李 建，張 杰

（1.河南工程學(xué)院計算機學(xué)院，河南 鄭州451191；2.河南工程學(xué)院藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，河南 鄭州451191）

1 VR/AR技術(shù)的特點

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是20世紀末逐漸興起，涉及計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、顯示技術(shù)、人機交互、傳感技術(shù)、人工智能等多個領(lǐng)域的綜合性技術(shù)，是近幾年快速發(fā)展的新一代信息技術(shù)之一。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性（Imagination）3個重要特征，常被稱為虛擬現(xiàn)實的3I特征。沉浸感是指用戶感受到完全置身于虛擬世界之中一樣；交互性指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度，用戶可以用更自然的方式與虛擬對象交互；構(gòu)想性指虛擬的場景是設(shè)計者想象并構(gòu)造出來的，體現(xiàn)了設(shè)計者相應(yīng)的思想，從而用來實現(xiàn)一定的目標(biāo)[1]。增強現(xiàn)實則是通過相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備，將虛擬的信息應(yīng)用到真實的場景，真實的場景和虛擬的對象實時地疊加到了同一個畫面同時存在，使現(xiàn)實得到了增強。

VR/AR技術(shù)的應(yīng)用，為認識世界提供了全新的方式和方法，可以使人類跨越時空，去體驗或經(jīng)歷世界上早已發(fā)生或未來將要發(fā)生的事件；可以使人們突破生理或客觀上的局限去探索微觀或宏觀世界；也可以模擬由于條件限制、危害性較大等原因而難以實現(xiàn)的事情。

2 VR/AR技術(shù)在歷史文化遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用

歷史文化遺產(chǎn)是民族的象征，具有很高的歷史和藝術(shù)價值。近年來，國家加大了對歷史文化遺產(chǎn)的保護力度，并于2016年啟動了“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”行動計劃，提出要借助VR/AR等新一代信息技術(shù)，以智能終端平臺或現(xiàn)場展示平臺為承載，展示文物的數(shù)字化系列產(chǎn)品，讓文物“活起來”。這不僅有利于保護歷史文物及遺產(chǎn)，還有利于促進旅游文化產(chǎn)業(yè)及社會經(jīng)濟的發(fā)展。當(dāng)前，VR/AR技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用通常有以下幾個方面。

2.1 古建筑和文物的數(shù)字化與復(fù)原

文物數(shù)字化就是指通過三維掃描、全景攝影、圖像處理等技術(shù)手段獲取文物的形狀、質(zhì)地、紋理、材料等屬性特征，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息進行存儲、處理和展示。文物的復(fù)原和修復(fù)技術(shù)是利用三維掃描、三維建模以及VR/AR等技術(shù)對文物進行數(shù)字化處理，生成文物的數(shù)字化孿生對象，將殘缺或已經(jīng)損毀的文物還原，使物質(zhì)文化遺產(chǎn)能夠再現(xiàn)歷史情境，從而達到文物保護的目的。

借助VR/AR等新一代信息技術(shù)對中國歷史文化遺產(chǎn)進行數(shù)字化和展示，可以永久地保存文物信息，減少人為因素對實體文物的損壞，還可以借助互聯(lián)網(wǎng)等新一代傳播媒體，較好地實現(xiàn)資源分享，提升宣傳效果。

2.2 歷史場景沉浸式再現(xiàn)

利用VR/AR技術(shù)能夠?qū)⒁呀?jīng)消失的歷史場景直觀地呈現(xiàn)在用戶面前，借助頭盔、VR眼鏡等相關(guān)設(shè)備，觀察者能夠以參與者的身份沉浸式的體驗和感受。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其生動逼真的3D虛擬場景，多樣化的交互方式，再配以當(dāng)?shù)貧v史背景及文化底蘊的介紹，將會讓文物古跡的壯觀和輝煌淋漓盡致地再現(xiàn)給世人，從而實現(xiàn)歷史文物遺產(chǎn)資源科學(xué)的、活靈活現(xiàn)的展現(xiàn)和傳承。

