“福州古厝”数字博物馆平台研究

李莉

(福州市勘测院有限公司，福建 福州 350108)

1 引 言

随着我国数字化技术的快速发展，我国的博物馆建设进入了新的发展阶段，数字化博物馆建设逐渐成为人们广泛关注的热点[1，2]。数字化博物馆可以实现博物馆文物资源与数据资料的统一存储、管理与共享，提高博物馆数字化水平，增强博物馆的陈列展览能力，优化用户的观展体验，提升用户与展品之间的互动性[3，4]。

当前，国内建立了很多不同主题的数字博物馆[5～7]，如，山西省非物质文化遗产数字博物馆[5]、中国传统村落数字博物馆[6]、数字故宫[7]。另外，很多学者也提出了数字博物馆的建设[4，8～10]，如，高晨彤提出了数字博物馆云平台的整体架构及四类业务功能，开发了具体的业务功能微服务模块[4]。李新国提出了数据库设计和湘语数字博物馆系统基础架构[8]。黄妍等调研了浙江省现存古桥、古堰，提出了基于“互联网+”的浙江古桥古堰数字博物馆[9]。但当前很多数字博物馆主要以文字、图片或视频的形式来展现博物馆内容，体验感和沉浸感差[11]。而VR技术、三维建模技术等应用于数字博物馆的建设有助于多感官、多层次和立体化的方式展现博物馆内容，易于实现与用户的交互，从而增强用户体验感[11～15]，如，李哲等以江西流坑村、浙江胡卜村等为例，利用三维数据展示了村落智慧[12]。吴成浩探讨了八大山人数字博物馆虚拟展示建设的可行性，提出了利用虚拟现实和增强现实技术建设八大山人数字博物馆实感交互的方案[13]。

福州具有2200多年的建城史，1986年被国务院列为第二批国家历史文化名城，孕育了海纳百川、底蕴深厚的闽都文化，也造就了黛瓦相连、独具特色的古建筑群。古建筑是构成福州历史文化名城的要素之一[16，17]。本文基于福州历史文化名城保护和利用成果，利用倾斜摄影、激光点云、三维建模、全景VR等高新技术赋能中国传统文化，对福州市国家文物保护单位、省级文物保护单位等福州古厝和世界文化遗产申遗片区开展数字化建库、开发“福州古厝”数字博物馆平台，将福州古厝搬到云端，赋予古厝全新生命力，让古厝真正“活”起来、“亮”起来，满足公众、游客足不出户在线观展需求。

2 古厝数字博物馆数据库设计

福州市古厝数字博物馆由空间基础数据库、古厝全景影像数据库、街区三维场景精细模型数据库、古厝文化元素数据库和系统业务数据库组成。运用全景VR、无人机航摄、三维建模、三维场景实时渲染技术，构建福州古厝数字博物馆数据库，如图1所示。

图1 古厝数字博物馆数据库组织结构

2.1 空间基础数据库

空间基础数据库由切片电子地图数据库与定位数据库构成，由福州市政务版地理信息公共平台生产建设，通过在线地图数据服务对外共享使用。切片电子地图数据库的数据内容包括矢量电子地图数据与影像电子地图数据，可作为信息化空间背景参考基础数据。数据内容主要包括居民地及设施、交通、水系、植被与土质、注记等。定位数据库的数据内容包括热点及路网等基础性空间查询定位数据，可用于信息化空间查询与定位等操作。

2.2 古厝全景影像数据库

采用360全景技术，建设福州市范围内共计80处古厝与19处特色历史文化街区的全景影像数据库，包括高空鸟瞰全景影像、地面室内外全景影像、全景影像热点信息等内容。古厝全景影像数据库由古厝空中全景影像数据库、古厝地面全景影像子数据库、古厝全景热点信息数据库构成，如图2所示。

图2 古厝水榭戏台全景影像

2.3 街区古厝三维精细模型数据库

街区古厝三维模型数据库以福州市现有三维模型数据库为基础，建设两处历史文化街区、5处重点古厝范围内的三维精细模型，并采用三维渲染技术进行渲染，提升场景视觉效果。街区古厝三维模型数据库依据是否用于可视化表现可以分为源数据分库和表现分库。源数据分库又根据要素分为地形、建筑物、交通、场地和水系、植被以及其他等六个模型子库，各模型子库存放原始三维模型，每个模型含有几何和纹理两类信息。表现分库也按要素分为地形、建筑物、交通、场地和水系、植被及其他等六个模型子库，各模型子库存放用于三维可视化表现的模型，每个模型通过唯一编码与原始三维模型一一对应，并含有LOD1、LOD2、LOD3三个不同表现细节层次等级的模型(图3)。

