數字孿生在文化遺產數字化建設中的應用研究

摘要：以數字孿生賦能文化遺產數字化建設，探究以其連通性以促進文化遺產智能化、數字化管理，提高文化遺產保護效率與質量;以同質化促進受眾對文化遺產的情感交互體驗趨同，充分挖掘其藝術魅力與文化內涵;以模塊化促進文化遺產數字化生態建設，促進文化遺產的社會經濟屬性建設與協同管理機制發展，最終形成最具普遍化的文化遺產價值傳播生態系統。

關鍵詞：數字孿生;連通性;同質化;模塊化

一、引言

文化遺產的整體性和延承性特點反映了人類的經驗、認知、智慧、情感與操守，體現了真實而不斷發展的文化價值。但文化遺產的脆弱性特點也導致其在現代化的推進過程中備受沖擊，這是當代社會發展中極具普遍性的問題。近年來，隨著大數據、物聯網、虛擬/增強/混合現實等智能化、個性化技術的飛速發展，促使人類步入數智融合（BD+AI）時代[1]。在數智融合驅動下，數字世界為服務物理世界而存在，數字孿生技術（Digital Twin）的興起，為實現文化遺產全生命周期管理（ Product Lifecycle Management）、保護與開發利用提供了一種新型解決方案，數字孿生應用于文化遺產數字化逐漸成為我國哲學社會科學研究領域的熱點課題之一。

在物質文化遺產方面，2020年，中國文化遺產研究院就曾組織對布達拉宮進行精細化測繪，為其建立數字孿生數據庫和可視化管理系統。該可視化管理系統同時與消防系統對接，實現報警跳轉、逃生路徑規劃等功能，這對布達拉宮的預防性保護意義重大，為文化遺產的持續性保護策略提供了依據[2]。

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

浙江大學文化遺產研究院與云岡石窟研究院聯合對云岡石窟第十二窟進行高保真三維數字化數據采集，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個月構建三維模型，并在上海寶龍美術館完成國內首個1：1可拆卸3D打印數字化石窟展覽[4]。清華大學清城睿現數字科技研究院采用數字孿生結合全息數控影像、聯動720度環幕、空間定位聲場等數字技術向公眾呈現了北京中軸線與城市生活關系，向公眾傳遞了北京中軸線文化遺產價值[5]。卡奧斯COSMOPla采用基于同步定位與建圖技術 （Simultaneous Localization And Mapping）的移動式三維掃描空間探測技術及數字孿生技術重建三星堆遺址三維場景，開發了具有實景化管理界面，與發掘現場的溫濕度、二氧化碳、PM2.5等信息對接、可視、可管、可用的三星堆數字孿生云平臺考古數據資產管理系統[6]。

在非物質文化遺產方面，2021年“文化和自然遺產日”，影譜科技運用智能影像和數字孿生技術對貴州苗族蠟染工藝進行直觀展示，通過對外形、材質、特征、說明、內部形態等在內的多維度信息進行數字化解構，對蠟染工藝的應用場景、生產過程進行多維可視化展示和數字化表達，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展模式[7]。

二、數字孿生簡析

數字孿生是指利用計算機技術，將物理環境、架空環境進行可視化、仿真化、交互性模擬呈現，是數字化的虛擬仿真（Virtual Simulation）結果。其概念最早于1991年由耶魯大學的David Gelernter提出[8]。2002年，密歇根大學的Michael Grieves率先將數字孿生概念應用于制造業并命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model）。2010年， NASA先進材料和制造領域專家John Vickers在技術路線圖報告中首次將其稱為“數字孿生”[9]。

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

三、數字孿生與文化遺產數字化建設融合

文化遺產數字化的主要工作包括數字化方案設計與構建，這其中，數據采集（Data Acquisition）占據前期建設最大的成本比重。而隨著當下計算能力的指數級增長，計算成本顯著下降，邊際成本明顯降低等因素為數字孿生廣泛應用于文化遺產數字化建設提供了可能，數字孿生應用于文化遺產數字化建設，具有幾個明顯的優勢。

1 以連通性促進智能化、數字化管理

為文化遺產提供智能化、數字化管理是數字化建設的主要目標。

作為數字孿生主要技術特征，連通性（Connectivity）可以通過物聯網（Internet of Things）和傳感器技術（Sensor Technology），在文化遺產與數字孿生數據之間構建實時鏈接，實現孿生數據與物理實體之間的信息交互，為文化遺產的管理、維護、開發提供數據模型參考，并對整個過程進行實時監測、預測和管控。該孿生數據模型同時也能評估其保護、傳承、開發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、系統性、精確性和適應性，為開發和利用過程中面臨的各種狀況和突發事件提供最優化的處理策略，促進管理與服務過程的高效協同，實現文化遺產在虛擬信息空間與現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、自主優化的全生命周期的智能管理與服務體系。

2 以同質化促進情感體驗趨同

數字孿生展示的虛擬數字內容，是物理信息的同質化（Homogenization）結果。

在數字孿生中，文化遺產以數字形式儲存和傳輸，其數據具有完整性、系統性、一致性、精確性、動態性和進化性，為用戶帶來體驗趨同感。信息的同質化可以使其脫離物理存在而進行虛擬展示、傳播，可為文化遺產全生命周期各個環節所涉及到的設計者、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據、信息和模型接口。這種在任何時間、地點、階段和環境中都能向用戶提供相應信息檢索的功能，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，減少對文化遺產的消耗，極大的避免了不可預料風險。