圓明園遺址的文物修復(fù)工程通過數(shù)字化手段全方位地復(fù)原和再現(xiàn)了“萬園之園”的輝煌盛景。觀眾借助數(shù)碼設(shè)備，在特定信息點就能身臨其境地感受到圓明園當(dāng)年的盛況，同時還可以深入了解建筑內(nèi)部的各種特征，促進歷史文化的全面?zhèn)鞒泻桶l(fā)展。

2.3 數(shù)字化博物館展示

數(shù)字博物館，就是通過技術(shù)手段，制作出虛擬的三維數(shù)字化博物館場景，參觀者能在虛擬的博物館中隨意游覽，觀看館內(nèi)各種藏品的三維仿真展示，查看各種藏品的相關(guān)信息資料。具有文物資源數(shù)字化、文物實體虛擬化、展示方式多樣化，信息傳遞網(wǎng)絡(luò)化、共享化、智能化等特點[2]。

線下的實體博物館利用AR技術(shù)，能夠在實體空間中構(gòu)建出虛實結(jié)合場景，對文物進行全方位、三維立體的展示，使靜態(tài)的文物動起來，增強了與體驗者的互動，使體驗者在觀賞文物的同時還能夠深入領(lǐng)略文物的歷史內(nèi)涵[3]。百度百科博物館計劃自2012年成立以來，就通過實境模擬、三維建模、全景攝影、VR/AR等多種技術(shù)手段把實體的博物館搬到線上，讓用戶通過互聯(lián)網(wǎng)就可以足不出戶地逛博物館。

2016-05，敦煌研究院推出的“數(shù)字敦煌”包括VR、AR和交互體驗3個部分，使敦煌瑰寶數(shù)字化，打破時間、空間限制，滿足人們游覽、欣賞、研究等需求。通過“數(shù)字敦煌”數(shù)字化系統(tǒng)，全球各地的網(wǎng)友都可以360°地欣賞石窟內(nèi)部跨越了北魏、西魏、北周、隋、唐等10個朝代的30個洞窟壁畫的高清數(shù)字圖像以及有關(guān)壁畫的文字介紹，并可以進行虛擬漫游體驗，如圖1所示。

圖1 “數(shù)字敦煌”網(wǎng)頁截圖

3 VR/AR技術(shù)在開封歷史文化街區(qū)數(shù)字化復(fù)原中的應(yīng)用

歷史文化街區(qū)是城市發(fā)展漫長過程的體現(xiàn)，作為城市的重要標(biāo)志，真實記載了城市的演變和歷史的變遷，是一種記載城市文化的重要物質(zhì)遺產(chǎn)，具有極高的歷史文化藝術(shù)價值。城市歷史文化街區(qū)最能體現(xiàn)一座城市所獨有的特色，是城市發(fā)展的見證和物質(zhì)載體。

當(dāng)前，國內(nèi)外已有多家研究院將VR/AR技術(shù)應(yīng)用于歷史街區(qū)、古建筑研究與保護，如故宮的VR“紫禁城”項目、“尋找東陽——秦漢東陽城市歷史”虛擬體驗項目、敦煌研究院推出的“數(shù)字敦煌”項目以及西班牙圣家大教堂虛擬現(xiàn)實項目等。下面，以開封市城市歷史文化街區(qū)為例，探討其應(yīng)用方式及文化、商業(yè)價值。

3.1 開封市歷史文化街區(qū)基本情況

在2019-08河南省委、省政府聯(lián)合印發(fā)的《鄭州大都市區(qū)空間規(guī)劃（2018—2035年）》中，將開封、新鄉(xiāng)、焦作、許昌納入鄭州大都市區(qū)，形成帶動周邊、輻射全國、聯(lián)通國際的核心區(qū)域。從鄭州大都市空間布局圖中可以看出，開封在鄭州大都市區(qū)的定位就是文化中心，這和開封自身厚重的歷史文化底蘊有著很大的關(guān)系。歷史文化遺產(chǎn)豐厚是開封的最大優(yōu)勢，做好宋都古城的保護與修繕，將開封“宋文化”打造成為與西安“漢唐文化”、北京“明清文化”三足鼎立的知名文化品牌，是開封未來打造國際文化旅游名城的第一步。

