研究、考古挖掘、典藏管理等個性化功能及面向用戶的宣傳推廣、觀眾服務及社交服務,通過該平臺可在線了解博物館展品、展館的全部信息并進行線上交互,改變了傳統博物館單一的游覽體驗。

1.2 展館3D智能導覽功能

為了讓游客有更好的瀏覽體驗,基于國產化數字化博物館展示空間系統,對入館到按順序參觀主題館、再到每一個主題館中展品觀賞的正確瀏覽路線及途中展品進行數字化建模,將其導入博物館信息系統數據庫中進行存儲,游客只需通過手機APP便可按照路線對沿途經過的展品進行線上觀看,避免錯過重要場館及展品,還可為行動不便或勞累的游客提供完整的游覽體驗。

展館3D智能導覽功能架構如圖2所示,通過移動開發技術進行Android端用戶平臺構建,用戶可通過手機APP登錄數字化博物館系統。使用Unity 3D平臺引擎與3DS MAX軟件進行3D博物館導覽空間建模。博物館3D導覽空間分為交互式漫游模塊和數據持久化模塊。數據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、場景模型庫、建筑模型庫等,該素材的構建主要通過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,包括位置移動和輸入控制兩部分。在博物館數字化平臺設置展館3D智能導覽功能可進一步豐富數字化平臺的功能性,增強游客對博物館展品的體驗感及沉浸性。

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

1.3 博物館數字化平臺應用層架構

采用B/S架構模式。B(Browser)即瀏覽器端也稱作前端,是主要面向用戶操作的界面。S(Server)即服務器端也稱作后端,主要負責游客信息管理、館藏物品管理、導覽地圖管理等,偏重于數據處理及邏輯處理。后端使用MVC設計思想,將后端搭建分成3部分,控制層(C)主要處理游客的請求響應過程,模型層(M)主要處理游客或博物館數字化資源的數據交互及管理,視圖層(V)主要承載返回游客的結果數據。

具體實現技術采用JavaEE框架技術的SpringBoot和Mybatis兩個框架。應用層架構流程如圖3所示。用戶通過瀏覽器端發送處理請求,由SpringBoot框架分析用戶請求,調度對應的數據模塊提供用戶所需數據。數據模塊由Mybatis框架與達夢數據庫完成交互訪問,獲取用戶所需數據,并將結果通過Vue技術與Html技術形成界面,返回給用戶顯示,完成整個數字化平臺的工作流程。

圖3 博物館數字化平臺應用層架構Fig.3 Application layer architecture of museum digital platform

1.4 博物館數字化平臺高性能設計

為了滿足數字化平臺性能要求,在用戶與數字化平臺之間增加一個消息隊列服務器,當某一時段訪問平臺的游客數量突然增多時,數字化平臺服務器可能無法同一時間處理驟增的游客信息,為了及時響應用戶,使用消息隊列服務器作為中間件,將游客發送的請求進行暫時保存,同時響應用戶,避免用戶過長時間等待。在服務器閑時,系統將游客信息發送給服務器處理,從而增強數字化平臺服務器的可伸縮性及整體性能。

如圖4所示,當游客通過客戶端訪問數字化博物館平臺服務器時,如果此時游客訪問量很大,大用戶量的服務器訪問會令服務器的運行壓力驟增,導致用戶得到服務器響應的時間變長。數字化平臺會將增加數據、刪除數據等操作數據存儲到消息隊列服務器中,立刻給用戶響應結果,從而減少用戶等待時間。等到閑時,消息隊列服務器再與數據庫進行交互,保存或刪除用戶數據。消息隊列服務器可在用戶訪問量增大時有效緩解數字化平臺服務器的壓力,優化用戶體驗,增強平臺性能。

圖4 博物館數字化平臺消息隊列設計架構Fig.4 Architecture of message queue design for museum digital platform

2 實驗

為了測試數字化平臺的性能,從TPS(Transactions Per Second)和RT(Response times over time)兩個性能指標進行實驗。TPS是性能測試中常用的指標之一,全稱是Transactions Per Second,即每秒事務數,指系統在1 s內能夠處理的事務數目。事務是指數字化平臺系統中一個完整的業務操作過程,如在博物館系統注冊賬戶的過程、在平臺商店購買紀念品的過程等。通過計算TPS指標可得到一定時間內完成業務操作的數量,進而評估系統性能。TPS越高代表系統的處理能力越強。

以5 min為測試時間段,針對不同的并發用戶數進行測試,得到每個測試段的TPS值。結果顯示,隨著并發用戶數的增多,5 min內處理的TPS數量在不斷增多,且保持穩定增長,表明此系統具有良好的穩定性和效率,實驗結果如表1所示。

表1 數字化博物館平臺系統的TPS指標

響應時間隨時間變化(Response times over time)是性能測試中常用的指標之一,用于衡量系統的響應時間在測試過程中的變化情況。響應時間是衡量用戶從發出請求直到收到回復花費的時間。如游客從填寫注冊界面到收到注冊成功的系統通知所花費的時間。

實驗結果如表2所示,從測試結果可知,隨著系統并發用戶數的增多,平均響應時間處在一個良好范圍內,并發數為200時,最大響應時間達1048.31,但是95%響應時間(95%的數值都低于該數)為612.73,處在一個良好的響應時間范圍內。實驗結果表明,用戶使用該系統時可獲得良好的體驗度和使用感。

表2 數字化博物館平臺系統的RT指標

3 結束語

利用國產化技術構建了高性能數字化博物館展示空間系統,該系統由基礎設施層和應用層組成。基礎設施層由物理部件和系統軟件構成,由國產化技術構建完成,保證了數據和平臺的安全可靠。應用層主要提供了數字化博物館服務功能,由框架技術完成。在展館3D智能導覽功能中使用Unity 3D和3DS Max進行展館3D建模及智能導覽。使用消息隊列優化系統性能,提高數字化博物館平臺系統的訪問性能及存儲性能,使平臺可在大用戶量訪問時保持優良的運行效果。經過TPS和RT兩個指標的性能測試表明,本系統具有高性能平臺服務能力。