基于Java 与HTML5 的宁夏数字博物馆系统的设计与实现

0 引 言

随着数字信息处理技术的发展和互联网的普及，博物馆的发展迎来了新生[1]，数字博物馆已经逐渐成为现代博物馆的发展趋势。数字博物馆的研究内容主要集中在两个方面：一是如何利用计算机视觉的相关研究成果更好地数字化或者虚拟扩展实体博物馆场景与功能；二是着重于提升博物馆的外部服务方式与促进宣传效应。

在国外，较为突出的数字博物馆有法国卢浮宫数字博物馆、俄罗斯冬宫数字博物馆，两者在藏品搜索丰富度、数据库建立、虚拟现实技术的运用、传播范围等方面都比较完善，此外，俄罗斯冬宫数字博物馆还通过图像搜索技术将藏品生动逼真地呈现在用户面前。Shih⁃Hsien Chin 等人构建了博物馆广告图片管理系统[2]，用于宣传与科普文物知识，若其能实现藏品的三维虚拟展示，将会大大提高视觉效果。Wu Chuanmin 等人将Blaxxun/BS 多重纹理技术和模型简化技术与Maya 和VRML 相结合，创建了虚拟场景的3D 建模数据库，并且借助Java 编程技术重现3D 景观，达到了较好的视觉效果[3]。为了改善数字摄影测量的质量，Irene Aicardi 等人提出了典型的摄影测量方法与计算机视觉方法相结合的方法，但是在SFM 三维重建软件中处理图片有时会出现误匹配的问题[4]。文献[5]研发了基于Android 的在线博物馆应用程序并服务于雅典货币博物馆。N. Chivarov 等人开发了一个展示和推广文化遗产的应用平台，并且实现了通过移动设备读取QR 码与博物馆藏品互动的功能[6]。在文献[7]中，George Lepouras 等人在虚拟整合并呈现多个博物馆展品信息方面做了相关研究，涉及考古学、地质学、卫生学、法医学等领域，为游客提供足不出户就可以参观多个博物馆的机会。

从20 世纪90 年代起中国开始建设数字博物馆，经过十几年的发展，中国博物馆的数字化进程明显取得了实质性的进步，尤其是以故宫博物院、上海博物馆等为代表的数字博物馆的出现标志着我国数字化水平已经达到或接近发达国家[8]。陈邦泽等人通过三维激光扫描仪获得博物馆点云数据并采用3ds MAX 软件以点云为基础构建了博物馆的三维虚拟模型，然后将此模型导入虚拟现实平台（VRP）实现了交互式虚拟博物馆系统[9]，但该系统画面质感欠佳。朱晓东等人开发了西北大学考古数字博物馆，从系统结构、数据采集与存储、藏品展示等方面描述了开发数字博物馆的进程[10]，为大众提供了一个藏品信息服务中心，有助于文保及科研工作的开展。为了提升文物图像的色彩质量，刘琴结合三边滤波技术与二值限制函数[11]，在平滑图像的同时有效地保存了细节信息，为文物的虚拟再现提供了借鉴方法。在文献[12]中，陈强等人在提升文物图像质量方面做了进一步研究，其开发的文物图像虚拟再现仿真系统用于文物图像三维重建，为数字博物馆的建设做出了贡献。

宁夏回族自治区博物馆坐落于宁夏回族自治区银川市，据统计，该博物馆馆藏文物约4 万件，其中，国家一级文物有159 件，三级以上珍贵文物[13]多达4 000 余件，其中，以西夏文物居多，这为建设宁夏数字博物馆系统提供了坚实的物质基础，而且数字化技术、互联网技术、虚拟现实技术等的发展也为宁夏数字博物馆系统的建设提供了强大的支撑力量。因此，本文致力于开发对用户友好的基于Java 与HTML5 的宁夏数字博物馆系统，以信息化建设为核心，总体上划分为“本院总说、开放与导览、西夏时空、数字资料馆、学术天地、文化专题、宁夏出版”七大模块，方便博物馆数据管理并满足游客足不出户即可参观博物馆的需求，特别是在降低旅游成本的同时实现大范围的资源共享，有利于推动宁夏的经济与社会发展，提高民众文物保护意识与文化素养，在宣传宁夏特色的同时弘扬爱国主义精神。

1 基于Java 与HTML5 的宁夏数字博物馆系统

利用数字化技术、计算机技术等设计并实现了一个将宁夏回族自治区博物馆藏品、宁夏本地民族风情与人文旅游等内容通过网络展示出来的平台——宁夏数字博物馆系统。本文系统采用Java 作为底层软件设计，采用B/S 架构实现对文本、图片、音频等多种数据的管理，确保平台的稳定性与可靠性，可满足多级用户跨平台操作。客户端采用HTML5 编写，服务器端采用MySQL 数据库，应用服务器中间件采用Tomcat，Web 服务器采用Apache。系统功能划分为“本院总说、开放与导览、西夏时空、数字资料馆、学术天地、文化专题、宁夏出版”七大模块，如图1 所示。本文以“数字资料馆”与“开放与导览”两个模块为例说明本文系统的功能设计与实现过程。

