革命文物三维模型展示设计评价指标体系构建与应用研究

蒋振，蒋超*，铁铮，燕耀，俞琳

革命文物三维模型展示设计评价指标体系构建与应用研究

蒋振1，蒋超1*，铁铮2，燕耀3a，俞琳3b,4

（1.安徽财经大学 艺术学院，安徽 蚌埠 233030；2.故宫博物院，北京 100000；3.西安工程大学 a.新媒体学院 b.服装与艺术设计学院，西安 710048；4.西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072）

设计评价是设计质量提升的重要手段，为提升革命文物三维模型展示效果，对其设计评价指标体系进行构建研究与应用验证。首先，利用Nvivo软件进行文献分析，结合人工解读和补充，实现初步评价指标体系的构建；其次，运用德尔菲法和两轮问卷调查对初步拟定的指标体系进行筛选、优化和增设；再次，采用层次分析法对各指标权重进行计算赋值；最终，构建完成了一套具有4个一级指标、12个二级指标、36个三级指标的评价指标体系，并通过实际项目对所提出的评价指标体系进行应用验证。对9款“马灯”文物三维模型展示设计实例进行了评价应用实践，完成了方案的排序优选和进一步优化。通过问卷调查将优化后的结果与原设计方案进行再次比较，验证了优化后的结果相较于原有方案在设计质量上得到提升，与用户主观评价结果具有良好的一致性。故所构建的评价指标体系科学、有效，具有良好的可操作性，能够帮助设计师进行设计方案的筛选，并提供明确的优化方向。

评价指标体系；设计评价；三维模型展示；革命文物

自2018年始，中共中央办公厅、国务院办公厅《关于实施革命文物保护利用工程（2018—2022年）的意见》、国家文物局与财政部联合印发的《关于加强新时代革命文物工作的通知》相继出台，明确提出“要合理运用现代科技手段加大革命文物数字化展示与传播”[1]。2021年3月，习近平总书记再次对革命文物作出重要指示，进一步阐明了新时代革命文物展示工作的重大意义。

目前，革命文物数字化展示通常基于VR（Virtual Reality）、AR（Augmented Reality）、数字孪生（Digital Twins）等多种数字技术开展，主要采用“虚拟展厅展示”和“三维模型展示”两种展示形式。其中，“虚拟展厅展示”因其内容全面、体验真实，已在革命文物数字化展示中得到了较好应用。如宁夏博物馆推出的“红旗漫卷——宁夏革命文物陈列”虚拟展馆；中国人民抗日战争纪念馆推出的“烽火印记——北京抗日战争主题片区特展”虚拟展厅；安徽博物院推出的“烽火江淮——安徽革命史陈列”数字展厅等。而革命文物“三维模型展示”由于早期技术与配套生态不成熟，长期以来未得到广泛运用。近年来，随着信息技术的不断发展和进步，一方面，“三维模型展示”的功能模块现已得到极大拓展（如增添了音视频播放、动画演示、交互互动等功能），展示效果大幅提升；另一方面，“三维模型展示”因其具有“轻量化”[2]“易传播”“能够更好地适应大众在现代快节奏生活下新的阅读和浏览习惯”等突出优势，使其再次获得行业关注并受到青睐，成为当下文物传播矩阵中关键的因素之一。

