數(shù)字孿生技術(shù)在歷史情景復(fù)原中的應(yīng)用與研究

摘 要：進(jìn)行歷史研究時(shí)，很多歷史情景只存在于想象中，亭臺(tái)樓閣、非遺文化以及遺址、遺跡等都沒有具象可言。因此本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，通過數(shù)字化運(yùn)營解決方案，采用3D建模的方式進(jìn)行歷史情景復(fù)原設(shè)計(jì)，并結(jié)合歷史情景復(fù)原三維全景圖像的算法，構(gòu)建歷史情景復(fù)原產(chǎn)品3D模型。具體為利用數(shù)字孿生技術(shù)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、紋理映射處理以及3D建模對歷史情景進(jìn)行構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)對亭臺(tái)樓閣歷史情景的復(fù)原，構(gòu)建出亭臺(tái)樓閣的3D全景圖。旨在提高用戶體驗(yàn)，加強(qiáng)文化傳播。對傳統(tǒng)文化的傳承與傳播方式進(jìn)行創(chuàng)新式探索，使歷史文化在民族發(fā)展、國際社會(huì)交流和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；3D；歷史情景復(fù)原

中圖分類號：TP 39" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

數(shù)字孿生是由具有多種功能的物理終端產(chǎn)生的數(shù)字化“孿生雙胞胎”，是數(shù)字世界與物理世界映射與交互的關(guān)鍵技術(shù)，也是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展的產(chǎn)物。數(shù)字孿生的核心是以產(chǎn)品全生命周期為對象，以數(shù)字孿生體為載體，在虛擬空間中對物理產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化。在歷史復(fù)原中，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)3D建模，將歷史場景進(jìn)行具象化表達(dá)。

1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的歷史情景復(fù)原分析

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)在歷史情景復(fù)原中的重要性

傳統(tǒng)的歷史情景復(fù)原來源于考古學(xué)和歷史學(xué)研究，而數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用為歷史情景復(fù)原提供了新的可能性。通過虛擬現(xiàn)實(shí)的情景交互體驗(yàn)來進(jìn)行精神上的互動(dòng)[1]。目前，聚象科技將與深圳澳門設(shè)計(jì)中心舉辦的梵高油畫作品展進(jìn)行深入合作，將梵高的作品以高科技的方式進(jìn)行展示，使科技與傳統(tǒng)藝術(shù)完美結(jié)合，進(jìn)行歷史場景或產(chǎn)品可視化表達(dá)，因此數(shù)字孿生技術(shù)在歷史情景復(fù)原中十分重要。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)的歷史情景復(fù)原構(gòu)架

數(shù)字孿生技術(shù)是指在虛擬空間中對物理產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，在歷史情景復(fù)原中，可以通過交互式反饋觸動(dòng)實(shí)現(xiàn)歷史情景復(fù)原產(chǎn)業(yè)園與用戶的交流[2]。歷史情景復(fù)原組成與功能構(gòu)架圖如圖1所示。在本文系統(tǒng)中，5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等可作為技術(shù)支持，分別向上、下兩端傳遞信號，計(jì)算機(jī)與其他設(shè)備相結(jié)合，可完善歷史情景復(fù)原組成與功能。該系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，即用戶端、數(shù)字化后臺(tái)和5G信號。其中用戶端為用戶提供3D模型和虛擬場景，防火墻可保障用戶端設(shè)備安全，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息交互，使用戶能觀看相關(guān)歷史情景復(fù)原產(chǎn)品[3]。后臺(tái)交換機(jī)由管理員控制，可向并用戶進(jìn)行演示，對用戶操作現(xiàn)狀進(jìn)行反饋，從而完成藝術(shù)展示[4]。在數(shù)字孿生技術(shù)的歷史情景復(fù)原構(gòu)架中，三維模型是數(shù)字歷史情景復(fù)原的可視化載體，可進(jìn)行實(shí)景三維歷史全景展現(xiàn)。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在歷史情景復(fù)原中的相關(guān)算法