图1 宁夏数字博物馆系统功能模块

2 数字资料馆模块

本文模块设计并实现了一个同时面向博物馆管理人员和游客，可实现双方交流、互动的平台——数字资料馆，分为建筑展示、博物馆藏品展示、书籍展示、西夏王朝发展史、民族风情、人文旅游等六部分，方便用户从多角度了解宁夏文化。

2.1 游客部分

2.1.1 主 页

数字资料馆的主页面由上面的标题栏、左侧的导航栏和中间的概述三部分组成，如图2 所示，整体色调呈暗色，寓意博物馆的庄重和富有文化内涵，游客可点击导航栏中的一级菜单或者中间概述部分进入下一层浏览界面。导航栏中的西夏王朝、民族风情和人文旅游模块设有二级菜单，可帮助游客直接定位到目标内容。

2.1.2 建 筑

建筑页面介绍宁夏博物馆的建筑特色，如图3 所示。若将鼠标放在建筑名称上即可显示该建筑图片。点击某个建筑名称，如“中阿之轴”，即可跳转到图4 所示“中阿之轴”页面，底部的更多影像模块多角度展示该建筑的美景，如图5 所示。为了提高体验感，字体大小可改变，可分享到微博。

图2 数字资料馆首页

图3 建筑主页面

图4 建筑——中阿之轴（一）

图5 建筑——中阿之轴（二）

2.1.3 藏品与书籍

本部分涉及藏品与书籍，展示形式主要为三维虚拟模型与二维图片相结合。鼠标悬停于藏品或书籍图片上方即可看到该图片对应的展品名称，点击图片即可通过链接跳转到其详细介绍页面。以藏品为例，图6 展示了藏品的主页面，点击藏品图片即可进入其详细介绍页面。并且，通过激光扫描、文物二维纹理照片采集、3ds MAX 纹理贴图等技术实现了对西夏文物的三维虚拟建模，然后存储成Web 3D 格式，供用户通过网页浏览，如图7 所示为西夏文物——“执壶”的三维虚拟展示图。

图6 藏品主页面

图7 藏品——“执壶”的三维虚拟展示图

2.1.4 西夏王朝

在我国历史上，西夏国是由党项人在中国西北部建立的一个统治政权，历经10 帝，共经189 年。在宁夏，西夏王陵、黑水城等遗址作为西夏历史文化遗存的代表，向人们述说着灿烂的西夏文明。本文系统在西夏王朝模块下设有二级菜单，从历史沿革、覆盖疆域、军事政治、经济发展、文化宗教、科学技术六个部分展开介绍西夏王朝历史文化。

2.1.5 民族风情

宁夏回族自治区是我国少数民族自治区之一，有着独特的民族特征。本文模块在民族风情模块下设有二级菜单，从回族简介、宗教习俗、饮食习惯、回族禁忌、服饰特色、传统节日六个部分介绍宁夏的民族特色。以回族简介为例，图8 展示了回族简介页面，在该页面加入了音频播放功能，主要代码如图9 所示。

图8 回族简介页面

图9 加入音频播放功能的主要代码

2.1.6 人文旅游

通过图10 可以明确每个景点的具体方位，图11 以图片的方式将宁夏5 个地市展示出来，鼠标悬停于图片之上即可显示对应地市的名称，点击图片即可获取对应地市的更多信息。以宁夏首府银川市为例，如图12 所示，首先映入眼帘的是对银川市的一个整体介绍；其次，页面底部内容由银川市的著名景点构成，鼠标悬停于景点名称上即可预览该景点图片，点击后即可进入介绍该景点具体情况的页面，如图13 所示为银川市著名旅游景点——“黄沙古渡”的简介。

图10 人文旅游主页面

图11 人文旅游主页面

图12 银川市旅游页面

图13 “黄沙古渡”景点介绍

2.2 管理员部分

管理员部分实现了管理员身份验证、管理展品信息的功能，管理员后台功能流程如图14 所示。当管理员输入相应的帐号和密码并点击登录时，将查询管理员信息数据库，验证管理员身份并跳转到相应页面。

图14 管理员后台功能流程图

管理员登录成功后，进入文物管理——展品列表模块，可管理展品信息，修改文物展品页面如图15 所示。为了方便展品信息的管理，本文系统将展品分类分离出来，通过文物管理——文物分类模块实现对文物分类的管理，添加文物分类的页面如图16 所示。超级管理员登录成功后可对系统管理员进行管理，点击对应的按钮即可进入相应的功能界面。