对相关研究进行梳理发现，文物三维模型展示现有研究多集中于技术和开发方面[3-4]，相应的设计评价还鲜有讨论。然而，设计评价是设计工作不可或缺的重要环节，它能够有效辅助设计师筛选设计方案，提升方案质量。因此，文物三维模型展示设计评价研究具有极强的实用意义。进一步研究发现，虚拟博物馆在本体设计、游览体验、服务质量等方面已有较多讨论，这为三维模型展示设计评价提供了思路启发和借鉴。如在虚拟博物馆的本体设计研究方面（包括界面、功能、交互等），裴卉宁等[5]以对称度、密集度、简洁度、次序度、优势度作为评价指标，提出一种融合视觉认知特征的虚拟博物馆界面布局设计美度评价方法，并进行了实例验证；Tromp等[6]通过用户角色模型（Personas）、认知过程走查法（Cognitive Walkthrough）、启发性评估（Heuristic Evaluation）三种方法，对交互式博物馆虚拟展厅应用程序的可用性进行了评估；Barbieri等[7]以意大利“布鲁蒂人与海洋博物馆”作为主要研究对象，基于用户研究对多个交互设计方案进行了评价、筛选、优化；Moien等[8]运用定性比较法（Qualitative Comparative Method）对虚拟博物馆的功能设计进行了评估；Kabassi等[9]采用模糊多准则决策模型从直观性、易用性、即时性三个方面对虚拟博物馆的可用性进行了评估。在虚拟游览体验评价方面，Kabassi等[10]综合利用FAHP（Fuzzy-Analytic Hierarchy Process）和TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）对意大利博物馆的虚拟游览体验进行了评价；Juan等[11]通过考察用户的“存在感”（Sense of Presence），对多种虚拟现实技术进行了评价和比较。在服务设计和质量评价方面，铁铮等[12]提出了一种基于用户满意度的虚拟博物馆服务设计评价方法，实现了陕西韩城古代建筑壁画虚拟博物馆设计方案的筛选和优化；Byeon等[13]构建了一款专门针对虚拟博物馆服务质量的量表——MuseumQual，并以此作为评价工具对韩国等多个国家的虚拟博物馆进行了评价实践。

为进一步提升革命文物三维模型展示设计的质量与效果，本文拟对革命文物三维模型展示设计中的关键因素进行分析，从内容设计、功能设计、界面设计、交互设计四个方面构建具有设计指导意义的革命文物三维模型展示设计评价指标体系，并基于层次灰色关联分析和实际案例对评价指标体系的有效性和可用性进行应用验证。

1 评价指标体系构建

革命文物三维模型展示设计评价指标体系的构建主要采用德尔菲法（Delphi Method）和层次分析法（Analytic Hierarchy Process）。德尔菲法（又称专家调查法）是一种通过匿名提出问题、咨询专家意见，经过多轮反馈与集中讨论，最终得出一个一致且可靠的结论或方案的方法。层次分析法是一种多目标决策分析方法，主要是将一个主要目标分解为多个次要目标，再下分为若干要素，通过比较两两指标之间的相对重要程度，建立判断矩阵，计算最大特征值与对应的特征向量，以确定各要素或方案的权重层次。在革命文物三维模型展示设计评价指标体系的构建过程中，德尔菲法用于设计评价指标的确立，层次分析法用于指标权重的计算。

1.1 评价指标体系的初步构建

利用中国知网（CNKI）对“革命文物”“三维模型展示”“3D展示”“虚拟展示”“虚拟博物馆”“数字博物馆”“展示设计”等关键词进行学术期刊、硕博论文、会议论文检索，共得到有效文献291篇。同时，在全球引文数据库Web of Science对“Virtual Museum”“3D Display”“Three-dimensional Exhibition”“Display Design”等词进行了检索，得到有效文献共计135篇。

将文献导入Nvivo软件进行词频分析，剔除无意义高频词汇，剩余频次较高的词汇包括“界面”“交互”“虚拟”“模型”“设计”“信息”等。一方面考虑到所选出的高频词汇含义抽象，另一方面为避免遗漏重要词汇，采用人工阅读的方式对Nvivo软件统计出的词汇进行进一步解读和补充。具体步骤如下：1）组建研究组（包括相关领域副教授3名、博士生2名、硕士生6名）；2）对Nvivo软件导出的词汇进行解读和诠释；3）挖掘未涵盖的重要词汇并进行补充，如“体验”“加载”等；4）进行多次组内研讨，将所搜集到的词汇进行整理、分类、归纳，从而建立起包括4个一级指标、12个二级指标、37个三级指标的革命文物三维模型展示设计评价初步指标体系，如表1所示。