图3 街区古厝三维模型

2.4 古厝文化元素数据库

古厝文化元素数据库与古厝全景影像数据、古厝三维场景数据库共同构成完整的古厝展示数据体系。古厝空间影像数据库是古厝风貌格局直观展示，古厝文化元素数据是古厝所承载的历史文化的凝练。古厝文化元素数据库内容包含古厝文字、语音、音乐、图片、视频等(如图4所示)。

图4 古厝文化元素数据库

2.5 系统业务数据库

系统业务数据库指平台上线运行后产生的业务数据，包括文创、学术、活动等模块产生的业务数据，这些数据来源主要为管理用户通过运营运维管理系统发布的数据，社会公众通过数字博物馆网站PC端、手机端填写的数据，以及古厝全景发布系统产生的数据管理信息。

3 数字博物馆平台系统功能设计

“福州古厝”数字博物馆平台由基于Web端、移动端、触屏端的线上、线下集合式搭建形成，由“福州古厝”数字博物馆网站(中文版、英文版)、“云古厝”手机端、“福州古厝”数字孪生系统、“福州古厝”全景数据发布系统、平台运维运营管理系统五个子系统组成(图5)。

图5 系统总体结构图

“福州古厝”数字博物馆网站：是福州古厝对外展示和互动的主窗口、官方网站，包含中文版、英文版两个版本，功能模块由首页、地图、街区、古厝、活动、文创、学术、教育、关于九个一级功能模块组成，一级模块下设若干个二级功能模块。

“云古厝”手机端：借助强大的移动互联网技术，通过“云古厝”H5网页版、e福州古厝数字博物馆专栏两种方式进行古厝的宣传和展示。“云古厝”H5网页版包含首页、地图、古厝、文创、互动、我的六个模块，e福州App“古厝数字博物馆”栏目包含搜索、场馆快捷入口、场馆全景调用等功能模块。

“福州古厝”数字孪生系统：线下古厝三维互动展示平台，通过多媒体、多感官、多维度的交互技术，给用户带来深度沉浸式的文旅体验。系统包含3D互动操作、坊巷格局、古厝文化、非物质文化遗产、室内全景、平面导览图、特效设置、自动导览、系统设置九个功能模块(如图6所示)。

图6 “福州古厝”数字孪生系统

“福州古厝”全景数据发布系统：为福州古厝全景影像发布提供基础平台，系统包含场馆管理、场景发布管理、全景信息处理、全景热点管理、电子沙盘管理、多媒体数据管理、古厝二维码管理七个功能模块。

平台运维管理系统：“福州古厝”数字博物馆网站及手机端的运维系统，活动、文创、学术、教育等模块的运营运维管理系统。包含统一登录管理、用户管理、密码及安全管理、日志管理、活动发布管理、文创成果发布管理、交流互动管理、流量统计分析、数据备份管理九个功能模块。

4 关键技术

(1)UML统一建模

统一建模语言(UML是Unified Modeling Language的缩写)是用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言，是为面向对象开发系统的产品进行说明、可视化和编制文档的一种标准语言。UML展现了一系列最佳工程实践，这些最佳实践在对大规模，复杂系统进行建模方面，特别是在软件架构层次已经被验证有效。UML可以贯穿软件开发周期中的每一个阶段，被OMG采纳作为业界的标准。UML最适于数据建模，业务建模，对象建模，组件建模。UML作为一种模型语言，它使开发人员专注于建立产品的模型和结构，而不是选用什么程序语言和算法实现。当模型建立之后，模型可以被UML工具转化成指定的程序语言代码。

(2)微服务架构

微服务架构是一项在云平台中部署应用和服务的新技术，近一两年来发展迅速，它提倡将单一应用划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，每个服务运行在独立的进程中，服务间采用轻量级通信相互沟通。与传统的单一应用架构相比，微服务架构在大型应用系统的开发、测试、部署等多个方面优势明显，是当前大数据、云计算、物联网平台等众多高新技术领域的新宠。本平台采用微服务架构，主要解决系统的高并发性能和系统扩展性问题。本平台要求在架构上必须能够支撑多人同时使用系统，即满足大并发访问的需求。而解决这一问题的最有效的方法即是为某个大并发访问服务开启多个实例，通过负载均衡方式进行合理分流，以应对大并发访问。与传统的“巨块”程序架构相比，微服务架构的核心在于服务，每个服务可以单独部署，并且可以按需开启多个，可完美地解决系统的高并发访问。