開封在歷史上是七朝古都，城市歷史悠久，盡管多次毀于戰(zhàn)亂和水患，但是城市仍然基本保持了北宋東京城等多個年代的城市格局，文化遺存豐厚。在改革開放之前，開封古城內(nèi)部更新的速度較為緩慢，城市形態(tài)相對穩(wěn)定。之后，在經(jīng)濟迅速發(fā)展的帶動下，城市內(nèi)部形態(tài)演變的速度急劇加快，日益激化了古城歷史景觀風(fēng)貌的保護與城市現(xiàn)代化發(fā)展之間的矛盾，而尚存的歷史文化遺存卻面臨著嚴峻的生存危機。為更好地保護河南省優(yōu)秀歷史文化遺產(chǎn)，保護古城歷史風(fēng)貌，根據(jù)《歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護條例》（國務(wù)院令第524號）等有關(guān)規(guī)定，河南省于2018年確定開封市書店街、馬道街以及雙龍巷歷史文化街區(qū)為第一批省級歷史文化街區(qū)。

3.2 打造虛實結(jié)合的開封歷史文化街區(qū)三維數(shù)字漫游系統(tǒng)

采用先進的VR/AR設(shè)備和技術(shù)，對開封古城主要歷史文化街區(qū)進行三維建模和仿真再現(xiàn)，構(gòu)造虛擬歷史街區(qū)的交互式場景，使體驗者可以穿越進入歷史場景中，讓老開封的故事隨著觀者的腳步展開，讓過去著名的歷史事件、人物、建筑等重現(xiàn)，并與之對話和互動，如同時光倒流，讓游客沉浸式地體驗文物發(fā)現(xiàn)和探索之旅。該三維數(shù)字漫游系統(tǒng)可以通過Web、移動通訊設(shè)備或虛擬現(xiàn)實設(shè)備瀏覽體驗，主要包括以下幾個部分。

3.2.1 古城區(qū)720°全景智慧漫游系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用航拍、全景攝像及虛擬現(xiàn)實合成技術(shù)，制作出開封古城區(qū)實景漫游系統(tǒng)。在城區(qū)歷史文化街區(qū)及歷史文化遺跡處建立熱區(qū)鏈接，可以點擊進入實景漫游[4]。在街區(qū)的古商鋪、名人故居或古建筑區(qū)域，有相關(guān)歷史資料的介紹，并可進一步點擊鏈接進入內(nèi)部游覽參觀。目前，已有部分街區(qū)的全景漫游系統(tǒng)建設(shè)運行，如雙龍巷歷史文化街區(qū)全景漫游系統(tǒng)，可以在Web端及移動設(shè)備上使用，如圖2所示。

圖2 手機端雙龍巷全景漫游系統(tǒng)

3.2.2 歷史文化遺跡不同年代數(shù)字化復(fù)原展示

歷次黃河水患使開封從戰(zhàn)國時代到清代2 000多年間的6座古城池深深淤埋于地面之下，掩埋在泥沙深處的座座古城，仿佛“疊羅漢”一般疊壓起來。經(jīng)考古發(fā)現(xiàn)，開封地下3～12 m處，上下疊壓著6座城池，構(gòu)成了“城摞城”奇觀。如今，除了“城摞城”“墻摞墻”，還發(fā)現(xiàn)了很多“路摞路”“城門摞城門”“馬道摞馬道”的奇特現(xiàn)象。這種景觀意味著，從古代的都城到現(xiàn)代的城市，層層疊加起來的數(shù)座開封城，南北中軸線居然沒有大的變動，多處重要建筑仍然在原址重新修建。

針對開封市歷史文化街區(qū)的三維數(shù)字化可以將不同時代歷史街區(qū)、典型建筑和景觀的物質(zhì)特征提取，以三維虛擬仿真的形式，再現(xiàn)歷史場景，從而突破城市街區(qū)的時空限制，重現(xiàn)歷史街區(qū)風(fēng)貌，提升城市歷史文化街區(qū)的展示效果。

