基于数字孪生技术的校史馆VR导览设计研究

冯于天韫 蔡骏 蒋正清

摘要：数字化革命，带来了渠道最深的变革。近年来，数字孪生与虚拟现实等信息技术正逐渐渗透到人们的日常学习生活环境当中。在文化传播方面，随着场所形式，展览方式，展出内容的转型升级，也推动着博物馆等场馆的数字化数据形态的构建。为此，通过研究二者结合下的虚拟校史馆的基本形态与应用场景，对物质文化遗产的数字化方法和技术进行探索。基于数字孪生的概念，使用三维数据扫描、3ds Max建模及Unity交互设计等技术与方法，以校史馆VR导览设计为例，采用三维激光扫描得到展品模型结合3ds Max软件对场馆建筑进行构建，最终在Unity中导入模型对其进行交互环节设计。得到校史馆VR导览软件。该方法可以为如何促进校史文化的推广及展示方式的优化提供参考。

关键词：数字媒体数字孪生虚拟现实数据采集三维建模

中图分类号：TP391.9

文献标识码：B

文章编号：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

基于對数字孪生概念的文献进行梳理研究发现，对于数字孪生技术在物质文化遗产数字化已有了初步的探索与应用，构建了相关的数字孪生五维模型分析以及与数字孪生息息相关的应用领域，如今市面上很多博物馆都已使用数字孪生技术对自身的展览方式进行了进一步的优化调整。因此我们希望结合以上概念来挖掘校园文化数字化的价值，并基于KANO模型来了解此类在线导览的基本型需求、期望型需求以及兴奋型需求，研究如何实现在学校历史文化数字化的过程中有效地保留其原始数据并体现其艺术魅力与文化内涵。

一、文献综述

（一）数字孪生的概念：美国密歇根大学的Grieves教授，他于2003年探讨产品全生命周期管理时提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念，并给出了具体定义：以虚拟的形式表达或描述真实存在的一个或多个特定设施的数字形式的仿制品，并以此进行现实状态下环境、条件和状态的模拟仿真测试，这一思想成为了数字孪生概念的起源[1]。数字孪生技术通过数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段来增加或扩展物理实体新的能力。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务[2]。因此，数字孪生的理论与技术对于数字人文的发展提供了新的理论、方法与工具。

（二）虚拟现实技术概述：在科技不断创新发展的现代，科技的进步也带动了3D建模这一研究领域的应用及发展，时至今日也出现了使用虚拟现实技术将3D模型导入软件，带领用户通过VR设备对于现实中的场景进行探索，现实虚拟即通过计算机对现实世界进行模拟，创建出一个虚拟的三维空间世界，为观众提供视觉方面、听觉方面以及触觉方面的感官模拟，让观众仿佛置身于真实世界，能够及时地、无限制地对三维空间里的各项元素之间进行有效观察[3]。这项技术的诞生可以使受众即使不用亲临现场也可以对场景进行访问参观。这为一些面临需要改造或拆除的建筑进行历史风貌复原或结构遭到破坏即将不复存在的建筑数据保留提供了极大地便利。正是数字技术的突破为媒介的发展提供了强大的支撑，并在一定经济基础上得到了长足发展。在此背景下，视觉传达设计的数字化发展趋势更加明显，这将深刻地影响人们的生活方式与审美观念[4]。基于以上观点，将徐汇校史馆进行VR导览制作不仅有利于提升受众的参观体验，这种虚拟现实的参观体验也将脱离线下校史馆以平面展板、静态展物为主的形式，具有突出的视觉张力及表现力，能够使受众获得独特的参观感受。还能带动学习学校历史文化的宣传与推广，以一种比较新颖的形式使得大众对于校史的关注度与兴趣度能够得到有效提升，在数字化的大环境下，VR导览的制作有利于将文献资料数字化保存，并且有利于内容的检索与收录，此形式也将是数据保存及展示的一大趋势。

