●張 潔 謝 鑫

1.四川傳媒學院融合媒體學院,成都,611745

2.上海師范大學人文學院,上海,200234

文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護與開發(fā)是在數(shù)字時代背景下,延續(xù)中華歷史文脈、建設(shè)社會主義文化強國的必然要求,其相關(guān)工作與數(shù)字人文運動的融合為傳統(tǒng)人文學者開展文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)資源研究提供新的應用場景[1]。 然而,目前文化遺產(chǎn)數(shù)字人文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)少且主題分散[2],資源呈現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)、多模態(tài)、跨時空、跨文化、分布廣、內(nèi)涵雜等特點[3]。數(shù)字孿生集成大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學習、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),整合物理實體全生命周期數(shù)據(jù),建立物理對象的虛擬映射并實時更新優(yōu)化[4]3-4。 該技術(shù)的發(fā)展與成熟可為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文項目現(xiàn)存問題提供解決方案,以構(gòu)建文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)為實踐路徑,統(tǒng)一管理文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù),實時監(jiān)測文化遺產(chǎn)實體,并向社會提供多元化應用服務。

目前,數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)方面的研究還處于理論探索階段,主要思路為通過構(gòu)建遺產(chǎn)數(shù)字孿生體,實現(xiàn)遺產(chǎn)資源智能整合、智慧管理、創(chuàng)新互動的整體保護,如水下文物遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)建構(gòu)[5]、多民族聚落遺產(chǎn)整體保護[6]、革命舊址數(shù)字化預警管理[7]、戲曲與民俗文物數(shù)字化平臺建設(shè)[8]等。 學者們多選擇某一代表性文化遺產(chǎn)項目為切入點,具體探討其實現(xiàn)路徑等,具有較強的針對性,但也因此很難回應文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)領(lǐng)域現(xiàn)存的普遍問題,欠缺從宏觀層面對相關(guān)體系和模型的有效提煉。

本文以數(shù)字孿生技術(shù)的特征為立足點,從它與文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)交叉融合的連接點——文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)切入,探討數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)中的融通應用,進而分析其具體的應用場景,從系統(tǒng)功能視角梳理基于數(shù)字孿生技術(shù)的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)的體系架構(gòu),從關(guān)系結(jié)構(gòu)維度歸納總結(jié)相應的運行模型,以回應文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)領(lǐng)域現(xiàn)存問題,并為其在文化遺產(chǎn)保護和利用中的推廣應用做好理論準備。

1 數(shù)字孿生與文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)的連接點

數(shù)字孿生也稱數(shù)字映射、數(shù)字鏡像,其核心在于利用數(shù)字技術(shù)建立物理實體的虛擬映射,以虛擬模型為觀測對象和仿真場所,進而驅(qū)動現(xiàn)實。 數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造領(lǐng)域[9],但因其技術(shù)理論的普適性,逐步形成“數(shù)字孿生+”應用場景,并在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文領(lǐng)域展現(xiàn)出極強的應用價值。 數(shù)字孿生與文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)二者連接的核心在于構(gòu)建文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)。 數(shù)字人文的開展涉及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、技術(shù)支持、應用場景三大基礎(chǔ)要素[10]。 同樣地,文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建構(gòu)也需具備上述3 個要素。 數(shù)字孿生以傳感器技術(shù)、云計算、邊緣計算、算力網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為支撐,構(gòu)建新的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文技術(shù)體系,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),生成文化遺產(chǎn)智慧數(shù)據(jù),推動空間人文研究、數(shù)字記憶工程等新場景新項目的落地。 數(shù)字孿生技術(shù)為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、技術(shù)支持、應用場景三大基礎(chǔ)要素,二者間的融通應用見圖1。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)與文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)的融通應用

