数字孪生技术在历史情景复原中的应用与研究

摘 要：进行历史研究时，很多历史情景只存在于想象中，亭台楼阁、非遗文化以及遗址、遗迹等都没有具象可言。因此本文结合数字孪生技术，通过数字化运营解决方案，采用3D建模的方式进行历史情景复原设计，并结合历史情景复原三维全景图像的算法，构建历史情景复原产品3D模型。具体为利用数字孪生技术、卷积神经网络、纹理映射处理以及3D建模对历史情景进行构架，实现对亭台楼阁历史情景的复原，构建出亭台楼阁的3D全景图。旨在提高用户体验，加强文化传播。对传统文化的传承与传播方式进行创新式探索，使历史文化在民族发展、国际社会交流和社会可持续发展中发挥更重要的作用。

关键词：数字孪生技术；3D；历史情景复原

中图分类号：TP 39" " " 文献标志码：A

数字孪生是由具有多种功能的物理终端产生的数字化“孪生双胞胎”，是数字世界与物理世界映射与交互的关键技术，也是人工智能、物联网、大数据和云计算等新一代信息技术与制造业融合发展的产物。数字孪生的核心是以产品全生命周期为对象，以数字孪生体为载体，在虚拟空间中对物理产品进行数字化模拟仿真，并进行实时监控、预测和优化。在历史复原中，数字孪生技术能够实现3D建模，将历史场景进行具象化表达。

1 基于数字孪生技术的历史情景复原分析

1.1 数字孪生技术在历史情景复原中的重要性

传统的历史情景复原来源于考古学和历史学研究，而数字孪生技术的应用为历史情景复原提供了新的可能性。通过虚拟现实的情景交互体验来进行精神上的互动[1]。目前，聚象科技将与深圳澳门设计中心举办的梵高油画作品展进行深入合作，将梵高的作品以高科技的方式进行展示，使科技与传统艺术完美结合，进行历史场景或产品可视化表达，因此数字孪生技术在历史情景复原中十分重要。

1.2 数字孪生技术的历史情景复原构架

数字孪生技术是指在虚拟空间中对物理产品进行数字化模拟仿真，在历史情景复原中，可以通过交互式反馈触动实现历史情景复原产业园与用户的交流[2]。历史情景复原组成与功能构架图如图1所示。在本文系统中，5G技术和物联网技术等可作为技术支持，分别向上、下两端传递信号，计算机与其他设备相结合，可完善历史情景复原组成与功能。该系统主要由3个部分组成，即用户端、数字化后台和5G信号。其中用户端为用户提供3D模型和虚拟场景，防火墙可保障用户端设备安全，进而实现信息交互，使用户能观看相关历史情景复原产品[3]。后台交换机由管理员控制，可向并用户进行演示，对用户操作现状进行反馈，从而完成艺术展示[4]。在数字孪生技术的历史情景复原构架中，三维模型是数字历史情景复原的可视化载体，可进行实景三维历史全景展现。

2 数字孪生技术在历史情景复原中的相关算法

2.1 数字孪生技术在历史情景复原中的应用

数字模型建立：利用数字孪生技术建立精确的历史建筑、城市和环境数字模型。这些模型可以提供详细的历史建筑结构信息和环境因素如气候、植被等。

历史事件模拟：采用数字孪生技术模拟历史事件的发生过程，例如战争、灾难等。这种模拟可以帮助人们更好地理解历史事件的经过和影响，真实再现历史场景。借助高科技，用户可以身临其境、更深刻地感知和理解人类在战争和历史事件中所经历的复杂决策过程及其对整个社会的深刻冲击。这样的仿真，不仅为史学家们提供了一种有价值的研究手段，同时也使一般民众直观地看到整个历史，加深对过往的了解和共鸣。

虚拟游览：借助数字孪生技术建立一个将历史性、标志性建筑与地点转换成具有交互作用的虚拟空间。在这个虚幻的时空里，游客可以在古老的街道上行走，触摸古老的墙壁，体会逝去时光的独特气息。虚拟游览不但开辟了一条崭新的道路，使游客以一种从未有过的方式去了解过去，也给旅游业带来了一场革命，让人们对这些偏远而又充满神秘色彩的地方有了更多的了解。这项技术的开发，对传统的教学与观光方式来说，无疑是一场巨大的变革，不仅拓展了资讯的传播范围，更带给游客一种身临其境的感觉。综上所述，通过数字孪生技术，人们可以在虚拟环境中游览历史地点，体验历史氛围，该技术的开发对教育和旅游具有重要意义。