表1 革命文物三维模型展示设计评价指标体系

Tab.1 Evaluation index system of 3D model display design of revolutionary cultural relics

表1（续）

1.2 指标体系优化与最终确立

1.2.1 编制咨询问卷

为进一步优化和完善评价指标，编制相关咨询问卷。对咨询问卷做两点说明：一是采用五级李克特量表对指标重要度进行衡量，具体量表如表2所示；二是在咨询问卷中设置“主观建议和意见填写处”[14]，以便专家对评价指标进行补充和修改。

表2 重要度五级李克特量表

Tab.2 Five-level Likert scale of importance

1.2.2 咨询专家筛选

由研究团队对虚拟博物馆、文物陈列与展示、展示设计等相关领域专家的资质进行严格筛选，筛选的关键因素包括工作经验、逻辑推理、行业了解、直观感觉及对该领域的熟悉程度。为提升筛选的科学性，研究团队参考相关文献[15]采用判断依据系数a与熟悉程度系数s的量化处理方法，并将其组合形成专家权威系数r，以便进行筛选，筛选条件为“专家权威系数r≥0.70”[15]，计算公式为r=（a+s）/2，r∈[0，1]。其中，r值越高表示该专家权威性越高。

专家权威系数具体计算过程及结果如下：首先，分别构建判断依据系数a量表和熟悉程度系数s量表（表3～4）。其次，根据判断依据系数a和熟悉程度系数s两个量表对专家进行权威度评价，评价结果见表5。最终，遴选出15名专家（全部专家的专家权威系数r均大于等于0.75，符合遴选条件）。

表3 专家判断依据系数量表

Tab.3 Scale of Ca

表4 熟悉程度系数量表

Tab.4 Scale of Cs

表5 专家权威系数计算结果

Tab.5 Calculation results of Cr

表5（续）

1.2.3 德尔菲Ⅰ轮咨询问卷发放与回收

C.V值越大，则专家意见差别越大。一般认为，C.V值大于0.25[16]，表示专家意见不统一，该项指标未通过一致性检验。经过计算，“场景能够切换”指标的C.V值为0.31，大于0.25，未通过一致性检验，故对其进行删除。根据咨询问卷结果，增添“防止用户误操作或误操作后易于复原”“交互操作方式简单，符合用户经验或易于理解”两项三级指标，并对描述模糊的个别指标进行修正，最终形成一套包含4个一级指标、12个二级指标及36个三级指标的评价指标体系。

1.2.4 德尔菲Ⅱ轮咨询问卷发放与回收

根据新得到的指标体系编制Ⅱ轮咨询问卷并再次发放和回收，本轮共发放咨询问卷15份，回收咨询问卷15份，有效回收率100%。对咨询问卷结果进行统计和计算，全部指标重要度均大于3.50，变异系数C.V均小于0.25，故全部指标均可保留。对肯德尔（Kindle）协调系数进行计算，本轮肯德尔协调系数=0.46。一般认为，∈[0.40，0.50]表示协调性较好，可以停止咨询问卷发放[17]。

1.3 指标权重的确立

1.3.1 评价指标体系建立

通过上述步骤，建立了包含“内容设计”“功能设计”“界面设计”“交互设计”4个一级指标，“本体展示”“关联展示”“基础功能”“拓展设计”等12个二级指标和“革命文物选取能够较好地表达展示主题”“革命文物三维模型质量高，包括模型误差小、纹理真实、光影自然等”“革命文物三维模型展示完全、重点突出”“相关资料完整全面、精炼易懂”等36个三级指标的评价指标体系，如表6所示。

表6 革命文物三维模型展示设计评价指标体系

Tab.6 Evaluation index system of 3D model display design of revolutionary cultural relics

表6（续）

1.3.2 Ⅲ轮咨询问卷发放与回收

为确定各个指标的权重，设计并发放革命文物三维模型展示设计评价指标权重Ⅲ轮咨询问卷，采用1～9标度方法对各项指标进行两两比较打分如表7所示，部分数据如表8所示。本轮共发放咨询问卷15份，回收咨询问卷15份，有效回收率100%。同时，基于SPSSPRO软件对Ⅲ轮咨询问卷结果中一致性指标CR和各项指标权重进行计算。其中，CR值小于0.10，即通过一致性检测。

