数字孪生技术驱动下的文化遗产沉浸式体验设计研究

摘 要：数字孪生技术通过构建物理实体的虚拟镜像，为文化遗产保护与传播提供了全新路径。本文从技术架构与设计策略双重视角，探讨如何利用数字孪生实现文化遗产的沉浸式体验。研究提出多源数据融合、实时仿真引擎与虚实交互为核心的技术框架，并从叙事、空间、情感三维度构建设计方法论，平衡技术精度与人文温度，推动文化遗产从“静态保护”向“活态传承”转型。

关键词：数字孪生；文化遗产；沉浸式体验；虚实交互；文化认同

文化遗产的数字化保护已从“记录存档”迈向“体验重构”阶段，传统的展示方式受限于物理空间与单向传播模式，难以满足公众对文化深度参与的需求。数字孪生技术凭借其虚实映射、动态交互的特性，为文化遗产活化提供了新可能。本文聚焦两个核心问题：如何通过技术架构支撑沉浸式体验的真实性与实时性？如何通过设计策略实现文化遗产价值的有效传递？研究以技术实现为基石，以用户体验为导向，探索数字孪生与文化遗产的深度融合路径。

1.数字孪生驱动文化遗产沉浸式体验的技术架构

1.1 多源数据融合与高精度建模

文化遗产的数字孪生构建需整合多维度数据，通过激光扫描与近景摄影测量获取几何细节，利用光谱成像还原色彩与纹理，结合历史文献与考古记录补充语义信息。如敦煌莫高窟数字化项目中，团队将0.1毫米精度的三维模型与壁画病害数据叠加，形成兼具艺术价值与科研价值的数字资产[1]。数据融合的关键在于建立统一坐标系与语义网络，使碎片化信息转化为可计算的数字孪生体。

1.2实时渲染与物理仿真引擎

高保真渲染需突破传统离线渲染的时效限制。基于GPU加速的实时引擎可实现4K@60fps的视觉效果，同时通过物理引擎模拟材质衰变、光照变化等动态过程。例如，故宫数字孪生项目利用NVIDIA Omniverse平台，实时模拟太和殿木结构在湿度变化下的形变，为修缮提供科学依据。物理仿真还延伸至声学领域，通过空间音频算法复原古建筑特有的回声特征，增强沉浸感。

1.3虚实交互与多模态反馈

交互设计需突破“视觉中心主义”，构建触觉、听觉甚至嗅觉的多通道反馈系统。如在良渚古城遗址VR体验中，用户可通过手势识别“触摸”玉琮纹路，力反馈设备模拟雕刻阻力，环境香氛系统释放樟木气息，形成通感体验。交互逻辑设计需遵循“渐进式沉浸”原则，初期通过AR导览建立空间认知，中期借助VR进行角色扮演，最终在MR环境中实现虚实叠加创作[2]。

2.文化遗产沉浸式体验的设计策略

2.1 叙事设计：从“展示”到“参与”

传统文化遗产展示以单向输出为主，观众只能被动接受信息。数字孪生技术为叙事设计提供了双向交互的可能，设计师需要构建让用户从旁观者转变为参与者的故事框架。敦煌研究院推出的“数字藏经洞”项目为此提供了范本：用户不再只是观看壁画，而是以“供养人”身份进入虚拟场景，通过完成绘制经卷、参与法会等任务推动剧情发展。这种多线程叙事结构打破了时空限制，用户的选择会直接影响故事走向——若在修复壁画时操作失误，系统会模拟颜料剥落的视觉效果，并触发NPC的旁白提醒，使文化教育自然融入互动惩罚机制中[3]。

参与式叙事需要建立“游戏化”与“历史真实”的平衡点，三星堆数字展项通过角色扮演机制实现这一点，用户可选择考古队员、祭司、商队首领等身份，不同身份对应专属任务链。考古队员需要使用虚拟洛阳铲进行地层分析，祭司则要依据青铜神树纹样解读古蜀历法。任务奖励不是积分，而是解锁特定历史视角——当用户集齐三个不同身份的线索，才能拼凑出“蚕丛王迁徙”的完整故事。这种设计避免了娱乐化对文化严肃性的消解，让参与过程成为认知建构的过程。