历史物品复原：利用数字孪生技术复原已经消失或受损的历史物品，如艺术品、工具等。

2.2 相关算法

2.2.1 卷积神经网络

卷积神经网络由许多卷积和子采样层组成，与完全连接的层相连。在数字孪生技术的历史情景复原应用中，卷积层的输入是M×M×R图像，其中m是图像的高度和宽度，R是通道的数量，例如RGB图像的R=3。卷积层具有大小为F×F×R的K个过滤器（感受野），其中n小于图像的尺寸M，R为图像（上一个输入）的通道数。由于过滤器的小于图像（上一个输入），因此产生了局部连接的结构，一个局部连接产生一个神经元输出。过滤器在整个图像上滑动，整个过程还同时由步幅（每一步移动的像素数）和补零（在图像周围补0，利用补零可以控制输出体积的大小）控制。通过这2个值可以计算出输出的体积形状[4]，如公式（1）所示。

（1）

式中：F为感受野（receptive field）的边长；W为输入单元的大小（宽或高）；K为输出单元的深度；S为步幅；P为补零。

卷积的具体计算如图2所示。

首先，在历史情景复原中，需要对图像的每一帧进行分析，图2的上方是产生第一个神经元输出的过程，下方是产生第二个神经元输出的过程。每个神经元计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：i为i号神经元；j为j号神经元；xij为第i个样本向量Xi的第j个元素；act为反正切函数。

其次，利用激活函数。卷积神经网络中最常用的激活函数是ReLU函数，如公式（3）和图3所示。

f（x）=max（0，x）" （3）

在现代神经网络中，ReLU已经在大部分场景里替代Sigmoid等激活函数，原因是ReLU计算量小，能使在反向传播计算梯度过程中的计算量变小，节省整个过程的计算量。

再次，利用池化层，目的是减少输出空间，以减少网络参数，更好地控制过拟合。最常见的池化层是最大池化层（Max Pooling Layer），如图4所示的池化层是4×4的输入通过2×2的最大池化层（步幅为2）得到2×2的输出的过程。

最后，连接全连接层。卷积神经网络的一大优势就是权重共享。在卷积计算过程中，图像的每个局部都通过一个过滤器进行计算，共享一个过滤器，而过滤器具有不同的作用，如检查边缘、形状等，能应用到图像的不同局部，可以减少参数，加快运算和收敛。因此卷积神经网络的性能在很多方面都优于普通神经网络[3]。

2.2.2 纹理映射处理

历史情景复原是一种再现历史事件、地点和物品的方法。在历史情景复原模型构建过程中，根据纹理定义域的不同，纹理可分为二维纹理和三维纹理，例如在瓦片模型的构建中，基于纹理的表现形式，纹理可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理。

二维纹理映射本质上是将二维纹理的面与3维景物表面进行映射。二维纹理通常被定义在一个平面范围内，可以通过数学函数进行解析表示，也可以通过多种数字图象进行离散化定义。在这个面的任何一个点上都有一个灰度值或颜色值。该平面区域通常称为纹理空间。绘制图形时，应用纹理映射方法可以方便地确定景物表面上任一点P在纹理空间中的对应位置（s，t），而（s，t）处定义的纹理值或颜色值即描述了景物在物体空间中P点处的纹理特征。

从数学角度来看，f（x，y，z） 表示空间坐标，纹理映射过程如公式（4）所示。

（s，t）=f（x，y，z） （4）

式中：（s，t）为纹理空间中的一个像素点的坐标；（x，y，z）为物体空间中的对应点坐标；（x，y，z）=f 1（s，t），f 1（s，t）为（s，t）反函数；f和f -1分别为从物体空间（纹理空间）到纹理空间（物体空间）的映射函数。

一般假定映射函数为一个线性函数，如公式（5）所示。

（5）

常数a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2可由4个以上的已知纹理坐标和空间坐标的控制点间的对应关系确定。用二维纹理确定一个类似斑马图案的纹理，然后将其绘制到三维物体上。

在纹理映射处理过程中，OpenGL使用了一种基于矩形网格的二维纹理贴图方法，该方法在S、T这2个方向分别为0.0～1.0。因此，描绘风景物体的表层肌理时要根据具体环境进行适当处理。

本文给出了一种构造二次函数的新途径。例如，参考高度h且参考半径r的圆柱体的参数方程如公式（6）所示。

（6）

式中：0≤θ≤2π，0≤ψ≤1；r为半径；h为高。

通过如公式（7）所示的线性变换，就可以将纹理空间[0，1]×[0，1]与参数空间[0，2π]×[0，1]等同起来，即通过圆柱面的参数表达式就可得到从景物空间到纹理空间的纹理映射表达方式。

（7）

2.2.3 3D图形学原理

为使屏幕上显示的物体具有三维立体感，需要确定描述物体各部分的位置，因此必须利用电脑视觉、三维造型等多种方法，识别被测对象的每个位置及其相互关系，进而使创造出的物体更具直观性。通常用三维直角坐标系即X、Y、Z坐标系，X轴表示物体的宽，Y轴表示物体的高度，Z轴表示物体的深度。