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)提供的智慧數(shù)據(jù),為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文工作的開展奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)體系的基礎(chǔ),文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體的構(gòu)建依賴于跨學科、多尺度、多物理量、動態(tài)性的多維實時數(shù)據(jù),主要涵蓋歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)兩大類。 在歷史數(shù)據(jù)采集方面,明確文化遺產(chǎn)的內(nèi)容和邊界后,依據(jù)孿生數(shù)據(jù)相關(guān)標準,設(shè)計文化遺產(chǎn)異構(gòu)資源一體化本體,將歷史數(shù)據(jù)進行分類、存儲、預處理,形成文化遺產(chǎn)智慧數(shù)據(jù),構(gòu)筑歷史部分的仿真建模。 同時,借助先進傳感器技術(shù)及分布式傳感技術(shù),獲取實時環(huán)境、文化遺產(chǎn)狀態(tài)等現(xiàn)狀數(shù)據(jù),對文化遺產(chǎn)現(xiàn)狀的仿真建模進行綜合與優(yōu)化。 最終將物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動相融合,集成處理文化遺產(chǎn)的不同關(guān)鍵特征,通過模型校核、驗證、確認,建立精確可靠的文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供技術(shù)支持

數(shù)字孿生所涉及的多領(lǐng)域技術(shù)為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供技術(shù)支持。 數(shù)字孿生的核心技術(shù)體現(xiàn)為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)搭建、數(shù)據(jù)互動4 個方面。 在數(shù)據(jù)獲取方面,針對文化遺產(chǎn)的實時動態(tài)數(shù)據(jù)獲取既是痛點也是難點,但隨著技術(shù)的應用與推廣,設(shè)備的高度集成以及成本的日趨低廉,現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的實時采集將更加快速、安全、準確,文化遺產(chǎn)實時動態(tài)超現(xiàn)實映射將不再困難。 在數(shù)據(jù)處理方面,文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體集成全生命周期數(shù)據(jù),基于分布式計算的云服務平臺和高性能數(shù)據(jù)分析算法的云化以及異構(gòu)加速的計算體系,能夠滿足文化遺產(chǎn)實時場景下的高性能計算[11]。 在數(shù)據(jù)搭建方面,主要通過建模、渲染、仿真技術(shù)將獲取到的物理實體數(shù)據(jù)在數(shù)字世界中進行物理對象的超現(xiàn)實狀態(tài)表征和建模。 該虛擬模型集成多維數(shù)據(jù),且存續(xù)、傳播不受限制[12],使文化遺產(chǎn)的異時空系統(tǒng)研究成為可能。 在數(shù)據(jù)互動方面,主要是為使用者提供良好的人機交互使用環(huán)境,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究成果的創(chuàng)新展現(xiàn)和研究思路的開拓發(fā)散創(chuàng)造條件。

1.3 數(shù)字孿生技術(shù)為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供應用場景

數(shù)字孿生技術(shù)推動人文學科研究范式和知識生產(chǎn)模式的變革,其在空間人文研究和數(shù)字記憶工程中的應用,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)探索新的應用場景。 空間人文研究強調(diào)重回歷史現(xiàn)場,契合數(shù)字孿生對物理實體的全息復制特點,將歷史事件的自然背景信息耦合進系統(tǒng)[8],并結(jié)合擴展現(xiàn)實(XR)技術(shù),可視化呈現(xiàn)不同時空切面下的人文景觀,使人身臨其境。 目前市場上已有大量文化古跡相關(guān)的增強現(xiàn)實(AR)應用[13],例如“伊拉克利翁城門”應用[14]、 “解鎖波爾圖”交互游戲[14]。 以“威尼斯時光機”項目[15]為代表的數(shù)字記憶工程,通過對承載記憶屬性資源的開發(fā)利用,實現(xiàn)多資源互補、多媒體連通、迭代式增長、開放式構(gòu)建等功能[16],文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體以智慧數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),支持文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究從不同時空切面獲取數(shù)據(jù)并使之可視化呈現(xiàn),為開發(fā)現(xiàn)有資源、推動多元發(fā)展、打造創(chuàng)新體系的社會記憶資源打開思路[17],開辟人文社會科學研究新領(lǐng)域。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)中的應用場景

我國“十四五”規(guī)劃提出要強化文物科技創(chuàng)新,從資源、產(chǎn)業(yè)、教育、傳播、學術(shù)等多個維度保護和傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。 基于數(shù)字孿生技術(shù)的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)通過構(gòu)建文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng),以孿生數(shù)據(jù)中心為依托,以文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生平臺為接口,開發(fā)文化遺產(chǎn)數(shù)字人文項目多維應用場景,創(chuàng)新文化遺產(chǎn)保護、利用路徑,為文化遺產(chǎn)多元化發(fā)展提供新思路。