二、制作实现步骤

结合以上两个概念，我们构思了与校史文化相关的展示方式，希望通过建立虚拟模型来模拟对于校史馆的参观，在此基础上通过对于模拟线下的参观方式来更加便利地探究如何改进传统的展览方式来提升用户的参观感受，提高用户参与度与知晓度。最终确定以校史馆VR导览软件为基础展开调研及设计，我们的设计步骤如图l所示作为整体的制作思路及技术路线，通过了前期的资料收集以及联系了华理徐汇校区校史馆馆方，收集到了一手的资料后对之后需要使用的软件及设备进行规划。中期使用三维扫描设备对场馆中需要精细建模的部分进行展品的扫描，并在建模软件中进行模型整合，最终在Unity中实现交互的设计，后期在软件制作完成后进行第二次调研以便于证实该软件是否提升了用户使用感受，经过修改与完善最终完成设计。从中发掘出传统校史馆展览方式中存在的一些不足并提出相应的解决方案。

（一）问卷调查分析与同类产品分析：在500份面向校内外学生与教师的问卷调查的系统分析下，根据不同问题进行了数据分析，按照学生与教师身份的分类对问题进行归纳，我们发现大部分学生在校期间很少会去主动参观我校的校史馆，甚至不知道校史馆的存在，而参观过的同学对于其中的展示形式以及内容存在一些建议，希望展览能够更加有趣生动，更希望加入一些交互内容。而大部分的教师则是由于时间或路途不便，更加希望提供一个线上平台，使他们可以更加自由地了解校史馆。这些问题使我们发现，华理在校的大部分同学他们还是很想去了解校史只是缺乏途径，线下的展示形式对于有意愿进行参观的人群在时间与地点上又有着限定。这也为我们的项目设计提供了鲜明的思路。根据问卷统计，总结出了三个线下校史馆所需要解决的问题：1.在线下进行参观的时候如果没有人进行引导对于展出的内容顺序存在困惑。2.展示形式比较单一，只能通过观看展板了解校史信息。3.展示的信息大多为历史事件的大致介绍及人物事迹，缺少吸引观众的叙事内容。从以上三个问题出发，归纳出了在徐汇校区VR导览中需要涵盖的三个要素：1.要有关于校史馆的导览系统，带领观众对于校史馆进行参观。2.要有线上交互内容，能够像线下的参观一样，也可与展出内容进行互动，发挥数字化的优势拓展展出形式。3.挖掘校史背后的故事，增加参观者对于学校历史的兴趣，更愿意去了解学校的发展历程。结合以上三点要素与数字孪生技术，基于校史馆的规划设计阶段构建一个虚拟仿真的模型，构建成功后就可实现它与物理实体之间的数据、信息交互，从而不断完善虚拟校史馆中的数据模，对于校史馆的虚拟导览体验进行提升与改进。

在同类型的软件设计中，近几年线上博物馆的发展十分迅猛，其中的诸多案例，可以为校史馆导览系统提供参考与比较。首先关于敦煌艺术的线上展览“数字敦煌”，在进行了体验后发现该网站上不仅可以对于壁画高清图进行参观，也可以戴上VR眼镜感受身临其境的立体体验。从数字化管理、建设网站，到高精度、VR、3D沉浸式体验，与时俱进的“数字敦煌”展现出了将传统文化数字化的可行性与重要性，为我们的校史馆VR导览提供了展示形式方向的参考。但不同于数字敦煌的以看为主，校史馆VR导览希望能够加入更多的互动内容以实现物理实体、虚拟实体、孪生数据和服务之间的互联互通，让线下与线上相辅相成，形成良好的互动体验。

