數(shù)字孿生在文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用研究

摘要：以數(shù)字孿生賦能文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)，探究以其連通性以促進文化遺產(chǎn)智能化、數(shù)字化管理，提高文化遺產(chǎn)保護效率與質(zhì)量;以同質(zhì)化促進受眾對文化遺產(chǎn)的情感交互體驗趨同，充分挖掘其藝術(shù)魅力與文化內(nèi)涵;以模塊化促進文化遺產(chǎn)數(shù)字化生態(tài)建設(shè)，促進文化遺產(chǎn)的社會經(jīng)濟屬性建設(shè)與協(xié)同管理機制發(fā)展，最終形成最具普遍化的文化遺產(chǎn)價值傳播生態(tài)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;連通性;同質(zhì)化;模塊化

一、引言

文化遺產(chǎn)的整體性和延承性特點反映了人類的經(jīng)驗、認(rèn)知、智慧、情感與操守，體現(xiàn)了真實而不斷發(fā)展的文化價值。但文化遺產(chǎn)的脆弱性特點也導(dǎo)致其在現(xiàn)代化的推進過程中備受沖擊，這是當(dāng)代社會發(fā)展中極具普遍性的問題。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬/增強/混合現(xiàn)實等智能化、個性化技術(shù)的飛速發(fā)展，促使人類步入數(shù)智融合（BD+AI）時代[1]。在數(shù)智融合驅(qū)動下，數(shù)字世界為服務(wù)物理世界而存在，數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）的興起，為實現(xiàn)文化遺產(chǎn)全生命周期管理（ Product Lifecycle Management）、保護與開發(fā)利用提供了一種新型解決方案，數(shù)字孿生應(yīng)用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化逐漸成為我國哲學(xué)社會科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點課題之一。

在物質(zhì)文化遺產(chǎn)方面，2020年，中國文化遺產(chǎn)研究院就曾組織對布達拉宮進行精細化測繪，為其建立數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫和可視化管理系統(tǒng)。該可視化管理系統(tǒng)同時與消防系統(tǒng)對接，實現(xiàn)報警跳轉(zhuǎn)、逃生路徑規(guī)劃等功能，這對布達拉宮的預(yù)防性保護意義重大，為文化遺產(chǎn)的持續(xù)性保護策略提供了依據(jù)[2]。

2020年11月，故宮博物院副院長王躍工在世界VR產(chǎn)業(yè)大會云峰會上表示，故宮將結(jié)合文化遺產(chǎn)保護和服務(wù)大眾的頂層設(shè)計，全面推動一座真正意義數(shù)字故宮的建設(shè)。未來的數(shù)字故宮便是一個故宮數(shù)字孿生體雛形[3]。

浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院與云岡石窟研究院聯(lián)合對云岡石窟第十二窟進行高保真三維數(shù)字化數(shù)據(jù)采集，采用融合三維激光掃描（Terrestrial Laser Scanning）與攝影測量（Photogrammetry Technology）的方案，對十二窟進行三維激光掃描，拍攝55680張照片，歷時3個月構(gòu)建三維模型，并在上海寶龍美術(shù)館完成國內(nèi)首個1：1可拆卸3D打印數(shù)字化石窟展覽[4]。清華大學(xué)清城?，F(xiàn)數(shù)字科技研究院采用數(shù)字孿生結(jié)合全息數(shù)控影像、聯(lián)動720度環(huán)幕、空間定位聲場等數(shù)字技術(shù)向公眾呈現(xiàn)了北京中軸線與城市生活關(guān)系，向公眾傳遞了北京中軸線文化遺產(chǎn)價值[5]?？▕W斯COSMOPla采用基于同步定位與建圖技術(shù) （Simultaneous Localization And Mapping）的移動式三維掃描空間探測技術(shù)及數(shù)字孿生技術(shù)重建三星堆遺址三維場景，開發(fā)了具有實景化管理界面，與發(fā)掘現(xiàn)場的溫濕度、二氧化碳、PM2.5等信息對接、可視、可管、可用的三星堆數(shù)字孿生云平臺考古數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理系統(tǒng)[6]。

