數字文化元宇宙關鍵技術對數字文化產業的影響分析

郭雪吟 劉永堅 白立華 施其明

（1.武漢理工大學，湖北 武漢 430070 ；2.武漢理工數字傳播工程有限公司，湖北 武漢 430074）

1.前言

數字經濟是繼農業經濟、工業經濟之后的主要經濟形態，是以數據資源為關鍵要素，以現代信息網絡為主要載體，以信息通信技術融合應用、全要素數字化轉型為重要推動力[1]，數字經濟時代的來臨，讓文化產業的數字化轉型升級迫在眉睫。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》明確提出了實施文化產業數字化戰略，加快發展新型文化企業、文化業態、文化消費模式。[2]2022 年5 月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于推進實施國家文化數字化戰略的意見》，意見提出探索數字化轉型升級的有效途徑[3]，為文化產業數字化發展指明了方向。

近年來，以技術集合化、虛實融合化、沉浸互動化、服務智能化為顯著特點的“元宇宙”從單純概念走向落地應用，并逐步進入大眾視野，深度賦能于各行各業。元宇宙的概念最早出自1992 年美國作家尼爾·斯蒂芬森的《雪崩》這部小說，小說中的元宇宙世界是一個沉浸式的共享空間，是與現實世界平行的虛擬世界。當然，書中對元宇宙的描述僅僅出自作家的想象，現實世界中元宇宙的發展得益于大數據、云計算、VR、AR、5G、人工智能、數字孿生、區塊鏈等新興技術的創新與規模化應用普及。元宇宙的誕生深度拓展了數字文化產業的生產、傳播和應用場景，從根本上改變了傳統文化產業的發展形態，推動了文化體驗服務模式的變革，也讓我國數字文化產業的創新發展走向了全新階段。但是，當前我國數字文化產業的發展仍然面臨一些問題，在元宇宙時代中發展受限，亟須一條合適的技術創新解決路徑。

武漢理工數字傳播工程有限公司是文化科技領域領軍企業，也是國家文化和科技融合示范基地，歷經近10 年發展，公司積累了豐富的技術實踐經驗。面對元宇宙發展浪潮，武漢理工數字傳播工程有限公司聯合武漢理工大學計算機與人工智能學院研究出了“數字文化元宇宙項目”，打造了集數字文化資源組織、數字文化個性化多模態推送與交互、數字文化數據管理與安全保護的平臺，為數字文化產業在元宇宙時代下的變革轉型提供參考。

2.數字文化產業發展中面臨的問題

2.1 優質內容服務稀缺

早在2017 年，文化部就印發了《關于推動數字文化產業創新發展的指導意見》[4]，但與其他發達國家相比。我國的數字文化產業發展仍處于初級階段，原創的、優質的數字文化產品稀缺，數字文化產品的社會影響力有限、創新能力薄弱，這些情形的存在使得我國數字文化產業生態系統缺乏可持續的發展動力。[5]尤其是與市場上龐大的受眾消費需求相比，優質數字文化產品和服務相對稀缺，難以充分滿足人民群眾多樣化、多層次、多方面的需求。

2.2 生產效率低下

相較于傳統產業，數字文化產業對技術的要求更高，但是，一方面由于現有技術無法滿足數字文化的生產需要，另一方面由于對技術的應用不足，導致了數字文化產業生產效率低下。例如，數字文化內容生產中包含大量的圖像元素應用，現有的文化元素數據中的圖像數據基本都是以光柵格式存儲在各地文化數據庫中，可應用范圍受到位圖圖像規格的限制。目前文化藝術元素矢量化方式主要通過設計師利用商用設計軟件進行人工矢量化。首先對圖像進行元素切分，對提取出的元素先提取線稿圖，然后基于原始的光柵圖對線稿圖進行上色，這兩個過程都伴隨著設計師對原圖的美化工作，從而才能設計出更符合元宇宙場景應用需求的矢量圖。此過程雖能生成高質量數字內容，但是需要消耗設計師大量的時間和精力，生產效率極低，這對數字文化的發展造成了嚴重障礙。

