基于数字孪生的校史馆设计与实现

张 瑞，刘蔚晨，宋祥壮

(1.西安邮电大学 理学院,陕西 西安 710121; 2.西安邮电大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710121)

校史馆是学校历史陈列馆、展览馆或博物馆的简称，是学校传统与校园文化的集中展现形式，能够展示不同时期的学校风貌。目前，校史馆主要是实体化和虚拟化两种形式。实体校史馆存在展览空间、人数等多重限制，而融入现代科技的虚拟校史馆已经成为大学校史馆的主流[1]。

虚拟校史馆作为学校内资源共享的信息资源基础平台，使多个机构的多项业务资源共享，有机地成为一个动态的整体。

个性化服务设计作为一种以用户为中心的设计模式，旨在提高用户体验。目前，虚拟校史馆建设多依赖于虚拟现实(Virtual Reality,VR)[2]、Unity 3D等技术的应用，虽然技术较为成熟，但个性化服务体验较弱。一部分校史馆以格式知觉塔[3]的形式体现校史文化，突破了传统校史馆在展陈设计上的感官体验；另一部分校史馆则通过空间语言[4]在展示空间设计上寻求创新，意在营造游览中的空间层次感。但是追求空间设计和展陈设计的校史馆只局限于校史馆内部建设，个性化服务覆盖面较窄。苏州博物馆[5]注重基于循环结构的移动情景感知服务，并通过应用程序(Application,APP)服务于参观者，该服务依赖于导览结构，因此资源共享程度较低。上海玻璃博物馆[6]进行了文创产品设计，将用户体验体现在对文创产品的个性化定制中，针对性较强，但是个性化的文创产品更新较慢，不适用虚拟校史馆的时事、文化等建设。虚拟校史馆的个性化服务形式呈现多元化，针对校史馆特殊的教育背景和校内文化建设的需求，满足不同人群的个性化服务仍需进一步研究。

受传统校史馆服务设计的局限，目前大学校史馆提供的各种信息服务并不能完全满足人们对服务形式与内容的各种需求。因此，为了提升虚拟校史馆的个性化服务体验，拟提出数字孪生技术与共享服务设计理念[7]相融合的虚拟校史馆系统。该系统以服务设计理念为指引，在虚拟共享平台下实现个性化的用户服务。近年来，数字孪生技术[8]逐渐引入到交通、医疗和农业等各个领域，对满足用户需求的产品设计进行功能化评估，能够提高产品功能设计的准确性。因此，数字孪生是实现虚拟校史馆个性化服务的有效途径。

1 虚拟校史馆系统的设计

该系统以实体校史馆为基础，主要运用数字孪生的技术特点，借鉴服务设计的理念，实现虚拟校史馆的个性化服务。

1.1 共享服务设计理念

虚拟校史馆作为一种系统化的服务，涉及到学校、访客、软件和基础设施等相关要素，而服务设计是一种系统化的思维方式，其能有效地规划和组织学校、基础设施和通信，以提高用户体验和服务质量。服务设计理念需要建立在窗口服务系统(Window Service System,WSS)、技术服务系统(Technical Service System,TSS)和资源服务系统(Resource Service System,RSS)的层次结构上[9]。

虚拟校史馆的服务设计理念是基于共享理念建立的。如图1所示，在RSS阶段，虚拟校史馆实现了校内各平台之间的资源共享，资源来自实体校史馆的文化展品以及学校各个学院和机构提交近期的活动资料，保证校史馆能够提供丰富的服务内容。在TSS阶段，实现对RSS整合的资源进行标准化、模块化的编排展示，主要通过VR、增强现实(Augmented Reality,AR)和Web 3D技术搭建虚拟共享服务平台。窗口服务阶段主要是评估经过CSS的技术融合实现的虚拟校史馆能否实现个性化服务。