其次国家文物局局长刘玉珠曾在2019年3月3日的全国两会“部长通道”上强调：“博物馆是公共文化教育和服务的机构，其功能有别于一些展览或场馆，不是提供游乐玩耍的场所，而是需要引导大众感受高尚的社会风气以及对于大众的精神文明建设需要起到引导作用，博物馆的基本属性决定了它需要做到‘高雅不深奥，亲和不媚俗。”刘玉珠局长的观点为我们的导览系统的基调设计具有启示作用，不能为了吸引更多受众而随意添加一些无关紧要的内容。线上校史馆需要在进行使用感受提升的同时保持校史应有的庄严感，不能丧失其作为校史馆应有的教育与传播学校文化的功能。

（二）校史馆数据收集：使用计算机构建华理徐汇校区校史馆，要使参观者能够在虚拟场景中接收到的信息与线下可以接收到的信息保持一致，模型是数字孪生技术的关键，建立一个逼真的环境模型是建立虚拟导览系统的基础，通过采集真实环境中的场馆数据，再使用三维制作软件搭建一个数字模拟环境，前期需要对于实际环境进行精确的拍摄以及数据采集。

1.实物三维扫描：为了实现精确的收集數据，造访了位于徐汇校区的老校史馆，并使用了3DSS三维光学扫描设备，目前三维扫描设备可分为接触式与非接触式两种，由于需要进行扫描的物品具有极高价值历史文物价值且容易出现损坏，考虑到这些展品特性，最终选择了非接触式测量设备，相较于接触式测量设备，其拥有扫描速度快、效率高且不会破坏实物表面的特点。该仪器可将展馆中的人像、展品进行扫描并形成初步的模型。再结合实地高清相机的拍摄，实体拍摄的照片为之后扫描出的立体形象的修正提供了参考。

2.数据导入及处理：将扫描设备中的点云数据导入计算机中进行处理，受到实物原型质量及扫描测量环境的影响，在进行计算机三维模型重构前需对扫描数据采用滤波算法进行去噪、平滑及对齐处理[3]。该过程虽然主要由计算机自动处理完成，但是较为重要，这一步处理有效地减少了扫描出的模型中存在的一些扫描错误等问题，使得噪点减少，模型表面变得平整。如图2所示，利用设备对于校史馆进行现场的展品进行3D扫描，并生成模型。

3.场馆整体组合：根据场馆形态比较方正的特点，使用红外测距仪进行人工测量记录场馆数据，确保数据的准确性，展板的内容则使用拍摄及向官方收集展览内容结合的手法，有利于之后在Unity中进行交互内容的制作时将文字数据及图片数据导入。选用了红外测距的方法可以提升对于场馆的结构测量的精确度，如图3通过3ds Max对于场馆的外部框架进行搭建，在构建好的整体框架的基础上按照之前记录的展品位置，将建立好的模型根据位置编号置入场馆内部，形成完整的校史馆模型。

（三）虚拟现实导览制作：经研究发现虚拟现实展示设计通过人们艺术性的思维创作使得表现形式丰富多彩，文化传播中具有明显的优势。文化传播依托于新技术的出现，使得中华传统文化的继承与发展更为深刻有效[5]。所以通过不同的交互式体验可以提升校园文化展示的艺术与视觉效果，所以在制作中使用了Unity作为实现VR导览的平台。该软件不仅可以对三维图形图像进行全景的观察展示，还能让人们可以看到感受一种立体式虚拟空间的感受，感受360。环境带来的身临其境般的体验。与此同时，能够对其中的三维展品与模拟场景有良好的展示，带给观者较好的体验。同时它有着易于使用且有优秀的互动功能，还可以根据参与者的反馈与要求进行导览软件进一步的调整，满足不同使用者的多方面需求。考虑到用Unity制作后导出的程序对设备的要求不高，几乎任何设备都可以进行兼容。这使得对于校史的传播提供了一个更加便利的载体，不仅能在VR设备上进行展现，更好的兼容性也有利于之后搭载于各种不同的平台之上。

