“福州古厝”數(shù)字博物館平臺研究

李莉

(福州市勘測院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

隨著我國數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，我國的博物館建設(shè)進入了新的發(fā)展階段，數(shù)字化博物館建設(shè)逐漸成為人們廣泛關(guān)注的熱點[1，2]。數(shù)字化博物館可以實現(xiàn)博物館文物資源與數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)一存儲、管理與共享，提高博物館數(shù)字化水平，增強博物館的陳列展覽能力，優(yōu)化用戶的觀展體驗，提升用戶與展品之間的互動性[3，4]。

當(dāng)前，國內(nèi)建立了很多不同主題的數(shù)字博物館[5～7]，如，山西省非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字博物館[5]、中國傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館[6]、數(shù)字故宮[7]。另外，很多學(xué)者也提出了數(shù)字博物館的建設(shè)[4，8～10]，如，高晨彤提出了數(shù)字博物館云平臺的整體架構(gòu)及四類業(yè)務(wù)功能，開發(fā)了具體的業(yè)務(wù)功能微服務(wù)模塊[4]。李新國提出了數(shù)據(jù)庫設(shè)計和湘語數(shù)字博物館系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)[8]。黃妍等調(diào)研了浙江省現(xiàn)存古橋、古堰，提出了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的浙江古橋古堰數(shù)字博物館[9]。但當(dāng)前很多數(shù)字博物館主要以文字、圖片或視頻的形式來展現(xiàn)博物館內(nèi)容，體驗感和沉浸感差[11]。而VR技術(shù)、三維建模技術(shù)等應(yīng)用于數(shù)字博物館的建設(shè)有助于多感官、多層次和立體化的方式展現(xiàn)博物館內(nèi)容，易于實現(xiàn)與用戶的交互，從而增強用戶體驗感[11～15]，如，李哲等以江西流坑村、浙江胡卜村等為例，利用三維數(shù)據(jù)展示了村落智慧[12]。吳成浩探討了八大山人數(shù)字博物館虛擬展示建設(shè)的可行性，提出了利用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)建設(shè)八大山人數(shù)字博物館實感交互的方案[13]。

福州具有2200多年的建城史，1986年被國務(wù)院列為第二批國家歷史文化名城，孕育了海納百川、底蘊深厚的閩都文化，也造就了黛瓦相連、獨具特色的古建筑群。古建筑是構(gòu)成福州歷史文化名城的要素之一[16，17]。本文基于福州歷史文化名城保護和利用成果，利用傾斜攝影、激光點云、三維建模、全景VR等高新技術(shù)賦能中國傳統(tǒng)文化，對福州市國家文物保護單位、省級文物保護單位等福州古厝和世界文化遺產(chǎn)申遺片區(qū)開展數(shù)字化建庫、開發(fā)“福州古厝”數(shù)字博物館平臺，將福州古厝搬到云端，賦予古厝全新生命力，讓古厝真正“活”起來、“亮”起來，滿足公眾、游客足不出戶在線觀展需求。

2 古厝數(shù)字博物館數(shù)據(jù)庫設(shè)計

福州市古厝數(shù)字博物館由空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、古厝全景影像數(shù)據(jù)庫、街區(qū)三維場景精細模型數(shù)據(jù)庫、古厝文化元素數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫組成。運用全景VR、無人機航攝、三維建模、三維場景實時渲染技術(shù)，構(gòu)建福州古厝數(shù)字博物館數(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

圖1 古厝數(shù)字博物館數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)

2.1 空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫由切片電子地圖數(shù)據(jù)庫與定位數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，由福州市政務(wù)版地理信息公共平臺生產(chǎn)建設(shè)，通過在線地圖數(shù)據(jù)服務(wù)對外共享使用。切片電子地圖數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括矢量電子地圖數(shù)據(jù)與影像電子地圖數(shù)據(jù)，可作為信息化空間背景參考基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括居民地及設(shè)施、交通、水系、植被與土質(zhì)、注記等。定位數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括熱點及路網(wǎng)等基礎(chǔ)性空間查詢定位數(shù)據(jù)，可用于信息化空間查詢與定位等操作。

2.2 古厝全景影像數(shù)據(jù)庫

采用360全景技術(shù)，建設(shè)福州市范圍內(nèi)共計80處古厝與19處特色歷史文化街區(qū)的全景影像數(shù)據(jù)庫，包括高空鳥瞰全景影像、地面室內(nèi)外全景影像、全景影像熱點信息等內(nèi)容。古厝全景影像數(shù)據(jù)庫由古厝空中全景影像數(shù)據(jù)庫、古厝地面全景影像子數(shù)據(jù)庫、古厝全景熱點信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 古厝水榭戲臺全景影像