2.3 權益保護面臨挑戰

數字侵權是指在虛擬數字空間中，以數字人身份暢行其間的民事主體借助于虛擬數字平臺以及人工智能技術、區塊鏈技術等，侵害與現實世界形成映射關系的數字性權利，其中包括著作權、財產權、隱私權、名譽權、肖像權、身體權、人格權等[6]，長時間以來，數字文化產品的盜版與侵權現象屢見不鮮，對于相關主體的侵權責任的界定與追訴存在一定的模糊地帶，這成為影響數字文化創作、傳播和消費的關鍵要素。如一些數字文化產品魚龍混雜。2022 年5 月，徐悲鴻美術館發布聲明稱，關注到某些數字平臺以徐悲鴻的名義發售相關數字藏品。這些數字藏品的原始作品有些為假冒作品，有些不能提供完整的溯源證據，即便是真跡，也沒有得到授權，甚至有些與徐悲鴻根本無任何關系，嚴重侵害了原作者的名譽、身份權以及其后人的各項知識產權權利。又如，數字文化產業基本依托于線上消費，使得一些不法企業能通過平臺及開放程序接口等對用戶的社交網絡數據、視頻觀測數據、搜索引擎數據進行采集，甚至獲取到用戶行為數據及財務信息等身份數據，這讓用戶的財產權、隱私權等受到了嚴重侵害。[7]

2.“數字文化元宇宙”及其技術創新模式

2.1 “數字文化元宇宙項目”總體設計

“數字文化元宇宙”是武漢理工數字傳播工程有限公司、武漢理工大學計算機與人工智能學院提出的創新項目。本項目從出版行業出發，拓展至數字文化、數字文旅、數字化沉浸式體驗與新興消費場景，圍繞數字文化元宇宙體驗所需的數字內容組織與生產、興趣推薦與交互體驗、交易確權與保護三大方面進行關鍵技術研究，推進產學研相結合，推動科技賦能文化產業，項目總體架構如圖1 所示。

圖1 數字文化元宇宙項目總體架構圖

2.2 “數字文化元宇宙項目”的關鍵技術

2.2.1 人工智能驅動數字文化元宇宙資源組織生產技術

針對數字文化優質數字內容稀缺、內容形式多樣性不足、生產效率低下的問題，“數字文化元宇宙項目”提出一種基于知識可視化與深度視覺感知模型的AI 驅動數字文化元宇宙資源組織生產技術（如圖2）。該技術設計了基于改良力導向的數字資源知識圖譜可視化內容組織方法，進行點云語義分割標注，提出了基于擴散曲線的元素矢量化方法，搭建了多層次漸變結構保持圖像轉換系統，從而實現了虛擬數字文化資源的高效存儲、調用、組織、生產、發送，極大地提升了元宇宙沉浸式體驗數字內容的組織及生產效率。

圖2 人工智能驅動數字文化元宇宙資源組織生產技術路線圖

2.2.1.1 數字資源知識圖譜可視化內容組織方法

針對元宇宙沉浸式文化數字內容稀缺的問題，項目構建了數字文化元宇宙知識圖譜，以便有方向、有邏輯地開展內容生產和數據擴充的工作。知識圖譜可視表達是元宇宙交互的重要組成部分，其中最為常用的是節點鏈接法，在繪制節點鏈接圖的諸多布局算法中，由質心算法發展過來的力導向算法應用廣泛，但隨著數據規模的增大，傳統力導向算法的布局質量與渲染時間逐漸無法滿足用戶需求。因此，項目提出了一種改良的力導向布局思路，針對力導向算法渲染效率進行優化，并在此基礎上設計實現原型系統。該系統具有良好的布局質量與渲染效率，能夠很好地滿足上萬數據規模的知識圖譜可視表達需求，能夠呈現流暢自然的動畫效果，并具有良好的可擴展性。實現高效、高質量的知識圖譜的可視化。