2.1 資源組織管理

在文化遺產(chǎn)資源組織管理方面,數(shù)字孿生通過輔助構(gòu)建文化遺產(chǎn)組織框架、創(chuàng)建文物數(shù)字孿生博物館等方式解決文化遺產(chǎn)資源管理問題。 特別是在構(gòu)建文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體過程中引入文化遺產(chǎn)智慧數(shù)據(jù)[18]的概念,借助數(shù)字孿生時空延展、耦合虛實等特性,構(gòu)造獨特的文化遺產(chǎn)資源組織體系,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)研究打下堅實的智慧數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 資源產(chǎn)業(yè)化

在文化遺產(chǎn)資源產(chǎn)業(yè)化方面,結(jié)合新經(jīng)濟在線、智能、交互、跨界的特征[19],構(gòu)建基于數(shù)字孿生的非物質(zhì)文化遺產(chǎn)線上產(chǎn)業(yè)化經(jīng)濟。 例如,北京雕漆產(chǎn)業(yè)借助虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)解決北京雕漆基地搭建與原料供給問題,一定程度上改變了北京雕漆產(chǎn)業(yè)化過程中人、物、場割裂的狀態(tài)[20];山西剪紙產(chǎn)業(yè)通過對數(shù)字孿生技術(shù)的多維深度挖掘,探索立體展現(xiàn)剪紙作品的科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)道路[21];黃鶴樓利用增強現(xiàn)實技術(shù)的虛實融合轉(zhuǎn)換文化產(chǎn)品并探索文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展新思路[22]。 可見,推動虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、全息投影、交互投射、數(shù)字孿生等技術(shù)的更新升級,利用數(shù)字技術(shù)賦能文化產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,已成為行業(yè)趨勢。

2.3 文化教育

在文化教育方面,教育元宇宙[23]概念的提出進一步拓展數(shù)字孿生技術(shù)應用場景,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究人才的培養(yǎng)提供新路徑。 在人工智能、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)字孿生等技術(shù)加持下,教育元宇宙通過打造沉浸式體驗學習、跨時空深度學習、虛實融生協(xié)同學習等新型學習方式[24],形成了全新的文化遺產(chǎn)傳承保護手段,彌補了“在場感”的缺失,滿足了公眾互動的需求,同時適應當前時代的傳播特點,讓年輕人更容易接受并參與學習。

2.4 文化遺產(chǎn)保護

在遺產(chǎn)保護方面,針對物質(zhì)文化遺產(chǎn),數(shù)字孿生技術(shù)對其的保護主要體現(xiàn)在創(chuàng)建物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體,結(jié)合實時數(shù)據(jù)動態(tài)更新孿生體,以及監(jiān)測預警物質(zhì)文化遺產(chǎn)面臨的存續(xù)環(huán)境變化、突發(fā)自然災害、游客過載等情況,為相關(guān)部門及時采取應對措施提供數(shù)據(jù)支持。 同時,物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體還為各種緊急情況及環(huán)境變化的應對方案、最新理論等提供仿真實驗場所,相關(guān)部門可根據(jù)孿生體的反饋及時調(diào)整方案,避免對物質(zhì)文化遺產(chǎn)造成不可逆的損傷,提升對物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護效力。 非物質(zhì)文化遺產(chǎn)作為“活態(tài)文化”[25]在保護和傳承上具有特殊性,利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)設(shè)非遺教學虛擬線上平臺,讓學員及非遺傳承人以虛擬形象進入教學空間,借助可穿戴設(shè)備,實現(xiàn)虛擬空間中線上教學的擬態(tài)線下場景,學員與非遺傳承人之間可觸可感可交談,將非物質(zhì)文化遺產(chǎn)中的無形內(nèi)容有形化,讓活態(tài)內(nèi)容可體驗,從而為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護與傳承注入新活力。