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)在歷史情景復(fù)原中的應(yīng)用

數(shù)字模型建立：利用數(shù)字孿生技術(shù)建立精確的歷史建筑、城市和環(huán)境數(shù)字模型。這些模型可以提供詳細(xì)的歷史建筑結(jié)構(gòu)信息和環(huán)境因素如氣候、植被等。

歷史事件模擬：采用數(shù)字孿生技術(shù)模擬歷史事件的發(fā)生過程，例如戰(zhàn)爭、災(zāi)難等。這種模擬可以幫助人們更好地理解歷史事件的經(jīng)過和影響，真實(shí)再現(xiàn)歷史場景。借助高科技，用戶可以身臨其境、更深刻地感知和理解人類在戰(zhàn)爭和歷史事件中所經(jīng)歷的復(fù)雜決策過程及其對整個(gè)社會(huì)的深刻沖擊。這樣的仿真，不僅為史學(xué)家們提供了一種有價(jià)值的研究手段，同時(shí)也使一般民眾直觀地看到整個(gè)歷史，加深對過往的了解和共鳴。

虛擬游覽：借助數(shù)字孿生技術(shù)建立一個(gè)將歷史性、標(biāo)志性建筑與地點(diǎn)轉(zhuǎn)換成具有交互作用的虛擬空間。在這個(gè)虛幻的時(shí)空里，游客可以在古老的街道上行走，觸摸古老的墻壁，體會(huì)逝去時(shí)光的獨(dú)特氣息。虛擬游覽不但開辟了一條嶄新的道路，使游客以一種從未有過的方式去了解過去，也給旅游業(yè)帶來了一場革命，讓人們對這些偏遠(yuǎn)而又充滿神秘色彩的地方有了更多的了解。這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)，對傳統(tǒng)的教學(xué)與觀光方式來說，無疑是一場巨大的變革，不僅拓展了資訊的傳播范圍，更帶給游客一種身臨其境的感覺。綜上所述，通過數(shù)字孿生技術(shù)，人們可以在虛擬環(huán)境中游覽歷史地點(diǎn)，體驗(yàn)歷史氛圍，該技術(shù)的開發(fā)對教育和旅游具有重要意義。

歷史物品復(fù)原：利用數(shù)字孿生技術(shù)復(fù)原已經(jīng)消失或受損的歷史物品，如藝術(shù)品、工具等。

2.2 相關(guān)算法

2.2.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由許多卷積和子采樣層組成，與完全連接的層相連。在數(shù)字孿生技術(shù)的歷史情景復(fù)原應(yīng)用中，卷積層的輸入是M×M×R圖像，其中m是圖像的高度和寬度，R是通道的數(shù)量，例如RGB圖像的R=3。卷積層具有大小為F×F×R的K個(gè)過濾器（感受野），其中n小于圖像的尺寸M，R為圖像（上一個(gè)輸入）的通道數(shù)。由于過濾器的小于圖像（上一個(gè)輸入），因此產(chǎn)生了局部連接的結(jié)構(gòu)，一個(gè)局部連接產(chǎn)生一個(gè)神經(jīng)元輸出。過濾器在整個(gè)圖像上滑動(dòng)，整個(gè)過程還同時(shí)由步幅（每一步移動(dòng)的像素?cái)?shù)）和補(bǔ)零（在圖像周圍補(bǔ)0，利用補(bǔ)零可以控制輸出體積的大?。┛刂?。通過這2個(gè)值可以計(jì)算出輸出的體積形狀[4]，如公式（1）所示。