2.2 空间设计：虚实空间的映射与拓展

数字孪生空间不应是实体场景的镜像复制，而应形成“虚实共生”的新维度。故宫端门数字馆通过混合现实技术实现了这种突破，观众佩戴HoloLens设备后，既能看到实体宫殿的原始结构，又能目睹被火灾损毁的建福宫花园在虚拟空间重生。设计师在空间映射中植入“时间轴”交互，用户通过手势滑动可切换不同朝代的空间形态，乾隆时期的彩绘梁枋与民国时期的斑驳墙皮在同一视角叠加，形成跨越时空的对话。

空间拓展需要突破物理限制，创造实体无法实现的体验场景。良渚古城遗址公园的MR体验项目构建了“水下王国”场景，用户站在现实中的河道旁，设备会投射出5000年前被淹没的古城全貌。当用户走向虚拟城墙时，脚下会泛起水波纹理，触碰特定位置会触发水位下降动画，逐层揭示城墙基座、房屋遗址等历史层积。这种虚实空间拓扑设计遵循“认知连贯性”原则，通过色彩渐变、光影过渡等视觉线索，使用户在虚实穿梭时不产生割裂感[4]。

2.3 情感设计：文化认同的激发

情感共鸣是文化遗产传承的核心目标，数字孪生技术提供了精准的情感触发机制。秦始皇帝陵博物院开发的“兵马俑工匠”体验项目，通过生物识别技术捕捉用户微表情，当检测到专注神情时，系统会降低虚拟陶俑烧制难度并增加成功音效反馈；若用户显得焦躁，则模拟陶土开裂过程并推送“秦代工匠十诫”文字提示。这种动态难度调节机制将文化教育转化为情感驱动的自主学习过程。

个性化推荐算法能深化文化认同感，敦煌研究院的“飞天专线”系统会分析用户游览轨迹，若发现某游客在“反弹琵琶”壁画前停留超时，后续体验会优先推送相关乐舞知识，并在用户离开场馆时通过AR技术让飞天形象“跟随”其移动路径[5]。更深入的情感设计体现在文化基因的现代转译中，故宫文物医院数字展项将清代缂丝技艺解构为像素编织游戏，用户完成的数字作品可转化为实体文创产品的纹样，这种“创作-生产-消费”闭环使传统文化基因在当代语境中完成自我迭代。

3.结语

数字孪生技术为文化遗产保护开辟了虚实融合的新维度，但其核心价值始终在于“以技术之器，载文化之道”。未来研究需关注三个方向：一是构建文化遗产数字孪生的伦理框架，防范历史真实性的技术解构风险；二是发展轻量化部署方案，使中小型遗址也能享受技术红利；三是探索AI辅助的内容生成模式，释放设计师创造力。当数字孪生褪去技术光环，真正成为连接过去与未来的文化桥梁时，文化遗产方能实现“永续传承，活态新生”。

【参考文献】

[1]刘凌逸，张军，董浩宇.基于文献计量的文化遗产数字化体验设计中外语境研究比较[J].包装工程， 2025（2）.

[2]刘家兴，张烈.基于文献计量学的国外文化遗产虚拟体验设计研究进展可视化分析[J].包装工程， 2024， 45（20）：58-80.

[3]肖 恰.非物质文化遗产数字化平台的沉浸式交互体验设计[J].前卫， 2024（1）：0013-0015.

[4]傅燕翔，谢杰妮，李智欣.非物质文化遗产数字化平台的沉浸式交互体验设计研究[J].工业设计， 2023（5）：108-111.

[5]霍燚，赵忠华，梁梓昱.音乐类非遗馆科普互动体验设计初探——以天坛神乐署八音乐器互动体验为例[J].花溪， 2023（2）：0073-0075.

项目名称：韩国延世大学博士后专业经营项目

作者简介： 徐莉婷 （2005-）女，汉族，浙江杭州人，学生， 研究方向：数字媒体

李妙君 （1986-）女，汉族，浙江宁波人，博士研究生，研究方向：艺术经营管理

何东润 （1993-）， 男，满族，辽宁抚顺人，博士，讲师，研究方向：艺术教育