2.5 展覽傳播

在展覽與傳播方面,利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體在保障文物安全的前提下不僅可以立體仿真呈現(xiàn)展品,其傳播不受限的特點還能有效破除現(xiàn)行展品調(diào)用程序復雜、無法避免陳列損傷等技術(shù)、制度方面的困境。 同時借助VR、AR 等可穿戴設(shè)備,還能為文博愛好者、研究人員等提供新的觀測方式,如文物的局部全息呈現(xiàn)可為用戶提供近距離觀察、360 度呈現(xiàn)、觸摸文物等新功能,讓文博以更新的方式走進大眾,推動文化遺產(chǎn)跨領(lǐng)域跨國界的合作研究與可持續(xù)利用。

2.6 學術(shù)研究

在學術(shù)研究方面,文化遺產(chǎn)數(shù)字人文資源具有海量、多源、異構(gòu)、多模態(tài)、跨時空、跨領(lǐng)域、分布廣、內(nèi)涵雜等特點[3],數(shù)字孿生通過數(shù)據(jù)智慧化構(gòu)建文化遺產(chǎn)知識本體,可幫助人文數(shù)據(jù)進行重組,實現(xiàn)不同研究視角、多個學科主題的知識融通,為文化遺產(chǎn)的系統(tǒng)組織、梳理、保護提供新思路。

3 數(shù)字孿生背景下文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)的體系架構(gòu)

數(shù)字孿生各項根技術(shù)組成文化遺產(chǎn)數(shù)字人文體系架構(gòu)各層級的技術(shù)基座。 結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域的創(chuàng)新應用場景,從功用視角剖析數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)揮效用的節(jié)點,按照從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集到頂端應用層設(shè)計的逐層遞進標準,該體系架構(gòu)可分為基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、建模與仿真層、功能層、應用層,見圖2。 該體系架構(gòu)從功用視角歸納總結(jié)數(shù)字孿生背景下文化遺產(chǎn)數(shù)字人文的功用層級及各層級的作用地位,并提煉各功用層級的要素內(nèi)容。體系架構(gòu)各功用層級互為耦合、協(xié)同發(fā)力,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供理論新視野。

圖2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)體系架構(gòu)

3.1 基礎(chǔ)支撐層

基礎(chǔ)支撐層由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲3部分構(gòu)成,是整個數(shù)字孿生技術(shù)體系的基礎(chǔ),其數(shù)據(jù)采集和存儲工作為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)后續(xù)工作開展提供保障。

數(shù)據(jù)采集主要依托傳感器設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對文化遺產(chǎn)物理實體進行實時監(jiān)測,以獲取文化遺產(chǎn)文獻資料以外的現(xiàn)狀數(shù)據(jù),包括文化遺產(chǎn)物理現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、環(huán)境現(xiàn)狀數(shù)據(jù)兩大類。 數(shù)據(jù)是文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究的基礎(chǔ),在文獻數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,構(gòu)建由文化遺產(chǎn)特殊歷史時期的建造復原、情景再現(xiàn)以及對現(xiàn)狀的真實映射和對未來狀態(tài)的仿真模擬組成的文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體,將為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供更全面、有效的實時數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸連接物理世界和數(shù)字世界,有助于實現(xiàn)文化遺產(chǎn)物理實體與數(shù)字平臺之間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的雙向同步和溝通。 數(shù)據(jù)傳輸強調(diào)高速和安全。 邊緣計算通過在近源處理采集到的信號和數(shù)據(jù)以減少網(wǎng)絡傳輸量并提高傳輸安全性能;超寬帶光纖技術(shù)縮短數(shù)據(jù)傳輸時間,減少系統(tǒng)延時。 數(shù)據(jù)孿生技術(shù)對數(shù)據(jù)雙向互聯(lián)、實時更新、質(zhì)量安全保障的要求極高,可以在最大程度上提高文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體的實時性和穩(wěn)定性,為文化遺產(chǎn)監(jiān)測預警、虛實互動等功能提供技術(shù)支持。

文化遺產(chǎn)全生命周期數(shù)據(jù)的存儲和管理可為文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)提供充分信息,從而具備歷史回放、現(xiàn)狀分析、智能解析等功能,為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究提供充分可靠的數(shù)據(jù)來源和觀測方式,促進其系統(tǒng)研究。 分布式云服務器對海量數(shù)據(jù)的分布式管理和安全冗余備份,使大數(shù)據(jù)分析和計算得以快速精準地完成,讓文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)獲得實時可靠數(shù)據(jù)成為可能。