（1）

式中：F為感受野（receptive field）的邊長；W為輸入單元的大小（寬或高）；K為輸出單元的深度；S為步幅；P為補(bǔ)零。

卷積的具體計(jì)算如圖2所示。

首先，在歷史情景復(fù)原中，需要對圖像的每一幀進(jìn)行分析，圖2的上方是產(chǎn)生第一個(gè)神經(jīng)元輸出的過程，下方是產(chǎn)生第二個(gè)神經(jīng)元輸出的過程。每個(gè)神經(jīng)元計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：i為i號神經(jīng)元；j為j號神經(jīng)元；xij為第i個(gè)樣本向量Xi的第j個(gè)元素；act為反正切函數(shù)。

其次，利用激活函數(shù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最常用的激活函數(shù)是ReLU函數(shù)，如公式（3）和圖3所示。

f（x）=max（0，x）" （3）

在現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，ReLU已經(jīng)在大部分場景里替代Sigmoid等激活函數(shù)，原因是ReLU計(jì)算量小，能使在反向傳播計(jì)算梯度過程中的計(jì)算量變小，節(jié)省整個(gè)過程的計(jì)算量。

再次，利用池化層，目的是減少輸出空間，以減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，更好地控制過擬合。最常見的池化層是最大池化層（Max Pooling Layer），如圖4所示的池化層是4×4的輸入通過2×2的最大池化層（步幅為2）得到2×2的輸出的過程。

最后，連接全連接層。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一大優(yōu)勢就是權(quán)重共享。在卷積計(jì)算過程中，圖像的每個(gè)局部都通過一個(gè)過濾器進(jìn)行計(jì)算，共享一個(gè)過濾器，而過濾器具有不同的作用，如檢查邊緣、形狀等，能應(yīng)用到圖像的不同局部，可以減少參數(shù)，加快運(yùn)算和收斂。因此卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能在很多方面都優(yōu)于普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]。

2.2.2 紋理映射處理

歷史情景復(fù)原是一種再現(xiàn)歷史事件、地點(diǎn)和物品的方法。在歷史情景復(fù)原模型構(gòu)建過程中，根據(jù)紋理定義域的不同，紋理可分為二維紋理和三維紋理，例如在瓦片模型的構(gòu)建中，基于紋理的表現(xiàn)形式，紋理可分為顏色紋理、幾何紋理和過程紋理。

二維紋理映射本質(zhì)上是將二維紋理的面與3維景物表面進(jìn)行映射。二維紋理通常被定義在一個(gè)平面范圍內(nèi)，可以通過數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行解析表示，也可以通過多種數(shù)字圖象進(jìn)行離散化定義。在這個(gè)面的任何一個(gè)點(diǎn)上都有一個(gè)灰度值或顏色值。該平面區(qū)域通常稱為紋理空間。繪制圖形時(shí)，應(yīng)用紋理映射方法可以方便地確定景物表面上任一點(diǎn)P在紋理空間中的對應(yīng)位置（s，t），而（s，t）處定義的紋理值或顏色值即描述了景物在物體空間中P點(diǎn)處的紋理特征。

從數(shù)學(xué)角度來看，f（x，y，z） 表示空間坐標(biāo)，紋理映射過程如公式（4）所示。

（s，t）=f（x，y，z） （4）

式中：（s，t）為紋理空間中的一個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)；（x，y，z）為物體空間中的對應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)；（x，y，z）=f 1（s，t），f 1（s，t）為（s，t）反函數(shù)；f和f -1分別為從物體空間（紋理空間）到紋理空間（物體空間）的映射函數(shù)。

一般假定映射函數(shù)為一個(gè)線性函數(shù)，如公式（5）所示。

（5）

常數(shù)a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2可由4個(gè)以上的已知紋理坐標(biāo)和空間坐標(biāo)的控制點(diǎn)間的對應(yīng)關(guān)系確定。用二維紋理確定一個(gè)類似斑馬圖案的紋理，然后將其繪制到三維物體上。

在紋理映射處理過程中，OpenGL使用了一種基于矩形網(wǎng)格的二維紋理貼圖方法，該方法在S、T這2個(gè)方向分別為0.0～1.0。因此，描繪風(fēng)景物體的表層肌理時(shí)要根據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)處理。