2.3 街區(qū)古厝三維精細模型數(shù)據(jù)庫

街區(qū)古厝三維模型數(shù)據(jù)庫以福州市現(xiàn)有三維模型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建設(shè)兩處歷史文化街區(qū)、5處重點古厝范圍內(nèi)的三維精細模型，并采用三維渲染技術(shù)進行渲染，提升場景視覺效果。街區(qū)古厝三維模型數(shù)據(jù)庫依據(jù)是否用于可視化表現(xiàn)可以分為源數(shù)據(jù)分庫和表現(xiàn)分庫。源數(shù)據(jù)分庫又根據(jù)要素分為地形、建筑物、交通、場地和水系、植被以及其他等六個模型子庫，各模型子庫存放原始三維模型，每個模型含有幾何和紋理兩類信息。表現(xiàn)分庫也按要素分為地形、建筑物、交通、場地和水系、植被及其他等六個模型子庫，各模型子庫存放用于三維可視化表現(xiàn)的模型，每個模型通過唯一編碼與原始三維模型一一對應(yīng)，并含有LOD1、LOD2、LOD3三個不同表現(xiàn)細節(jié)層次等級的模型(圖3)。

圖3 街區(qū)古厝三維模型

2.4 古厝文化元素數(shù)據(jù)庫

古厝文化元素數(shù)據(jù)庫與古厝全景影像數(shù)據(jù)、古厝三維場景數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成完整的古厝展示數(shù)據(jù)體系。古厝空間影像數(shù)據(jù)庫是古厝風(fēng)貌格局直觀展示，古厝文化元素數(shù)據(jù)是古厝所承載的歷史文化的凝練。古厝文化元素數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包含古厝文字、語音、音樂、圖片、視頻等(如圖4所示)。

圖4 古厝文化元素數(shù)據(jù)庫

2.5 系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫指平臺上線運行后產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括文創(chuàng)、學(xué)術(shù)、活動等模塊產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源主要為管理用戶通過運營運維管理系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)，社會公眾通過數(shù)字博物館網(wǎng)站PC端、手機端填寫的數(shù)據(jù)，以及古厝全景發(fā)布系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)管理信息。

3 數(shù)字博物館平臺系統(tǒng)功能設(shè)計

“福州古厝”數(shù)字博物館平臺由基于Web端、移動端、觸屏端的線上、線下集合式搭建形成，由“福州古厝”數(shù)字博物館網(wǎng)站(中文版、英文版)、“云古厝”手機端、“福州古厝”數(shù)字孿生系統(tǒng)、“福州古厝”全景數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、平臺運維運營管理系統(tǒng)五個子系統(tǒng)組成(圖5)。

圖5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

“福州古厝”數(shù)字博物館網(wǎng)站：是福州古厝對外展示和互動的主窗口、官方網(wǎng)站，包含中文版、英文版兩個版本，功能模塊由首頁、地圖、街區(qū)、古厝、活動、文創(chuàng)、學(xué)術(shù)、教育、關(guān)于九個一級功能模塊組成，一級模塊下設(shè)若干個二級功能模塊。

“云古厝”手機端：借助強大的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過“云古厝”H5網(wǎng)頁版、e福州古厝數(shù)字博物館專欄兩種方式進行古厝的宣傳和展示?！霸乒咆取盚5網(wǎng)頁版包含首頁、地圖、古厝、文創(chuàng)、互動、我的六個模塊，e福州App“古厝數(shù)字博物館”欄目包含搜索、場館快捷入口、場館全景調(diào)用等功能模塊。

“福州古厝”數(shù)字孿生系統(tǒng)：線下古厝三維互動展示平臺，通過多媒體、多感官、多維度的交互技術(shù)，給用戶帶來深度沉浸式的文旅體驗。系統(tǒng)包含3D互動操作、坊巷格局、古厝文化、非物質(zhì)文化遺產(chǎn)、室內(nèi)全景、平面導(dǎo)覽圖、特效設(shè)置、自動導(dǎo)覽、系統(tǒng)設(shè)置九個功能模塊(如圖6所示)。

圖6 “福州古厝”數(shù)字孿生系統(tǒng)

“福州古厝”全景數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)：為福州古厝全景影像發(fā)布提供基礎(chǔ)平臺，系統(tǒng)包含場館管理、場景發(fā)布管理、全景信息處理、全景熱點管理、電子沙盤管理、多媒體數(shù)據(jù)管理、古厝二維碼管理七個功能模塊。