同質化，也為文化遺產的傳播展示提供了更多可行性。文化遺產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。而數字化建設中形成的大量具有可復制性的模型信息可以推動文化資源流動，為文化遺產資源的異地重構與利用提供便利。近些年來，文化遺產資源還常與虛擬現實、增強現實或全息技術結合，提供各種可視化互動體驗，增加文化遺產資源的傳遞性，衍生出更多新興文化資源，給文化遺產保護傳承與開發利用增加了更多的可行性。

3 以模塊化促進遺產數字化生態建設

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

一方面，就本地文化遺產而言，數字孿生數據模型是其進行保護、傳承和拓展等實施模塊的數據管理中心。通過各功能模塊之間的數據信息交互，提升了各模塊間自主協作和解決問題能力。另一方面，就整個文化遺產數字化體系而言，當一處遺產數字化建設工作完成時，其對應的數字孿生數據體系所涉及的智能管理、三維模型、開發數據都將形成模塊化內容。這些模塊化內容可以通過互聯網信息調取，代入到其他文化遺產的數字化建設中，為其他文化遺產的數字化建設提供參考借鑒。同時，模塊化還可以結合大數據（Big Data），對不同領域、區域的文化遺產模塊進行多維度的數據分析對比，追溯文化遺產發展源流，為各種研究提供數據支撐。而結合虛擬仿真，則可以為文化遺產特別是物質文化遺產的維護維修、升級更新、改造優化以及三維數字重建復原等工作提供科學樣本。

在未來，隨著5G技術的進一步發展，如果能實現文化遺產數字化建設的物聯網化、實現物理空間與數字空間的實時互動響應，則將進一步促進文化遺產的社會經濟屬性建設與協同管理機制發展，讓更多的機構、組織、普通受眾參與到文化遺產的建設與傳播中，最終形成最具普遍化的文化遺產傳播生態系統。

四、結語

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

參考文獻：

[1]鄭思思，陳衛東，徐銣憶，袁凡，褚樂陽.數智融合：數據驅動下教與學的演進與未來趨向——兼論圖形化數據智能賦能教育的新形態[J].遠程教育雜志，2020，38（04）：27-37.

[2]孫亞慧.數字孿生：測繪布達拉宮[EB/OL].《人民日報海外版》（2020年11月02日 第11版）https：//new.qq.com/omn/20201102/20201102A016TC00.html，2020-11-02/2021-10-06.

[3]宋祎林.發改委多次提到的“數字孿生”黑科技，將如何賦能文旅產業[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1708871973552423811&wfr=spider&for=pc， 2021-08-23/2021-10-08.

[4]李君娜.云岡“第12窟”帶千年記憶來滬[EB/OL].http：//gov.eastday.com/renda/dfzw/zxgg/u1ai6269756.html，2020-12-28/2021-10-08.

[5]楊思.數字化“孿生”賦能文化遺產[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/info/2021-03/01/c_139774374.html，2021-03-01/2021-10-04.

[6]上海市松江區人民政府.卡奧斯COSMOPlat數字技術賦能三星堆文物發掘工作——“松江智造”為智慧考古插上數字翅膀[EB/OL].https：//www.songjiang.gov.cn/xwzx/001001/20210625/a4f47960-eeb7-4ee8-a50f-780617f7da62.html，2021-06-25/2021-10-04.

[7]環球網資訊.智能影像和數字孿生加持，影譜科技助力非遺數字化傳承[EB/OL].https：//www.163.com/dy/article/GC4G8AG70514R9OJ.html， 2021-06-10/2021-10-02.

[8]Larson Ray R.Mirror Worlds： Or the Day Software Puts the Universe in A Shoe Box… How It Will Happen and What It Will Mean （Book Review）[J].College & Research Libraries，1992 53（4）：369-370.

[9]Bob Piasicik，John Vickers.et al，Technology Area 12： Materials， Structures， Mechanical Systems， and Manufacturing Road Map， NASA Office of the Chief Technologist，2010.

[10]Kasey Panetta.Gartners Top 10 Technology Trends 2017[EB/OL]. https：//www.gartner.com/smarterwithgartner/gartners-top-10-technology-trends-2017.2016-10-18/2021-10-06.

[11]Roland Rosen et al.About The Importance of Autonomy and Digital Twins for the Future of Manufacturing[J].IFAC PapersOnLine，2015，48（3）：567-572.

基金項目： 2021年度教育教學改革研究與實踐項目“線上線下混合式教學學習效果評價體系的研究與實踐”（JXNLJG202131）;廣東省外語藝術職業學院2021年校級課題“數字化‘孿生’賦能中華優秀傳統文化教學的未來圖景研究”（2021G10）

作者簡介：周婕（1985-），女，廣東汕頭人，廣東省外語藝術職業學院講師，碩士研究生，研究方向為虛擬現實開發、數字媒體藝術、產教融合。