3.2 數(shù)據(jù)互動層

數(shù)據(jù)互動層強調(diào)兩方面,即數(shù)字世界中文化遺產(chǎn)全生命周期數(shù)據(jù)的動態(tài)實時性及智慧化處理,以及物理世界中對文化遺產(chǎn)保護、傳承、利用的新洞察,二者雙向互動,形成閉環(huán)。 數(shù)據(jù)互動的內(nèi)容不僅包含傳感器、物聯(lián)網(wǎng)采集的文化遺產(chǎn)物理數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù),還包括從數(shù)據(jù)庫提取的有關(guān)文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究最新進展。 根據(jù)統(tǒng)一的協(xié)議、映射、元數(shù)據(jù)等標準,對上述各類文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)資源進行細粒度標引,產(chǎn)生不同資源類型之間的連接和融合,實現(xiàn)異構(gòu)資源的底層融合,對元數(shù)據(jù)加工后的知識節(jié)點進行關(guān)聯(lián),形成結(jié)構(gòu)化知識體系,構(gòu)建文化遺產(chǎn)本體。這既能擴展文化遺產(chǎn)數(shù)字人文項目建設(shè)成果功能,又能促進數(shù)據(jù)與成果的開放共享,為后續(xù)學術(shù)研究的深入和優(yōu)秀成果的產(chǎn)出提供保障。

3.3 建模與仿真層

建模與仿真層通過建模、渲染與仿真技術(shù)將獲取到的文化遺產(chǎn)物理實體的數(shù)據(jù)信息在數(shù)字世界中進行文化遺產(chǎn)孿生模型搭建,賦予其與現(xiàn)實物理世界相對應的數(shù)學屬性、物理屬性,并呈現(xiàn)出盡可能真實的視覺效果。 文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體的構(gòu)建能集成文化遺產(chǎn)多物理、多尺度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)動態(tài)更新、可視化呈現(xiàn),構(gòu)建細節(jié)極致豐富的擬真實物和環(huán)境[19],以便文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究者進行實時、動態(tài)場景切換,且文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體存續(xù)、傳播不受限制的特點,能為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究者提供良好的觀測方式[8]。

3.4 功能層

功能層面向文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究實際需求提供對應功能,包括文化遺產(chǎn)的監(jiān)測及狀態(tài)評估、文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)資源的知識本體模型建構(gòu)、文化遺產(chǎn)數(shù)字資源展廳建設(shè)、文化遺產(chǎn)多維場景疊加的可視化等,以協(xié)助專家深度分析、高效決策。 其中,利用文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體開展模擬仿真獲取反饋的新功能,能針對文化遺產(chǎn)面臨的各種突發(fā)情況產(chǎn)生最優(yōu)化處理方案[26],在保護文化遺產(chǎn)原真性的同時為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供實驗場。

3.5 應用層

應用層直接面向用戶,通過虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術(shù),構(gòu)筑文化遺產(chǎn)物理實體、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體和用戶三者間的交互渠道。 應用層使文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生世界與人的關(guān)系更進一步,不僅數(shù)字人文專業(yè)研究者能夠通過沉浸式交互在孿生空間中觀察、測試,獲得分析和決策的信息支持,同時,便捷的語音、肢體動作等更直觀、簡潔的交互與操作方式也能進一步降低普通用戶參與門檻,為應用場景的創(chuàng)新和研究邊界的擴展提供可能。

4 數(shù)字孿生背景下文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)的運行模型

以文化遺產(chǎn)數(shù)字人文為導向,以數(shù)字孿生五維模型[27]為依據(jù),從系統(tǒng)各組成部分的關(guān)系角度提煉數(shù)字孿生背景下文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)的運行模型,剖析基于數(shù)字孿生技術(shù)的文化遺產(chǎn)各組成部分協(xié)同發(fā)力的底層邏輯關(guān)系,洞悉其運行機理,為數(shù)字孿生在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文項目建設(shè)中的推廣應用奠定理論基礎(chǔ)。 運行模型主要由5 部分組成,分別為文化遺產(chǎn)物理實體(Cultural Heritage Physical Entity,CHPE)、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體(Cultural Heritage Virtual Entity,CHVE)、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生服務(Cultural Heritage Services,CHss)、文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心(Cultural Heritage Data Center,CHDC)、數(shù)據(jù)連接(Connection, CN)。 基于數(shù)字孿生的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文運行模型以文化遺產(chǎn)物理實體、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生服務為主要端,三端數(shù)據(jù)雙向連接,匯總于文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)中心,進而實現(xiàn)運行模型的實時閉環(huán)、數(shù)據(jù)支撐、高保真與交互性三大核心特點。 其運行模型見圖3。