建模时一般会用到2种重要的坐标系，即场景坐标系和物体坐标系。其中场景坐标系是采用世界坐标系系统的定义，它是一个绝对坐标系统，在各个视角中都有固定的轴向指定，不会随着选定的作用视角而变化其轴向方位。物体坐标系是一种对象内部坐标系，它可充分协助用户对选择的对象进行移动、旋转和比例变化等操作。

观察点选择在坐标系的原点（0，0，0），通常假设观察者就处于观察点。不论模型形状如何，模型上的任意一点都对应于三维物体的一点，而物体的任意一点都可以用X、Y、Z坐标确定，因此每一点的X、Y、Z坐标都称作它的世界坐标。

建立模型的第一步就是确定物体的世界坐标。世界坐标也称绝对坐标或模型空间坐标。物体的世界坐标是模型的基础，它形成了模型设计的数据库。表示真实世界的X、Y、Z轴体系与编写的程序没有关系，与使用哪一种计算机也没有关系。

3 数字孪生技术下历史情景复原模型的设计与结果分析

3.1 三维模型的构建

三维模型的构建分为3步。第一步，物体在三维坐标系中的一系列世界坐标中确定了三维模型的基本形状。第二步，这个基本模型经过适当平移和旋转到达新的位置，产生观察坐标。第三步，此模型被投影到平面上，投影公式将观察坐标转化为平面坐标，即X、Y平面显示坐标。

3.2 历史情景复原模型设计

3.2.1 古镇景区模型的构建

本文运用3Ds MAX 9，搭载Win 10系统的主机和HTC虚拟制作三维作品，一般需要经过制作和处理2个创作过程。历史情景复原模型制作是古建筑漫游中的关键，是古建筑的第一站，也是一个地标性的建筑。该模型通过Maya软件、Photoshop CC软件和Lumion软件来实现。古建筑楼顶的基本构成和造型特点是其由基座、4根相同的立柱、夹枰石、坊额以及楼顶组成。

3.2.2 楼顶模型的建立

楼顶模型的建立步骤如下所示。首先，新建一个立方体，选择网格工具-插入循环边工具。点击鼠标右键切换到面级别，选择需要挤出的面，再选择编辑网格-面挤出工具，挤出厚度。其次，点击鼠标右键切换到对象模式，选择网格工具-插入循环边工具，挤出厚度，再次重复以上命令。再次，新建一个立方体，选择网格工具-插入循环边工具，点击鼠标右键切换到面级别，选择需要挤出的面，再选择编辑网格-面挤出工具，挤出厚度。点击鼠标右键切换到边级别，选择右下角的边，选择编辑网格-倒角命令，进行参数设置。再分别选择上方2条边并选择倒角命令。从次，新建一个立方体，重复以上命令。最后，将这3个立方体进行组合。

3.2.3 瓦片模型的建立

新建一个六边型圆柱体，端面细分数改为2。右击鼠标进入点级别，进行数值调整。按下“E”快捷键进行旋转，选择编辑-特殊复制选项，进行参数调整，选择网格-结合命令进行编组，再选择修改-居中枢纽命令调整中心点。新建一个细分宽度为4的立方体，右击进入点级别，进行旋转，选择编辑-特殊复制选项，进行复制。新建一个细分宽度为5、深度细分数为4的立方体，按住“shift+d”进行复制。选择网格-结合进行编组，再选择编辑-特殊复制选项进行对称复制。最后新建一个圆柱体，进行排列组合。

3.3 古镇景区建模输出结果

三维仿真展示和3D开发等技术将历史建筑、空间及展品完整保留并真实复现，提供真实场景三维空间的虚拟漫游交互体验，不用出行也能在线上沉浸式畅游不同城市的复原的历史情景，如图5所示。

4 结语

结合上述分析，基于数字孪生技术的历史情景复原设计将为历史情景复原产业带来新的发展机遇。本文结合现代化发展分析了历史情景复原产品管理现状，设计了历史情景复原系统。该系统将数字孪生技术与现代化资源相结合，可通过建立虚拟环境构建模型，通过数字孪生技术的“真实”加强用户对历史情景复原的兴趣。该系统通过新的交互方式提升了用户体验，有助于提高历史情景复原产品的市场接受度。同时，利用数据分析还能为用户提供个性化服务，挖掘用户需求，并促进历史情景复原产品的销售。在未来，期待看到更多利用数字孪生技术的历史情景复原产品的出现，以推动文化产业发展。

参考文献

[1]方鹏飞，严实.基于数字孪生技术的物流园区仓储规划与决策仿真系统研究[J].物流研究，2024（1）：41-47.

[2]梁爱萍，张发清，蔡运忠，等.基于BIM+GIS+IoT技术的水利工程数字孪生工地建设管理系统研究与应用[J].水利技术监督，2024（2）：39-43.

[3]胡国芳，王丽，张磊.数字化背景下数字孪生技术的发展[J].质量与认证，2024（2）：36-38.

[4]徐波，孙启伟，任金秋，等.数字孪生汉江流域建设先行先试关键技术探讨[J].水利信息化，2023（6）：5-12.