平臺運維管理系統(tǒng)：“福州古厝”數(shù)字博物館網(wǎng)站及手機端的運維系統(tǒng)，活動、文創(chuàng)、學(xué)術(shù)、教育等模塊的運營運維管理系統(tǒng)。包含統(tǒng)一登錄管理、用戶管理、密碼及安全管理、日志管理、活動發(fā)布管理、文創(chuàng)成果發(fā)布管理、交流互動管理、流量統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)備份管理九個功能模塊。

4 關(guān)鍵技術(shù)

(1)UML統(tǒng)一建模

統(tǒng)一建模語言(UML是Unified Modeling Language的縮寫)是用來對軟件密集系統(tǒng)進行可視化建模的一種語言，是為面向?qū)ο箝_發(fā)系統(tǒng)的產(chǎn)品進行說明、可視化和編制文檔的一種標準語言。UML展現(xiàn)了一系列最佳工程實踐，這些最佳實踐在對大規(guī)模，復(fù)雜系統(tǒng)進行建模方面，特別是在軟件架構(gòu)層次已經(jīng)被驗證有效。UML可以貫穿軟件開發(fā)周期中的每一個階段，被OMG采納作為業(yè)界的標準。UML最適于數(shù)據(jù)建模，業(yè)務(wù)建模，對象建模，組件建模。UML作為一種模型語言，它使開發(fā)人員專注于建立產(chǎn)品的模型和結(jié)構(gòu)，而不是選用什么程序語言和算法實現(xiàn)。當(dāng)模型建立之后，模型可以被UML工具轉(zhuǎn)化成指定的程序語言代碼。

(2)微服務(wù)架構(gòu)

微服務(wù)架構(gòu)是一項在云平臺中部署應(yīng)用和服務(wù)的新技術(shù)，近一兩年來發(fā)展迅速，它提倡將單一應(yīng)用劃分成一組小的服務(wù)，服務(wù)之間互相協(xié)調(diào)、互相配合，每個服務(wù)運行在獨立的進程中，服務(wù)間采用輕量級通信相互溝通。與傳統(tǒng)的單一應(yīng)用架構(gòu)相比，微服務(wù)架構(gòu)在大型應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)、測試、部署等多個方面優(yōu)勢明顯，是當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)平臺等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域的新寵。本平臺采用微服務(wù)架構(gòu)，主要解決系統(tǒng)的高并發(fā)性能和系統(tǒng)擴展性問題。本平臺要求在架構(gòu)上必須能夠支撐多人同時使用系統(tǒng)，即滿足大并發(fā)訪問的需求。而解決這一問題的最有效的方法即是為某個大并發(fā)訪問服務(wù)開啟多個實例，通過負載均衡方式進行合理分流，以應(yīng)對大并發(fā)訪問。與傳統(tǒng)的“巨塊”程序架構(gòu)相比，微服務(wù)架構(gòu)的核心在于服務(wù)，每個服務(wù)可以單獨部署，并且可以按需開啟多個，可完美地解決系統(tǒng)的高并發(fā)訪問。

另外，考慮到未來基于數(shù)據(jù)的應(yīng)用可能有很多很多，提供易于功能擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，以支撐未來對現(xiàn)有功能的調(diào)整和新功能的增加。微服務(wù)架構(gòu)是一個高伸縮性的架構(gòu)，新功能的增加，在微服務(wù)架構(gòu)中就體現(xiàn)為增加幾個服務(wù)，開發(fā)人員只需要開發(fā)新應(yīng)用的幾個服務(wù)就可以了，可專注業(yè)務(wù)，進行獨立開發(fā)、測試和分發(fā)，不影響之前的服務(wù)，特別是在系統(tǒng)規(guī)模越來越大時，使用微服務(wù)架構(gòu)，不會出現(xiàn)“牽一發(fā)而動全身”的不可控局面，非常方便功能的擴展和調(diào)整，優(yōu)勢非常明顯。

(3)面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)

面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)是一種應(yīng)用框架，它著眼于日常的業(yè)務(wù)應(yīng)用，并將它們劃分為單獨的業(yè)務(wù)功能和流程，即所謂的服務(wù)。SOA使用戶可以構(gòu)建、部署和整合這些服務(wù)，且無須依賴應(yīng)用程序及其運行計算平臺，從而提高業(yè)務(wù)流程的靈活性。這種業(yè)務(wù)靈活性可使企業(yè)加快發(fā)展速度，降低總體擁有成本，改善對及時、準確信息的訪問。SOA有助于實現(xiàn)更多的資產(chǎn)重用(整合舊系統(tǒng))、更輕松地管理和更快的開發(fā)與部署。

基于HTML5的前端框架，并應(yīng)用一套皮膚、骨骼、結(jié)構(gòu)相分離的模塊化樣式體系和前端組件包。采用面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)，基于插件式的模塊開發(fā)，增強了系統(tǒng)的擴展性、可維護性。