如图4、5所示将扫描数据导入后形成了初步的模型，并在Unity中为模型加入灯光，使得观看者可以在各个角度清晰的看到展示的内容，将收集的文字资料整理并添加在场景中，使得导览系统更加的完善。基于调查显示交互环节的加入能够满足关于期望型需求所制定的目标，所以使用Unity中的交互功能，通过编程的方式，完成使用者可以在虚拟现实观看校史馆的过程中能够与其中的展品及展板上的内容进行互动的功能，在制作完成后寻找了很多在校学生作为实验对象进行实际的体验，根据用户的反馈，总结了两个改进点1.对于导览系统中内容的显示，由于设计时使用的观看界面转移到VR设备后画面的展示会存在观感上的偏差，对于这一问题需要进行进一步的改动。2.互动UI不够完整，会导致用户在观看过程中对于行进路线及参观顺序产生疑惑。对于这两点问题，需要进行更进一步的优化与改善，根据在VR中显示的画面，修改了部分互动及展板界面的比例使得使用者可以更舒适的对于文字内容进行阅读，对于路线增加了箭头导览，使得参观顺序更加明确，起到更加直观的引导作用。根据KANO模型，要在期望型需求上做出较大的优化有利于提高用户对于校史馆线上导览的满意程度，增强用户的使用感受。

为了对校史内容进行深度的挖掘以满足KANO模型中的兴奋型需求，使得用户黏性能够得到提升，我们联系了校史馆的负责人，并通过负责人的讲解，以及对于其中具体的人物故事的深入了解。收集到了很多本身校史馆中并未展出的内容，将故事内容进行整合后，利用数字媒介的拓展性高，可操作性强等特点，以时间的发展顺序分别将资料添加在了场馆中的不同展示区域，对于校史馆的内容进行了扩充，除了文字资料外，添加了以校史文化为背景的视频展示模块，如图6、7在Unity中对于导览软件进行调整。

（四）对于用户体验进行比较调研：结合KANO模型中提供的五个需求维度，我们制作了一份关于徐汇校区校史馆VR导览系统与原来的线下校史馆的形式进行了对比的满意程度问卷，满意度分为“非常不满意、不满意、一般、满意、非常满意”五个程度，得分记为0-5分，共5题，满分为25分。发放了200份大范围问卷，其中有效问卷数量为178份。如图8，经计算问卷显示线上VR导览形式满足了导览这一基本型需求，并在期望型需求方面高于传统展览形式约30.2%的满意度得分，在兴奋型需求上的得分也高于传统展览形式。以此可以看出对于线下校史馆的数字化制作有利于校史文化的推广，并能够使用户得到更好的参观体验。徐汇校史馆VR导览系统的构建根据数据可以看出对于一开始所提出的三个问题进行了改善提升，能够做到辅助线下校史馆的推广与宣传，使希望了解校史馆的用户群体在线上也能对于校史馆进行参观及浏览，该导览软件为校史馆提供了一个线上展示与宣传的平台。

结论

本文基于数字孪生概念并结合线下的问卷调研，对于华理徐汇校区校史馆进行了虚X实4的建立，将校史资料收集整理为孪生数据的建立提供支持，通过Unity制怍VR导览系统实现了物理实体与虚拟实体之间的信息连接，能够提供交互服务。解决了观众在线下观看时遇到的一些问题，并且在KANO模型的帮助下，校史馆VR导览系统的用户体验也得到了很大的提升，提高了用户的满意度。最终制作出了以一种一目了然、功能新颖的展现效果服务于用户。在之后的发展中数字模型可与线下的数据同步进行拓展和完善，使得二者在现实与虚拟世界中达到信息的同步性、一致性。设备的技术升级对于展出形式也带来了新的形式，为传统文化内容的数字化保护提供了更多种多样的方式，使线下的展示内容能在虚拟环境下得到逼真的还原及展示，期望能为之后的校史文化数字化建设提供一点参考。

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