表7 1～9标度方法

Tab.7 1-9 scaling method

革命文物三维模型展示设计评价指标权重整理如表9所示。从表9的统计数据可以看出，革命文物三维模型展示设计评价一级指标的权重从高到低排序依次为：内容设计、界面设计、交互设计、功能设计。内容设计下的二级指标权重从高到低排序依次为：本体展示、关联展示。界面设计下的二级指标权重从高到低排序依次为：布局设计、色彩设计、图标设计、文字设计。交互设计下的二级指标权重从高到低排序依次为：操作设计、等待设计、提示设计、视听设计。功能设计下的二级指标权重从高到低排序依次为：基础功能、拓展功能。由于篇幅有限，三级指标不再过多展开。

表8 重要度判断矩阵（部分数据）

Tab.8 Judgement matrix of importance (partial)

2 应用验证

2.1 方案选取

选取9款马灯文物三维模型展示设计方案作为评价指标体系应用和验证的实例，马灯文物如图1所示。设计方案选自“红色江淮”主题革命文物数字化展示设计项目，由3名艺术设计研究生完成，如图2所示。

表9 革命文物三维模型展示设计评价指标权重

Tab.9 Weight of evaluation index for 3D model display design of revolutionary cultural relics

图1 马灯文物

图2 马灯三维模型展示设计方案

2.2 方案评分

由于评价打分在一定程度上依靠专家的主观性，为了让专家更好地进行评分，在专家进行评价前，研究团队已将项目的背景、目的、主题等相关信息告知专家组15位专家成员，以帮助专家更好地把握评价内容、衡量设计质量。15位专家成员利用评分表（如图3所示）对9款展示设计方案进行逐项打分。评分表中的评价项目依照表5中的评价指标体系进行设计，方案评级采用五级李克特量表“优秀、良好、中等、合格、不合格”，分别对应“5分、4分、3分、2分、1分”。

2.3 评分计算

对多种评价计算方案进行比较，最终选取层次灰色关联模型作为本文的评分计算方法[18]。对其计算过程简要描述如下：

设方案数量为，评价指标数量为，则待评价方案可表示为：

选取各指标最大得分构成参考方案，参考方案可表示为：

则第个方案与参考方案在第个指标上的灰色关联度系数为：

图3 方案评分表

表10 部分评分数据

Tab.10 Partial scoring data

式中：=1,2,…,；=1,2,…,。分辨系数一般取0.5[18]。

更高层次的方案关联度可同理类推。

2.4 计算结果

利用Matlab软件进行算法编程，并导入表11中的评分数据，计算出9款方案的灰色关联度值如表11所示。其中，方案E关联度值最大（0.806），故为综合最优方案。然而，方案E在指标“21”“22”“23”等方面，仍有提升和优化空间，故对单项指标最优方案进行统计（如表12所示）。

对表13进行分析，1）方案A在首页右上方设置语音讲解提示框，其色彩和位置突出，提示内容精炼易懂，因此，在指标“21”“22”“23”上得分较高，此外，该方案在对马灯文物进行旋转展示时，速率参数设置合理，符合人眼观看习惯，在指标“32”上亦有良好表现；2）方案G图标设计美观精致、风格统一，且图标设计语义明确、易于理解，故在指标“32”“33”上有着亮眼表现；3）方案H在页面加载过程中设置了文字和图片信息，在一定程度上缓解了用户在加载等待过程中所产生的“消极”情绪，故该方案在指标“12”上得分较高；4）方案C的交互反馈具有较好的“流畅度”（同步性和连续性），在指标“33”上得到较高评分。