另外，考虑到未来基于数据的应用可能有很多很多，提供易于功能扩展的系统架构，以支撑未来对现有功能的调整和新功能的增加。微服务架构是一个高伸缩性的架构，新功能的增加，在微服务架构中就体现为增加几个服务，开发人员只需要开发新应用的几个服务就可以了，可专注业务，进行独立开发、测试和分发，不影响之前的服务，特别是在系统规模越来越大时，使用微服务架构，不会出现“牵一发而动全身”的不可控局面，非常方便功能的扩展和调整，优势非常明显。

(3)面向服务的架构(SOA)

面向服务架构(SOA)是一种应用框架，它着眼于日常的业务应用，并将它们划分为单独的业务功能和流程，即所谓的服务。SOA使用户可以构建、部署和整合这些服务，且无须依赖应用程序及其运行计算平台，从而提高业务流程的灵活性。这种业务灵活性可使企业加快发展速度，降低总体拥有成本，改善对及时、准确信息的访问。SOA有助于实现更多的资产重用(整合旧系统)、更轻松地管理和更快的开发与部署。

基于HTML5的前端框架，并应用一套皮肤、骨骼、结构相分离的模块化样式体系和前端组件包。采用面向服务的架构(SOA)，基于插件式的模块开发，增强了系统的扩展性、可维护性。

采用面向服务架构(SOA)的设计思想，构建包含标准体系、技术体系、业务体系、数据体系、应用体系、安全体系的“一体化”集成框架，总体架构基于层次化设计思想，以实现不同层次间的相互独立性，保障系统的高度稳定性、实用性和可扩展性。

(4)基于XML的信息交换

XML是基于WebServices的SOA实现的核心，关于XML的规范是Web服务规范标准的基础。XML具有强大的自描述能力，在各种层次、各种技术路线的系统间的数据交换时发挥巨大的作用。

(5)基于UE4的三维场景实时渲染技术

当前GIS应用基本以2D为主，3D化后都流行基于当时的开源渲染引擎诸如OsgEarth、CesiumJS等为基础开发自研引擎平台，对三维显示效果和交互要求并不高。本文在使用GIS数据来构建超大规模的数字场景时，尝试引入UE4引擎。UE4即第四代虚幻引擎，是一个实时渲染引擎平台，通常用于游戏场景构建、电影特效制作。在基于UE4引擎中的三维模型可视化相比传统三维的可视化再次提高了一个层次，创建以用户为中心的体验模式，根据用户的即时想法和需求，自主选择到项目中，动态实现了实时光影、动态效果、沉浸式展示等多项功能的设置研发，解决了多项传统规划三维模型展示的技术盲区，提高整体三维渲染效果，带来了多种沉浸式体验以及交互效果的智能技术，大大提升视觉效果的逼真度和运行流畅度(图7)，为后续的高质量三维展示发展提供一定的基础积累。

图7 基于UE4的三维模型可视化对比

(6)三维场景LOD(多细节层次)技术

针对不同的城市分块模型，需要有合理的层级组织，以达到理想的渲染效率。场景分级组织对于模型生成不同的细节程度，以符合从近到远的渲染需求。每个细节程度的层级，分别需要设置不同的加载距离，当渲染摄像机距离超过设置距离时，则隐藏高细节程度的模型。

(7)实时光线追踪技术

与传统的扫描线或光栅化渲染方式不同，光线追踪(Ray tracing)是三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从摄像机发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。相比于传统方法的扫描线技术，实时光线追踪技术有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以当追求高质量的效果时经常使用这种方法(图8)。

图8 开启和关闭RTX的对比图

5 结 论

本文运用全景VR、无人机航摄、三维建模、三维场景实时渲染技术，构建了福州古厝数字博物馆数据库，并搭建了基于Web端、移动端、触屏端的线上、线下集合式的“福州古厝”数字博物馆平台，实现了福州古厝空间数据资源的VR实景、三维虚拟场景展示与管理，为福州古厝建设与宣传提供了数据资源和分析决策支持，用信息促进福州古厝的保护和开发利用。以“一张图”的方式，实现了将福州古厝搬到云端，能满足公众、游客足不出户在线观展需求。创新了福州古厝展览展示手段，赋予了古厝全新生命力，加强了文化遗传宣传保护。实现古厝各类空间数据资源的共享共用，提升古厝数据的“传输”效率，实现福州古厝管理工作的“家底清”。