本文給出了一種構(gòu)造二次函數(shù)的新途徑。例如，參考高度h且參考半徑r的圓柱體的參數(shù)方程如公式（6）所示。

（6）

式中：0≤θ≤2π，0≤ψ≤1；r為半徑；h為高。

通過如公式（7）所示的線性變換，就可以將紋理空間[0，1]×[0，1]與參數(shù)空間[0，2π]×[0，1]等同起來，即通過圓柱面的參數(shù)表達(dá)式就可得到從景物空間到紋理空間的紋理映射表達(dá)方式。

（7）

2.2.3 3D圖形學(xué)原理

為使屏幕上顯示的物體具有三維立體感，需要確定描述物體各部分的位置，因此必須利用電腦視覺、三維造型等多種方法，識別被測對象的每個(gè)位置及其相互關(guān)系，進(jìn)而使創(chuàng)造出的物體更具直觀性。通常用三維直角坐標(biāo)系即X、Y、Z坐標(biāo)系，X軸表示物體的寬，Y軸表示物體的高度，Z軸表示物體的深度。

建模時(shí)一般會(huì)用到2種重要的坐標(biāo)系，即場景坐標(biāo)系和物體坐標(biāo)系。其中場景坐標(biāo)系是采用世界坐標(biāo)系系統(tǒng)的定義，它是一個(gè)絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，在各個(gè)視角中都有固定的軸向指定，不會(huì)隨著選定的作用視角而變化其軸向方位。物體坐標(biāo)系是一種對象內(nèi)部坐標(biāo)系，它可充分協(xié)助用戶對選擇的對象進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和比例變化等操作。

觀察點(diǎn)選擇在坐標(biāo)系的原點(diǎn)（0，0，0），通常假設(shè)觀察者就處于觀察點(diǎn)。不論模型形狀如何，模型上的任意一點(diǎn)都對應(yīng)于三維物體的一點(diǎn)，而物體的任意一點(diǎn)都可以用X、Y、Z坐標(biāo)確定，因此每一點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)都稱作它的世界坐標(biāo)。

建立模型的第一步就是確定物體的世界坐標(biāo)。世界坐標(biāo)也稱絕對坐標(biāo)或模型空間坐標(biāo)。物體的世界坐標(biāo)是模型的基礎(chǔ)，它形成了模型設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫。表示真實(shí)世界的X、Y、Z軸體系與編寫的程序沒有關(guān)系，與使用哪一種計(jì)算機(jī)也沒有關(guān)系。

3 數(shù)字孿生技術(shù)下歷史情景復(fù)原模型的設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 三維模型的構(gòu)建

三維模型的構(gòu)建分為3步。第一步，物體在三維坐標(biāo)系中的一系列世界坐標(biāo)中確定了三維模型的基本形狀。第二步，這個(gè)基本模型經(jīng)過適當(dāng)平移和旋轉(zhuǎn)到達(dá)新的位置，產(chǎn)生觀察坐標(biāo)。第三步，此模型被投影到平面上，投影公式將觀察坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)，即X、Y平面顯示坐標(biāo)。

3.2 歷史情景復(fù)原模型設(shè)計(jì)

3.2.1 古鎮(zhèn)景區(qū)模型的構(gòu)建

本文運(yùn)用3Ds MAX 9，搭載Win 10系統(tǒng)的主機(jī)和HTC虛擬制作三維作品，一般需要經(jīng)過制作和處理2個(gè)創(chuàng)作過程。歷史情景復(fù)原模型制作是古建筑漫游中的關(guān)鍵，是古建筑的第一站，也是一個(gè)地標(biāo)性的建筑。該模型通過Maya軟件、Photoshop CC軟件和Lumion軟件來實(shí)現(xiàn)。古建筑樓頂?shù)幕緲?gòu)成和造型特點(diǎn)是其由基座、4根相同的立柱、夾枰石、坊額以及樓頂組成。