图15 修改文物展品页面

图16 添加新文物分类的页面

2.3 信息存储

本文系统选择的是Oracle 旗下瑞典MySQL AB 公司开发的MySQL 数据库。MySQL 是一个多用户、多线程的数据库，并且其是目前市场上操作最简洁、运行最快的SQL 数据库之一[14]。在选择合适的数据库的同时，也不能忽略数据库组织结构的合理性。因此在设计数据库时必须要符合数据库设计的规范，以防出现数据不一致等问题，从而维持系统的稳定性，提高存储效率。

2.3.1 数据库E⁃R 图

E⁃R 图，又名实体⁃联系图，提供了表示实体类型、属性和联系的方法，是用来描述现实世界的概念模型。根据数字资料馆模块的总体结构，得出建筑、博物馆藏品、书籍、西夏王朝、回族、特色旅游的E⁃R 图。以博物馆藏品为例，包括3 个实体类型，其属性如下：管理员（编号、登录名、登录密码、创建时间、修改时间）、类别（分类编号、分类名称、创建时间、修改时间、图片地址、分类介绍）、展品（展品编号、分类编号、展品名称、图片地址、展品简介、所属朝代、创建时间、修改时间），其E⁃R 图如图17 所示。

2.3.2 数据表结构

根据数字资料馆模块的总体结构，得出建筑、博物馆藏品、书籍、西夏王朝、回族、特色旅游的数据表结构。以博物馆藏品为例，本文系统设计了AdminInformation（管理人员信息）表、HistoryInfo（展品相关信息）表、HistoryClass（展品分类）表。

图17 宁夏数字博物馆系统的E⁃R 图

1）管理人员信息表

为了提高系统的安全性，需要用单独的数据表来存储系统管理员相关信息。表AdminInformation 包含了管理员登录名和登录密码等信息，用于验证管理员身份。其结构表如表1 所示。

表1 AdminInformation 结构表

2）展品分类表

为了更好地对文物进行管理，提高数据的存储效率和检索效率，需要对展品进行分类管理。HistoryClass结构表如表2 所示。

表2 HistoryClass 结构表

3）展品相关信息表

展品相关信息是本数字博物馆系统的核心数据表，其包含了所有展品的信息，系统管理员对展品的维护（增加、修改、删除等）。HistoryClass 结构表如表3 所示。

表3 HistoryInfo 结构表

3 开放与导览模块

本部分通过程序编写、三维全景图的制作、网页制作，向网站浏览者传输相比一般网站更为直观、真实的博物馆信息。游客浏览网站可通过地图了解宁夏博物馆的具体位置，通过普通鼠标和键盘与虚拟漫游系统交互，了解展厅大致结构、主题布置、氛围等。最终实现宁夏博物馆的馆内虚拟漫游和来馆路线的数字化构建，开放与导览主界面如图18 所示。

图18 开放与导览主界面

3.1 来馆路线

通过此部分的实现，网站游览者可定位当前位置，并提供游览者三种到达实体宁夏博物馆的导航路线。定位地理位置的主要方式有GPS 定位、GSM/CMDA 基站定位、IP 地址定位、WIFI 定位。其中，GPS 定位是最准确的[15]。本文通过BMap.Convertor.translate（要转换的坐标，0，回调函数）方法将HTML5 定位得到的GPS 坐标转换为百度坐标并在百度地图上显示。来馆路线导航主界面如图19 所示。

图19 来馆路线导航主界面

3.2 馆内虚拟漫游

全景图拼接技术用于处理成像设备因视角限制无法直接获取360°全视场图像的情况[16]。为实现虚拟漫游功能，主要是利用全景图拼接技术制作全景图，通过图像处理软件——Photoshop[17]制作用于虚拟漫游模块的二维全景图片，然后将已合成好的二维全景图片导入Pano2VR 软件，输出HTML5 格式的三维全景图[18]，最终实现虚拟漫游网页部分。

4 结 论

本文设计并实现了基于Java 与HTML5 的宁夏数字博物馆系统，以信息化建设为核心，总体上划分为“本院总说、开放与导览、西夏时空、数字资料馆、学术天地、文化专题、宁夏出版”七大模块。可满足游客足不出户的多层次多角度地了解宁夏历史文化和地方特色的需求，特别是在缓解节假日馆内客流量集中增多、降低旅游成本、推动宁夏的经济与社会发展方面发挥作用。借助于网络平台的高速数据传输与全球互联，宁夏数字博物馆系统的实现将会为更多人了解西夏的文字、法律、文学、艺术等提供便利，而且在实现大范围资源共享的同时弘扬爱国主义精神，有利于传播作为中华民族文化重要组成部分的西夏文化，为我国的文化事业增砖添瓦。

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