图1 服务设计理念

1.2 数字孪生

数字孪生是一种虚拟表示，充当一个物理对象或过程的实时数字模型[10]。虚拟校史馆系统的数字孪生框架如图2所示，展示了不同数字孪生模块的多模态交互。数字孪生将整合的数据资源经过标准化、模块化的数字化映射，为访客提供丰富的服务内容与游览方式。在虚拟空间中，三维可视化平台用于评估虚拟构建的数字孪生模型能否实现多场景、多视角的个性化服务体验。除此之外，虚拟校史馆作为一个共享服务平台，用户的体验和反馈可以帮助我们建立动态的个性化需求库，更好地完善平台功能。

图2 虚拟校史馆的数字孪生框架

2 虚拟校史馆系统的实现方法

考虑到技术水平是决定虚拟校史馆个性化服务成功与否的重要因素[11]，因此，以虚拟化技术实现校史馆的服务碎片化，利用交互展示将碎片化的服务进行不同类型的排列组合。最终通过数字孪生技术实现实体校史馆的虚拟化，并从个性化服务的角度展示了基于数字孪生的校史馆系统。

2.1 虚拟化实现

作为虚拟现实技术的主流实现形式，Web 3D是一种通过互联网进行三维显示和交互式操作的虚拟现实技术。根据个性化服务对于虚拟校史设计的要求，结合实体校史馆的展览特点，将Web 3D技术应用于校史馆的开发中。虚拟校史馆实现过程如图3所示。系统采用摄影测量技术[12]、虚拟建模技术、立体显示技术和交互制作技术，应用最先进的建模、纹理、烘托和动画方法实现实体校史馆在视觉上的重建。

图3 虚拟校史馆实现过程

该系统主要包括以下3个阶段的工作。

1) 前期的准备。主要包括搜集资料和对项目的整体规划两方面的工作。

2) 场景素材配置。在细节性和精确性的问题上，选择实用性较强的摄影测量技术，可以从现实世界扫描并模拟物体的外观质量。因此，在建立三维校史馆模型场景时，需要针对不同的房间设置中央或角落等合适的摄像机机位。精确性和细节性是实现交互式体验的关键，系统针对校史馆的细节通过Photoshop和UI软件进行3D空间渲染和可视化的纹理映射，以更高的保真度创作场景的视觉和听觉。

3) 对虚拟环境进行制作。主要通过3DMAX进行三维空间建模，利用立体显示技术获得具有空间深度和维度信息的图像，导入Unity 3D中完成第一人称视角的游览、各种物品交互及场景跳转等交互的制作。此外，系统还可以通过Web自动化错误检测技术对制作的系统进行错误检测，如功能丢失、接口错误和数据结构错误等行为测试，确保运行过程中的流畅性与体验感。

2.2 交互展示的实现

在完成数字孪生模型的重建制作后，需要将项目发布到虚拟网络中进行交互，以验证系统的实际效果。选用WebGL技术在较为轻量的JavaScript脚本语言中完成交互连接。在构建适用于Web的内容时，一方面系统可能需要与网页上的其他元素进行通信，另一方面可以使用Unity当前在默认情况下未公开的Web API 实现功能。因此在交互制作中，Unity需要直接与浏览器的JavaScript引擎连接。在Unity中完成显示与交互制作后，Unity对象需要转换为WebGL文件与浏览器脚本交互，如图4所示。Unity使用emscripten编译器工具链交叉编译为asm.js JavaScript。使用Unity发布WebGL需要与Js进行交互通信，主要包括使用jslib与前端js代码进行交互和Web前端对Unity的调用。UnityScript即WebGL需要完成在场景中添加脚本并初始化，实现对Web的消息发送和接收。JavaScript即Web需要进行消息监听并发送消息给WebGL[13]。

图4 Web GL的交互

数据库的操作主要是通过阿里云服务器中建立的MySQL数据库搭建IIS网站服务器并部署WebGL项目。在MySQL数据库的数据传输过程中，需要一个源数据库ECS和一个目标数据库RDS。首先，在本地的Navicat下建立阿里云连接，远程登陆到源数据库中，对比源数据库中的资源信息。其次，需要通过SSH方式登陆到阿里云管理控制台，建立目标数据库。最后，在开放的制定端口号下，连接MySQL数据库，使用数据传输服务，实现ECS自建数据库迁移到目标数据库RDS。