采用面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的設(shè)計思想，構(gòu)建包含標準體系、技術(shù)體系、業(yè)務(wù)體系、數(shù)據(jù)體系、應(yīng)用體系、安全體系的“一體化”集成框架，總體架構(gòu)基于層次化設(shè)計思想，以實現(xiàn)不同層次間的相互獨立性，保障系統(tǒng)的高度穩(wěn)定性、實用性和可擴展性。

(4)基于XML的信息交換

XML是基于WebServices的SOA實現(xiàn)的核心，關(guān)于XML的規(guī)范是Web服務(wù)規(guī)范標準的基礎(chǔ)。XML具有強大的自描述能力，在各種層次、各種技術(shù)路線的系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換時發(fā)揮巨大的作用。

(5)基于UE4的三維場景實時渲染技術(shù)

當(dāng)前GIS應(yīng)用基本以2D為主，3D化后都流行基于當(dāng)時的開源渲染引擎諸如OsgEarth、CesiumJS等為基礎(chǔ)開發(fā)自研引擎平臺，對三維顯示效果和交互要求并不高。本文在使用GIS數(shù)據(jù)來構(gòu)建超大規(guī)模的數(shù)字場景時，嘗試引入UE4引擎。UE4即第四代虛幻引擎，是一個實時渲染引擎平臺，通常用于游戲場景構(gòu)建、電影特效制作。在基于UE4引擎中的三維模型可視化相比傳統(tǒng)三維的可視化再次提高了一個層次，創(chuàng)建以用戶為中心的體驗?zāi)Ｊ剑鶕?jù)用戶的即時想法和需求，自主選擇到項目中，動態(tài)實現(xiàn)了實時光影、動態(tài)效果、沉浸式展示等多項功能的設(shè)置研發(fā)，解決了多項傳統(tǒng)規(guī)劃三維模型展示的技術(shù)盲區(qū)，提高整體三維渲染效果，帶來了多種沉浸式體驗以及交互效果的智能技術(shù)，大大提升視覺效果的逼真度和運行流暢度(圖7)，為后續(xù)的高質(zhì)量三維展示發(fā)展提供一定的基礎(chǔ)積累。

圖7 基于UE4的三維模型可視化對比

(6)三維場景LOD(多細節(jié)層次)技術(shù)

針對不同的城市分塊模型，需要有合理的層級組織，以達到理想的渲染效率。場景分級組織對于模型生成不同的細節(jié)程度，以符合從近到遠的渲染需求。每個細節(jié)程度的層級，分別需要設(shè)置不同的加載距離，當(dāng)渲染攝像機距離超過設(shè)置距離時，則隱藏高細節(jié)程度的模型。

(7)實時光線追蹤技術(shù)

與傳統(tǒng)的掃描線或光柵化渲染方式不同，光線追蹤(Ray tracing)是三維計算機圖形學(xué)中的特殊渲染算法，跟蹤從攝像機發(fā)出的光線而不是光源發(fā)出的光線，通過這樣一項技術(shù)生成編排好的場景的數(shù)學(xué)模型顯現(xiàn)出來。相比于傳統(tǒng)方法的掃描線技術(shù)，實時光線追蹤技術(shù)有更好的光學(xué)效果，例如對于反射與折射有更準確的模擬效果，并且效率非常高，所以當(dāng)追求高質(zhì)量的效果時經(jīng)常使用這種方法(圖8)。

圖8 開啟和關(guān)閉RTX的對比圖

5 結(jié) 論

本文運用全景VR、無人機航攝、三維建模、三維場景實時渲染技術(shù)，構(gòu)建了福州古厝數(shù)字博物館數(shù)據(jù)庫，并搭建了基于Web端、移動端、觸屏端的線上、線下集合式的“福州古厝”數(shù)字博物館平臺，實現(xiàn)了福州古厝空間數(shù)據(jù)資源的VR實景、三維虛擬場景展示與管理，為福州古厝建設(shè)與宣傳提供了數(shù)據(jù)資源和分析決策支持，用信息促進福州古厝的保護和開發(fā)利用。以“一張圖”的方式，實現(xiàn)了將福州古厝搬到云端，能滿足公眾、游客足不出戶在線觀展需求。創(chuàng)新了福州古厝展覽展示手段，賦予了古厝全新生命力，加強了文化遺傳宣傳保護。實現(xiàn)古厝各類空間數(shù)據(jù)資源的共享共用，提升古厝數(shù)據(jù)的“傳輸”效率，實現(xiàn)福州古厝管理工作的“家底清”。