圖3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)運行模型

4.1 文化遺產(chǎn)物理實體

文化遺產(chǎn)物理實體是孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),其功能在于提供數(shù)據(jù)和執(zhí)行決策。 其中數(shù)據(jù)由歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀環(huán)境數(shù)據(jù)兩部分組成。 歷史數(shù)據(jù)經(jīng)由人機集合模式完成收集、清洗、轉(zhuǎn)換、分析等步驟,最終將結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)變成能反映特定領(lǐng)域研究重點的智慧數(shù)據(jù),推動數(shù)據(jù)的開放存取與復用,幫助獲得重大見解和洞察,推動文化遺產(chǎn)數(shù)字人文領(lǐng)域的前進和變革。 現(xiàn)狀環(huán)境數(shù)據(jù)依托高精度傳感設(shè)備采集并快速傳輸各類物理量信息以表征文化遺產(chǎn)實時狀態(tài)。 此外,傳感設(shè)備還可用于執(zhí)行反饋,將經(jīng)由文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體仿真模擬試驗通過的方案應用于物理實體,以更加安全、高效、節(jié)約的方式實施文化遺產(chǎn)保護與利用方案。

4.2 文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體

文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體是孿生系統(tǒng)的模型基礎(chǔ),包括文化遺產(chǎn)幾何模型(Geometry,GV)、物理模型(Physics,PV)、行為模型(Behavior,BV)和規(guī)則模型(Rule,RV)四類,共同實現(xiàn)對文化遺產(chǎn)物理實體多時間、空間維度的描述與刻畫[4]155-156。 通過對上述四類模型的組裝和融合,可形成高準確度和靈敏度的文化遺產(chǎn)歷史仿真體、現(xiàn)狀仿真體、管理仿真體,實現(xiàn)文化遺產(chǎn)原貌重現(xiàn),為文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供新思路。 例如,通過調(diào)用文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心存儲的文化遺產(chǎn)項目歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)等,實現(xiàn)對毀損嚴重的文化遺產(chǎn)建筑的虛擬重建、對文化遺產(chǎn)所處環(huán)境原貌的復現(xiàn)、對文化遺產(chǎn)的異地展示等,打破文化遺產(chǎn)時空界限,使文化遺產(chǎn)真正“活”起來,為文化遺產(chǎn)的數(shù)字人文建設(shè)提供更多便利。

4.3 文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生服務

文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生服務是孿生系統(tǒng)的價值體現(xiàn),通過對各類數(shù)據(jù)、算法、仿真、結(jié)果進行服務化封裝,提供功能性服務(Functional Service,FService)和業(yè)務性服務(Business Service,BService)。 功能性服務基于文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)部各工具組件、模塊引擎,支撐數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)部功能的運行和實現(xiàn),是業(yè)務性服務實現(xiàn)的前提。 業(yè)務性服務以軟件、移動應用等形式滿足不同領(lǐng)域、不同用戶的需求,可根據(jù)文化遺產(chǎn)數(shù)字人文研究實際需求進行定制,例如創(chuàng)建文化遺產(chǎn)線上公園移動應用,以其為載體平臺,實現(xiàn)文化遺產(chǎn)人文特征、歷史數(shù)據(jù)等的可視化呈現(xiàn),推動“數(shù)字孿生+”應用場景在教育、科研、旅游等多領(lǐng)域中的滲透。