Unity-WebGL与html页面相互调用是将JavaScript源包含到文件中，直接从脚本代码中调用这些函数[14]。为了访问WebGL中的纹理，emscripte提供了GL.textures数组，其将Unity中的原生纹理id映射到WebGL纹理对象。WebGL函数可以在emscripten的WebGL中的GLctx上调用。在Web前端调用Unity，则需要从浏览器的JavaScript向Unity脚本发送数据或通知。该系统可以从嵌入在项目中的JavaScript插件进行调用。但是，如果线程中从嵌入页面的全局范围调用内部JavaScript函数，则必须在WebGL模板index.html中使用unityInstance变量。在Unity引擎实例化成功之后执行此操作。因此，脚本交互中通常使用myGameInstance. SendMessage()向构建模块发送消息，访问构建模块对象。

3 虚拟校史馆的效果呈现

3.1 个性化漫游交互服务

为了验证数字孪生系统与共享服务理念的可行性，对现存校史馆进行了虚拟构建和个性化服务系统的设计。允许访客通过登录浏览器进入网上虚拟校史馆的主页或者通过智能终端设备进入微信公众号。访客可以在参观之前选择适合自己的漫游方式，同时可以根据自己的兴趣爱好选择热点标签。系统可以根据访客的特点和所选的热点标签规划一条适合该访客的游览路径。因此，虚拟校史馆的虚拟漫游功能是根据不同的访客参观需求设计的，访客可以自己去寻找热点信息，这使得文化信息可以通过互动的数字创意方式被个人重新发现和体验。

大部分展品是通过摄影测量采集的，部分展品是通过网络链接获取的。系统通过虚拟展板对不同的展品信息进行个性化展示，为不同的访客提供了多元化的信息传输。信息的展示形式主要有文字、图片相册、画卷、音视频和热点链接等方式。根据不同的展品形式，支持不同的表现形式，能够实现对学校相关文化内容的了解，展示更多关于文化物品故事的情感和独到的见解。系统还提供诸多个性化的小型博客和讨论区，具有易用性和拓展性。后台人员则可以通过Unity平台将更新数据上传至阿里云的MySQL数据库中，真正做到及时更新、及时共享。

3.2 多视角多场景交互服务

系统提供多场景和多视角的界面交互功能，包括场景交互和视角切换。通过在HTML5中添加定位控件，系统在监控到“Click”操作后，可在浏览器中自动定位地理位置，实现360°环境交互功能。虚拟校史馆采用的移动模式是点到点的传送，系统配置了多个通往不同场景的网关，每个场景都配置通往其他场景或返回主界面的网关，通过网关切换即可实现场景的传送，多视角展示效果如图5所示。

图5 多视角展示

除了校史馆内的场景轮换，虚拟校史馆中增设了校园的720°全景展厅，并对部分网红打卡的热点景区，如校训石、雕塑等设置了链接，访客可以根据自己的兴趣爱好点击浏览详细的景点信息。系统配置了多屏互动、VR视角和全景视角等多种浏览方式，提供丰富的视觉体验。除此之外，系统可以实现锚点添加、语音播报和后台管理等功能，更好地服务于用户的交互式文化体验。

4 结语

通过数字孪生技术为公众访客提供了一种基于个性化服务理念的虚拟校史馆共享平台。该系统利用Unity3D与3DMAX组合的软件配置，对实体校史馆进行建模显示与交互制作，并通过美工制作与纹理贴图使得虚拟校史馆更具有真实性。通过系统验证，虚拟校史馆实现了个性化漫游交互、个性化服务展示、多场景界面交互和多视角展示等功能。作为以共享服务理念建设的虚拟校史馆平台，系统还应在教育服务、方案活动、评价或管理模式[15]等方面做更多的改进和完善。数字孪生技术与共享服务设计理念相融合的虚拟校史馆系统让公众感受到更便捷、更舒适和更有趣的个性化服务，在观展方面有更好的交互体验，有助于校史馆通过数字孪生的技术手段提高管理效率。