表11 全部方案关联度值

Tab.11 Relevance values of all schemes

表12 单项指标最优方案

Tab.12 Optimal scheme for individual index

2.5 方案优化

由于设计实例采用模块化设计，各设计模块可以实现拓展、删除、修改等操作，故依据表13分析结果对方案E进行优化，将优化后的方案E重新命名为方案E+如图4所示。方案E的具体优化内容如下：1）针对指标“21”“22”“23”方面的不足，在方案的展示页面右上角添加语音讲解图标，并设置形式突出的提示框与精炼易懂的提示内容，以更好地引导用户进行相应的操作；2）针对指标“32”方面的不足，参照方案A调整其文物模型旋转速率参数；3）针对指标“32”“33”，借用方案G的图标系统；4）针对指标“12”方面的不足，移植方案H的加载页面设计方案；5）针对指标“33”方面的不足，优化方案E的交互反馈设置，提升其反馈的同步性和连续性。

2.6 评价验证

为验证本文所提出的评价指标及相应方法的有效性，采用问卷调研的形式，检验用户主观偏好与本文评价结果之间的一致性。本轮随机发放问卷541份，有效回收问卷537份，回收率99.26%。从问卷结果可知，方案E+投票占比82.31%，也是用户主观选择的最优方案。

图4 方案E+

3 结语

本文基于大量相关文献分析，综合运用德尔菲法和层次分析法，以革命文物三维模型展示设计为研究对象，构建了一套革命文物三维模型展示设计评价指标体系，该体系具有良好的实用性和可操作性。经验证，其不仅能够辅助设计师进行方案的评价和筛选，还能够为方案的深入和进一步优化提供明确方向，可以有效提升革命文物三维模型展示质量，促进发挥革命文物在提供公共文化服务、满足人民精神文化生活需求、涵养社会主义核心价值观等方面的作用。需要说明的是，评价指标体系在指标量化评估方面还存在一些不足。如在等待设计、提示设计、视听设计等指标方面，本文采用了“李克特量表+专家评估”的方式，这种方法虽然具有方便、敏捷、低成本等优点，但在评价结果上具有一定的主观性。在相似的研究中，也可以采用实验法等更加准确的量化评价方法。

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Construction and Application of Evaluation Index System for 3D Display Design of Revolutionary Cultural Relics

JIANG Zhen1, JIANG Chao1*, TIE Zheng2, YAN Yao3a, YU Lin3b,4

(1. School of Art, Anhui University of Finance and Economics, Anhui Bengbu 233030, China; 2. The Palace Museum, Beijing 100000, China; 3. a. New Media College, b. Apparel and Art Design College, Xi'an Polytechnic University, Xi'an 710048, China; 4. Key Laboratory of Modern Design and Integrated Manufacturing Technology of the Ministry of Education, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

Design evaluation is an important means to improve design quality. In order to promote the display effect of 3D models of revolutionary cultural relics, the work aims to study the construction of the design evaluation index system and verify its application. Firstly, the preliminary evaluation index system was constructed through literature analysis by Nvivo software and manual interpretation and supplement. Secondly, the preliminary index system was screened by Delphi method and two rounds of questionnaire surveys. Thirdly, the index weight was calculated via analytic hierarchy process. Finally, a set of evaluation index system with 4 first level indexes, 12 second level indexes and 36 third level indexes was established and verified in an actual project. The 3D model display design of 9 "baron lantern" cultural relics was evaluated and applied and the ranking of the schemes and further optimization were completed. At last, through the questionnaire survey, the optimized results are compared with the original design scheme again, and it is verified that the optimized results improve the design quality compared with the original scheme, and have good consistency with the subjective evaluation results of the users. Therefore, the evaluation index system constructed is scientific, effective, and has good operability, which can help designers screen design schemes and provide a clear optimization direction.

evaluation index system; design evaluation; 3D model display; revolutionary cultural relics

TB472

A

1001-3563(2024)08-0121-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.014

2023-11-23

安徽省高等学校省级质量工程项目：三维扫描与虚拟展示实验教学（2022xnfzkc001）；安徽财经大学研究生科研创新基金：面向多媒介融通设计的安徽革命文物数字化保护研究（ACYC2022260）

通信作者