2.2.1.2 基于擴散曲線的元素矢量化方法

目前大量數字文化圖像元素都以光柵圖形式存儲，而光柵圖在縮放時會出現失真或鋸齒，并且難以實現復雜的編輯設計操作，對其進行矢量化處理，能夠高效支持數字文化元素的編輯與創新設計，在元宇宙內容生產中具有廣闊的實際應用前景。針對元宇宙數字內容生產效率低下的問題，項目提出了基于擴散曲線的元素矢量化方法，采用基于擴散曲線的矢量化技術，通過擴散曲線生成與原圖結構關聯性強、色彩變化豐富、易于創作和編輯的矢量圖，再引入邊緣斷點連接算法和自適應顏色采樣算法進行優化，建設了智能/半智能矢量化系統，極大提高元宇宙數字內容中矢量內容的設計生產效率。

2.2.1.3 多層次漸變結構保持迭代式的圖像轉換技術

隨著人工智能、多媒體、文化數字化技術的不斷發展，社交網絡中的圖像和視頻等資源所占的比重不斷加大，對圖像處理的研究也不斷深入、細分。圖像風格化在各類視頻剪輯、動畫渲染等各個領域均有所應用。然而數字文化圖像類型、風格類別較少，其多樣性不足以支撐元宇宙用戶對數字文化內容豐富程度的需求。針對數字文化元宇宙資源及內容形式多樣性不足的問題，項目基于人工智能深度學習多層次漸變的、結構保持的、迭代式的圖像風格轉換技術，基于深度學習的漸變風格遷移框架，引入顯著性目標檢測網絡BASNet 和邊緣檢測網絡HED 計算內容圖與結果圖之間的全局和局部結構損失，對生成圖像的全局和局部結構進行約束保持圖像結構，引入基于二階統計量的特征融合層對風格遷移模型進行多風格擴展優化，產生可選擇的多樣化視覺風格。

2.2.2 數字文化個性化多模態推送與交互技術

數字文化元宇宙呈現與體驗重要的評價標準是交互的沉浸感、個性化和多樣性。“數字文化元宇宙”項目圍繞元宇宙用戶在數字文化與出版場景下的體驗，提出了數字資源跨領域推薦技術、數字資源多模態推送技術與3D 虛擬現實交互的文化資源數字化服務技術（如圖3），基于Web 端，安卓、ios、Pico 等移動端（大屏、小屏、穿戴設備）構建出3D 虛擬文化資源的數字化存儲—呈現—交互—管理服務體系。該系列技術通過對內容的個性化推薦和定制，提高讀者的文化體驗質量；通過個性化交互場景帶來的數字文化沉浸式體驗，提高用戶黏性，創造新興消費場景。

圖3 數字文化個性化多模態推送與交互技術路線圖

圖4 區塊鏈驅動的數據管理與安全保護技術路線圖

2.2.2.1 數字資源跨領域推薦技術

推薦系統是一種信息過濾工具，采用個性化的方式為用戶提供滿足其需求的內容，其在數字文化元宇宙內容推送中有較高的應用價值。然而，傳統單一領域下的推薦系統受限于冷啟動、數據稀疏等問題，不能為用戶提供精準化、個性化的內容。跨領域推薦為上述問題提供了解決方案，其利用輔助領域更加豐富的信息對用戶行為進行更加準確的建模，從而引導數據稀疏的目標領域下的推薦任務，提高推薦系統的綜合性能。但由于不同領域間存在數據異構與特征不匹配等問題，直接進行領域間的知識遷移可能會導致負面影響。本項目在真實數據集上對冷啟動場景進行模擬并開展實驗，分別從準確性、多樣性兩個方面綜合評估推薦算法性能。實驗結果表明，相比于其他單領域或跨領域推薦算法，項目團隊算法分別在MRR 及多樣性指標上提升了11.41%～29.76%和0.41%～2.11%，能夠在準確預測用戶既有偏好的同時，探索用戶更加廣泛的潛在興趣，從而提升用戶體驗并增強跨領域推薦的綜合性表現。