在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)方面，2021年“文化和自然遺產(chǎn)日”，影譜科技運用智能影像和數(shù)字孿生技術(shù)對貴州苗族蠟染工藝進行直觀展示，通過對外形、材質(zhì)、特征、說明、內(nèi)部形態(tài)等在內(nèi)的多維度信息進行數(shù)字化解構(gòu)，對蠟染工藝的應(yīng)用場景、生產(chǎn)過程進行多維可視化展示和數(shù)字化表達，讓貴州苗族蠟染工藝的展示突破物理界限，帶來新科技視角下的非遺傳承與發(fā)展模式[7]。

二、數(shù)字孿生簡析

數(shù)字孿生是指利用計算機技術(shù)，將物理環(huán)境、架空環(huán)境進行可視化、仿真化、交互性模擬呈現(xiàn)，是數(shù)字化的虛擬仿真（Virtual Simulation）結(jié)果。其概念最早于1991年由耶魯大學(xué)的David Gelernter提出[8]。2002年，密歇根大學(xué)的Michael Grieves率先將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于制造業(yè)并命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model）。2010年， NASA先進材料和制造領(lǐng)域?qū)＜襃ohn Vickers在技術(shù)路線圖報告中首次將其稱為“數(shù)字孿生”[9]。

我們可以給數(shù)字孿生概念做一個簡單描述，數(shù)字孿生是一種數(shù)字化技術(shù)，是物理世界數(shù)據(jù)信息在虛擬世界的鏡像映射，通過這一數(shù)字鏡像，可以虛擬仿真物理世界的實體行為、狀態(tài)或活動的全生命周期過程。2017年，美國Gartner公司將數(shù)字孿生技術(shù)列入當(dāng)年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一，認(rèn)為它具有巨大的顛覆性潛力，未來3至5年內(nèi)將會有數(shù)以億件的物理實體以數(shù)字孿生狀態(tài)呈現(xiàn)[10]。

三、數(shù)字孿生與文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)融合

文化遺產(chǎn)數(shù)字化的主要工作包括數(shù)字化方案設(shè)計與構(gòu)建，這其中，數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition）占據(jù)前期建設(shè)最大的成本比重。而隨著當(dāng)下計算能力的指數(shù)級增長，計算成本顯著下降，邊際成本明顯降低等因素為數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)提供了可能，數(shù)字孿生應(yīng)用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)，具有幾個明顯的優(yōu)勢。

1 以連通性促進智能化、數(shù)字化管理

為文化遺產(chǎn)提供智能化、數(shù)字化管理是數(shù)字化建設(shè)的主要目標(biāo)。

作為數(shù)字孿生主要技術(shù)特征，連通性（Connectivity）可以通過物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）和傳感器技術(shù)（Sensor Technology），在文化遺產(chǎn)與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)之間構(gòu)建實時鏈接，實現(xiàn)孿生數(shù)據(jù)與物理實體之間的信息交互，為文化遺產(chǎn)的管理、維護、開發(fā)提供數(shù)據(jù)模型參考，并對整個過程進行實時監(jiān)測、預(yù)測和管控。該孿生數(shù)據(jù)模型同時也能評估其保護、傳承、開發(fā)等行為實施的各種成本，實時分析、評估各種管理策略的可靠性、系統(tǒng)性、精確性和適應(yīng)性，為開發(fā)和利用過程中面臨的各種狀況和突發(fā)事件提供最優(yōu)化的處理策略，促進管理與服務(wù)過程的高效協(xié)同，實現(xiàn)文化遺產(chǎn)在虛擬信息空間與現(xiàn)實物理世界之間的有效映射與實時交互，最終形成能不斷自動完善、自主優(yōu)化的全生命周期的智能管理與服務(wù)體系。

2 以同質(zhì)化促進情感體驗趨同

數(shù)字孿生展示的虛擬數(shù)字內(nèi)容，是物理信息的同質(zhì)化（Homogenization）結(jié)果。

在數(shù)字孿生中，文化遺產(chǎn)以數(shù)字形式儲存和傳輸，其數(shù)據(jù)具有完整性、系統(tǒng)性、一致性、精確性、動態(tài)性和進化性，為用戶帶來體驗趨同感。信息的同質(zhì)化可以使其脫離物理存在而進行虛擬展示、傳播，可為文化遺產(chǎn)全生命周期各個環(huán)節(jié)所涉及到的設(shè)計者、管理者、研究者甚至普通大眾用戶等提供其在不同歷史階段中的數(shù)據(jù)、信息和模型接口。這種在任何時間、地點、階段和環(huán)境中都能向用戶提供相應(yīng)信息檢索的功能，使研究不再受限于物理位置與時間，大大的減少了研究成本，減少對文化遺產(chǎn)的消耗，極大的避免了不可預(yù)料風(fēng)險。