4.4 文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心

文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心是孿生系統(tǒng)的驅(qū)動核心,包括物理實體數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生服務數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)連接與處理過程中形成的數(shù)據(jù)。 其主要功能在于分類、存儲各類數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換、預處理、關(guān)聯(lián)、集成、融合等操作,使信息更加全面與準確,進而推動信息的共享與增值。文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心是孿生系統(tǒng)各功能實現(xiàn)的基石,為多場景下的文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。 例如:在資源組織管理上,文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心為文化遺產(chǎn)智慧數(shù)據(jù)提供存儲空間;在產(chǎn)業(yè)化方面,依托文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心創(chuàng)新多樣態(tài)的線上數(shù)字經(jīng)濟,如線上遺產(chǎn)音樂節(jié)、文化遺產(chǎn)大講堂等活動,并探索文化遺產(chǎn)的市場化保護路徑,在傳承歷史文化的同時實現(xiàn)商業(yè)變現(xiàn),讓文化遺產(chǎn)的價值最大化;在文化教育維度,通過結(jié)合文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心與XR 技術(shù),打造“強在場感+強交互性”的新型學習方式;在遺產(chǎn)保護政策上,文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心通過結(jié)構(gòu)化處理、語義化分析,總結(jié)文化遺產(chǎn)政策缺陷,為完善文化遺產(chǎn)政策體系提供洞見;在學術(shù)研究方面,文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心通過實時更新文化遺產(chǎn)最新研究成果,并以恰當?shù)姆绞竭M行可視化呈現(xiàn),為研究人員及時獲取一手文獻提供便利。

4.5 文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)連接

數(shù)據(jù)連接是孿生系統(tǒng)的傳輸核心,幫助孿生系統(tǒng)各組成部分實現(xiàn)互聯(lián)互通。 文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)連接功能的正常運行,是保證文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)順暢運轉(zhuǎn)的必備條件。 其內(nèi)容包括物理實體和數(shù)據(jù)中心的連接(CN-PD)、物理實體和數(shù)字孿生體的連接(CN-PV)、物理實體和數(shù)字孿生服務的連接(CNPS)、數(shù)字孿生體與數(shù)據(jù)中心的連接(CN-VD)、 數(shù)據(jù)中心與數(shù)字孿生服務的連接(CN-SD)、數(shù)字孿生體與數(shù)字孿生服務的連接(CN-VS)。 其功能可分為四類:①規(guī)范各部分雙向數(shù)據(jù)的傳輸與反饋;②實現(xiàn)對文化遺產(chǎn)物理實體的運行優(yōu)化與調(diào)控;③實現(xiàn)對文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體的動態(tài)仿真、指令傳遞;④實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對數(shù)字孿生服務的優(yōu)化支持[28]。 文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)連接將文化遺產(chǎn)物理實體、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生體、文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生服務三端連接,最終匯總于文化遺產(chǎn)孿生數(shù)據(jù)中心,保證文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)通過自循環(huán)不斷更新完善,進而確保該運行模型的實時保真等效果,使文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的推廣應用成為可能。

5 結(jié)語

數(shù)字孿生理論及技術(shù)具有普適性,以文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)為實踐路徑,其在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文項目建設(shè)上具有廣闊前景。 目前已形成的“數(shù)字孿生+文化遺產(chǎn)數(shù)字人文”模式,在遺產(chǎn)資源管理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、文化教育、遺產(chǎn)保護、展覽傳播、學術(shù)研究等領(lǐng)域有著重要的應用。 通過對體系架構(gòu)的梳理、運行模型的提煉,本文展現(xiàn)了基于數(shù)字孿生技術(shù)的文化遺產(chǎn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的實現(xiàn)邏輯及主要功用,回答了數(shù)字孿生技術(shù)解決文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)現(xiàn)存問題的技術(shù)路徑與底層邏輯,以期從理論和實踐層面促進文化遺產(chǎn)的保護、傳承與利用。 當然,這一過程仍存在不少問題,如文化遺產(chǎn)利用深度不足、技術(shù)迭代升級速度不及預期等,但隨著文化遺產(chǎn)保護、傳承與利用理念的升級,如持續(xù)發(fā)展的動態(tài)保護理念[29]、線性文化遺產(chǎn)概念[30]等的引入,數(shù)字孿生技術(shù)必將在文化遺產(chǎn)數(shù)字人文建設(shè)中發(fā)揮更大作用。