2.2.2.2 數字資源多模態推薦技術

針對數字文化場景體驗不滿足元宇宙個性化呈現需求的問題，個性化推薦系統已經是大多數面向用戶服務平臺中的關鍵部分。目前一系列的服務平臺，如電商平臺（亞馬遜、淘寶和京東）、社交平臺（微信、推特）、短視頻平臺（抖音、快手）都能通過推薦系統，為用戶提供他們可能感興趣的信息。這樣的體驗在數字文化的元宇宙實現中也至關重要。為了讓當前的數字文化場景體驗更加個性化、精準化，項目首先針對單個模態，結合用戶—項目交互二部圖構建單模態圖網絡，在單模態圖中學習用戶對此模態信息的偏好；利用GAT 聚合鄰居信息，豐富本節點表示；同時利用GRU 決定是否聚合鄰居信息，達到去噪效果；最后將各個模態圖學習到的用戶，項目表示通過注意力機制融合得到最終表示，然后送入預測模塊，進行融合注意力機制檢測，獲得較好的效果。

2.2.2.3 基于3D 虛擬現實交互的文化資源數字化服務技術

元宇宙虛擬世界應包括共享時間和空間、持久性、交互性以及化身等概念，同時還需考慮多用戶、在線、行動和互動等方面。因此在設計元宇宙虛擬世界時，需要綜合考慮這些因素，確保虛擬世界能夠滿足用戶對真實感、交互性和持久性等方面的需求。此外，在評估和分類虛擬世界技術時，也需要根據這些關鍵屬性來進行判斷。項目根據理論對技術進行抽樣，獲得了直接適用于技術的“虛擬世界”的定義。將所得定義與相關工作進行比較，用于對先進技術結合普及性強的設備平臺Pico 及Steam 進行視頻游戲、MANet、虛擬和混合現實以及元宇宙場景和內容的生產、搭建、應用、測試，提供了先進的3D 數字文化元宇宙交互體驗。

2.2.3 區塊鏈驅動的數據管理與安全保護技術

針對數字文化元宇宙用戶確權交易保障與安全性問題，“數字文化元宇宙”項目提出了區塊鏈驅動的數據管理與安全保護技術路線（如圖3）。該技術設計涵蓋了數據授權、節點身份認證、數據處理信息、大數據可視化管理、信息安全管理、溯源系統和虛擬資源處理等系列方案。平臺利用區塊鏈的分布式、不可篡改和去中心化等特性，提供安全可靠的數據管理、身份驗證、交易保障服務。該技術還包括基于區塊鏈的SDN 虛假流規則檢測系統，增強了網絡安全防護能力，確保了應用的規范化和標準化。

2.2.3.1 區塊鏈數字內容審核溯源技術

隨著數字文化元宇宙的觀眾面、數字內容數量以及服務主體對象越來越廣，內容審核服務解決方案市場規模也不斷增大。目前的內容審核主要借助人工審核、人工智能技術和第三方審核平臺的方式來解決內容監管問題，但各個審核機構存在信息孤島，導致大量數據被重復審核，難以建立起統一的共識審核標準，人工/智能審核技術難以追責。本項目采用區塊鏈技術作為切入點，設計了基于區塊鏈的廣電數字內容審核溯源系統，以解決內容審核行業存在的信息孤島、共識標準、追責困難等問題。使用Hyperledger Fabric（超級賬本）聯盟鏈作為核心技術點，基于MSP（身份服務提供者）和Fabric CA（證書頒發中心） 對系統內各個機構、用戶做到身份管理，根據系統權限策略給機構、用戶賦予相應的角色權限以規范訪問和鏈上操作行為，壓實責任，讓每個基于鏈上的行為可溯源，實現基于聯盟鏈的準入式機制，設計出審核的共識標準和積分策略。

2.2.3.2 區塊鏈多主體內容協同技術

針對多主體接入數字文化元宇宙協同的過程中存在協作程度受限、素材復用率低、缺乏有效激勵手段、現有平臺積分體系繁瑣等問題。本項目基于區塊鏈技術設計搭建了多主體協同體系，這不僅是系統數據資產交易市場中影響力數據資產定價的衡量標準，也是第三方機構投放廣告時的參考依據。