同質(zhì)化，也為文化遺產(chǎn)的傳播展示提供了更多可行性。文化遺產(chǎn)的符號性特點決定了其可以通過聲、光、電、圖像等視聽語言來表現(xiàn)。而數(shù)字化建設(shè)中形成的大量具有可復(fù)制性的模型信息可以推動文化資源流動，為文化遺產(chǎn)資源的異地重構(gòu)與利用提供便利。近些年來，文化遺產(chǎn)資源還常與虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實或全息技術(shù)結(jié)合，提供各種可視化互動體驗，增加文化遺產(chǎn)資源的傳遞性，衍生出更多新興文化資源，給文化遺產(chǎn)保護傳承與開發(fā)利用增加了更多的可行性。

3 以模塊化促進遺產(chǎn)數(shù)字化生態(tài)建設(shè)

在制造業(yè)中，模塊化（Modularity）可以描述為產(chǎn)品和生產(chǎn)模塊的設(shè)計與定制[11]。通過使用數(shù)字孿生技術(shù)，制造商可以看到哪些組件模塊導(dǎo)致設(shè)備性能不佳，并用更合適的組件模塊替換以改進制造過程。

一方面，就本地文化遺產(chǎn)而言，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)模型是其進行保護、傳承和拓展等實施模塊的數(shù)據(jù)管理中心。通過各功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互，提升了各模塊間自主協(xié)作和解決問題能力。另一方面，就整個文化遺產(chǎn)數(shù)字化體系而言，當(dāng)一處遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)工作完成時，其對應(yīng)的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)體系所涉及的智能管理、三維模型、開發(fā)數(shù)據(jù)都將形成模塊化內(nèi)容。這些模塊化內(nèi)容可以通過互聯(lián)網(wǎng)信息調(diào)取，代入到其他文化遺產(chǎn)的數(shù)字化建設(shè)中，為其他文化遺產(chǎn)的數(shù)字化建設(shè)提供參考借鑒。同時，模塊化還可以結(jié)合大數(shù)據(jù)（Big Data），對不同領(lǐng)域、區(qū)域的文化遺產(chǎn)模塊進行多維度的數(shù)據(jù)分析對比，追溯文化遺產(chǎn)發(fā)展源流，為各種研究提供數(shù)據(jù)支撐。而結(jié)合虛擬仿真，則可以為文化遺產(chǎn)特別是物質(zhì)文化遺產(chǎn)的維護維修、升級更新、改造優(yōu)化以及三維數(shù)字重建復(fù)原等工作提供科學(xué)樣本。

在未來，隨著5G技術(shù)的進一步發(fā)展，如果能實現(xiàn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)化、實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的實時互動響應(yīng)，則將進一步促進文化遺產(chǎn)的社會經(jīng)濟屬性建設(shè)與協(xié)同管理機制發(fā)展，讓更多的機構(gòu)、組織、普通受眾參與到文化遺產(chǎn)的建設(shè)與傳播中，最終形成最具普遍化的文化遺產(chǎn)傳播生態(tài)系統(tǒng)。

四、結(jié)語

文化遺產(chǎn)是我國歷史文化的重要組成部分，當(dāng)前針對數(shù)字孿生在文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用尚處于探索階段，仍有諸多技術(shù)難題亟待攻克。數(shù)字孿生技術(shù)已被多個項目案例證明，其可以為當(dāng)前文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護、傳承、開發(fā)、利用提供新的理念與工具。但數(shù)字孿生與文化遺產(chǎn)保護開發(fā)的深度智能融合協(xié)作，還需要更多的社會資源支持。本文對數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)中的融合進行了初步理論研究，以期為提升數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用與實踐，提供有益借鑒。

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基金項目： 2021年度教育教學(xué)改革研究與實踐項目“線上線下混合式教學(xué)學(xué)習(xí)效果評價體系的研究與實踐”（JXNLJG202131）;廣東省外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院2021年校級課題“數(shù)字化‘孿生’賦能中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教學(xué)的未來圖景研究”（2021G10）

作者簡介：周婕（1985-），女，廣東汕頭人，廣東省外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院講師，碩士研究生，研究方向為虛擬現(xiàn)實開發(fā)、數(shù)字媒體藝術(shù)、產(chǎn)教融合。