3.2.2 樓頂模型的建立

樓頂模型的建立步驟如下所示。首先，新建一個(gè)立方體，選擇網(wǎng)格工具-插入循環(huán)邊工具。點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵切換到面級別，選擇需要擠出的面，再選擇編輯網(wǎng)格-面擠出工具，擠出厚度。其次，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵切換到對象模式，選擇網(wǎng)格工具-插入循環(huán)邊工具，擠出厚度，再次重復(fù)以上命令。再次，新建一個(gè)立方體，選擇網(wǎng)格工具-插入循環(huán)邊工具，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵切換到面級別，選擇需要擠出的面，再選擇編輯網(wǎng)格-面擠出工具，擠出厚度。點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵切換到邊級別，選擇右下角的邊，選擇編輯網(wǎng)格-倒角命令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。再分別選擇上方2條邊并選擇倒角命令。從次，新建一個(gè)立方體，重復(fù)以上命令。最后，將這3個(gè)立方體進(jìn)行組合。

3.2.3 瓦片模型的建立

新建一個(gè)六邊型圓柱體，端面細(xì)分?jǐn)?shù)改為2。右擊鼠標(biāo)進(jìn)入點(diǎn)級別，進(jìn)行數(shù)值調(diào)整。按下“E”快捷鍵進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，選擇編輯-特殊復(fù)制選項(xiàng)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，選擇網(wǎng)格-結(jié)合命令進(jìn)行編組，再選擇修改-居中樞紐命令調(diào)整中心點(diǎn)。新建一個(gè)細(xì)分寬度為4的立方體，右擊進(jìn)入點(diǎn)級別，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，選擇編輯-特殊復(fù)制選項(xiàng)，進(jìn)行復(fù)制。新建一個(gè)細(xì)分寬度為5、深度細(xì)分?jǐn)?shù)為4的立方體，按住“shift+d”進(jìn)行復(fù)制。選擇網(wǎng)格-結(jié)合進(jìn)行編組，再選擇編輯-特殊復(fù)制選項(xiàng)進(jìn)行對稱復(fù)制。最后新建一個(gè)圓柱體，進(jìn)行排列組合。

3.3 古鎮(zhèn)景區(qū)建模輸出結(jié)果

三維仿真展示和3D開發(fā)等技術(shù)將歷史建筑、空間及展品完整保留并真實(shí)復(fù)現(xiàn)，提供真實(shí)場景三維空間的虛擬漫游交互體驗(yàn)，不用出行也能在線上沉浸式暢游不同城市的復(fù)原的歷史情景，如圖5所示。

4 結(jié)語

結(jié)合上述分析，基于數(shù)字孿生技術(shù)的歷史情景復(fù)原設(shè)計(jì)將為歷史情景復(fù)原產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。本文結(jié)合現(xiàn)代化發(fā)展分析了歷史情景復(fù)原產(chǎn)品管理現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了歷史情景復(fù)原系統(tǒng)。該系統(tǒng)將數(shù)字孿生技術(shù)與現(xiàn)代化資源相結(jié)合，可通過建立虛擬環(huán)境構(gòu)建模型，通過數(shù)字孿生技術(shù)的“真實(shí)”加強(qiáng)用戶對歷史情景復(fù)原的興趣。該系統(tǒng)通過新的交互方式提升了用戶體驗(yàn)，有助于提高歷史情景復(fù)原產(chǎn)品的市場接受度。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)分析還能為用戶提供個(gè)性化服務(wù)，挖掘用戶需求，并促進(jìn)歷史情景復(fù)原產(chǎn)品的銷售。在未來，期待看到更多利用數(shù)字孿生技術(shù)的歷史情景復(fù)原產(chǎn)品的出現(xiàn)，以推動(dòng)文化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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