3.“數字文化元宇宙”項目對數字文化產業發展的作用

3.1 拓展數字文化市場空間

“數字文化元宇宙”項目將數字文化內容呈現在全球性的虛擬空間中，突破了地域限制，有效地擴大了數字文化市場的空間和受眾范圍。同時，通過虛擬現實、增強現實等技術，將用戶帶入線上虛擬世界中，為數字文化內容提供了更加真實、沉浸的交互體驗，增強了文化體驗的趣味性、互動性。此外，通過虛擬消費市場的打造，實現了更為靈活、便捷、安全的購買方式，為數字文化內容提供了更為廣泛的銷售渠道。當前，本項目的落地成果元宇宙書店、元宇宙圖書已廣泛應用于中國紡織出版社、四川人民出版社、吉林科學技術出版社、山西春秋電子音像出版社等多家出版單位，并取得了良好的經濟效益。

3.2 推動數字文化傳承與創新

從文化資源的數字化呈現方面來說，“數字文化元宇宙”項目在實施期間融合了數字技術和文化藝術，打造了數字文化交流與體驗的平臺。通過技術賦能，將文化資源中的藝術品、歷史文物等文化資源數字化，實現了文物資源的數據資料永久存儲與保護。同時，通過數字文化元宇宙平臺，使曾經深藏于博物館的藝術展品能夠跨越時間與空間的桎梏，以數字化模型的形式呈現給用戶，實現360 度的細節展示，規避了實物展陳對文物的破壞，也將寶貴的文化資源向大眾開放。用戶通過穿戴設備進入線上虛擬展廳，可與虛擬展品進行深度交互，例如：手持查看、放大細節等操作，有效地降低了公眾的文化體驗門檻，推動了數字文化的傳承與創新。

3.3 實現數字文化個性化觸達

元宇宙背景下，個性化的內容觸達逐步成為用戶的需求所向。“數字文化元宇宙”項目利用推薦算法，包括：數字資源跨領域推薦技術、數字資源多模態推薦技術以及基于3D 虛擬現實交互的文化資源數字化服務技術，對用戶的個人興趣、瀏覽歷史和行為數據等關鍵信息進行分析，結合時間、空間、場景對用戶行為進行預測，從而提供更加個性化、精準化的數字文化產品供給，幫助用戶發現和選擇更符合自己需求的內容產品。此外，通過對用戶行為的精準分析，還能夠更加靈活地組合內容資源，實現量身定制，讓數字文化資源與用戶實現深度連接。

3.4 助力數字文化版權保護

“數字文化元宇宙”項目提出的區塊鏈驅動的數據管理與安全保護技術，讓數字版權保護落地于文化產業，為助力數字版權保護，優化數字文化創作環境保駕護航。數字文化內容因為其虛擬屬性，版權保護體系將更為復雜，而區塊鏈可以實現去中心化的版權保護，通過將版權信息和交易記錄存儲在區塊鏈上，有效避免版權侵權和盜版行為，提高版權保護的效率和可靠性。將數字文化生產流程中的每一個環節都記錄在區塊鏈上，保證整個流程的透明性和可信度，形成可追溯的機制。同時區塊鏈技術能夠實現數據共享和交換，通過區塊鏈上的智能合約，實現文化資源提供方、文化內容生產方以及買家等各方面之間的數據共享和交換，促進文化產業的協同發展。

結語

隨著元宇宙技術的深度發展，“數字文化元宇宙“項目也將隨著技術生態的不斷優化和應用場景的不斷完善以持續改進升級，并衍生出更多文化產業服務創新業態。本文所構建的“數字文化元宇宙”項目雖取得了一定成果，但在關鍵技術研究上也存在一定程度的優化空間。例如數字文化內容知識版權的保護、經營利潤的分配、生產內容的質量等方面有待進一步完善。后續還將重點關注以上各方面，對相關的策略和技術進行深度研究及應用落地，不斷提升項目服務能力，為推動元宇宙時代數字文化產業的發展貢獻力量。