目前，開封古馬道遺址博物館，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以6面8K高清LED屏，組合形成360°全沉浸虛擬環(huán)境空間，實現(xiàn)了裸眼3D效果，在充分保護現(xiàn)有三層馬道的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺址立面和遺址本體形成異型成像載體雙幕聯(lián)動，為游客帶來的是強烈而震撼的視覺沖擊力，加上AR導(dǎo)覽互動，真實實現(xiàn)人、景、物的交互體驗，站在城池之上，就能親眼目睹千年前的動態(tài)景象，見證開封古都的歷史變遷和傳承。

3.2.3 全息投影技術(shù)使歷史名人復(fù)活玩穿越

3D全息投影技術(shù)是一種將三維畫面懸浮在實景的半空中成像，營造了亦幻亦真的氛圍，效果奇特，具有強烈的縱深感，真假難辯。通過人物實時傳輸技術(shù)，完成互動。2013-09，去世18年的歌手鄧麗君“穿越時空210 s”與男歌手周杰倫同臺對唱，轟動一時，也讓被廣泛運用在數(shù)字特效中的“全息投影”技術(shù)成為了網(wǎng)友熱議的話題。

作為中國首批歷史文化名城，開封已有2 700多年的歷史，家喻戶曉的名人典故眾多，如范仲淹、歐陽修、王安石、司馬光、蘇軾、包拯、楊家將等，名人和名人文化給開封留下了寶貴的歷史文化遺產(chǎn)，是開封的珍貴城市名片。其中，孟子游梁見惠王；著名詩人李白、杜甫、高適相遇于汴州古吹臺把酒言歡；趙匡胤陳橋兵變建立北宋王朝；楊業(yè)祖孫三代英勇抗遼，天波楊府滿門忠烈，可歌可泣。這些歷史故事為世人傳頌。

當(dāng)游客正在古城區(qū)歷史文化街區(qū)閑庭信步地漫游，驀然回首發(fā)現(xiàn)院落廳堂之中，宋朝大思想家王安石正在與人激辯他的治國之策，其臨場感和參與感無比震撼。

3.3 歷史文化街區(qū)三維數(shù)字化復(fù)原的文化和商業(yè)價值

歷史文物具有不可再生性。VR/AR技術(shù)對文物古跡、歷史文化街區(qū)及古建筑工藝和制作流程可以進行完美的可視化數(shù)字呈現(xiàn)，讓這些即將消失的技藝得以傳承。對古遺址、古街區(qū)進行虛擬的仿真復(fù)原，可將一些在城市發(fā)展過程中破損的文物仿真復(fù)原，并通過沉浸式交互在博物館、歷史文化景區(qū)中展示出來，彌補了文物毀損帶來的感官缺陷。

歷史文化街區(qū)三維數(shù)字化工作是將整個街區(qū)及相關(guān)史料文獻數(shù)字化、虛擬化，整體“放進”一座數(shù)字化的虛擬博物館，再現(xiàn)歷史文化街區(qū)整體面貌、具體細節(jié)和文獻史料，并為街區(qū)建立數(shù)字信息庫，共享城市歷史文化街區(qū)的價值[5]。對古建筑、古遺址進行虛擬仿真，還可以提取更多的歷史文化價值，是對古城和古景區(qū)宣傳推廣的絕好方式。

4 結(jié)論

VR/AR技術(shù)應(yīng)用在文化遺產(chǎn)保護和數(shù)字化復(fù)原中，可突破時空限制充分發(fā)揮文物的價值。利用其采集的數(shù)據(jù)信息，可將考古研究數(shù)據(jù)和文獻記載進行匯總，充分使用相關(guān)設(shè)備和技術(shù)對遺址的地理環(huán)境進行相對分析和編纂，通過相關(guān)軟件把模型中的外形、材質(zhì)、紋理等信息導(dǎo)入渲染系統(tǒng)中，模擬地展示已經(jīng)湮滅了的文化遺址，多方位、多視角地向世界傳播中華文化。

充分利用VR/AR、人工智能等新一代信息技術(shù)，大力推進歷史文化遺產(chǎn)保護的數(shù)字化工作，為文化遺產(chǎn)的保護，研究、修復(fù)以及虛擬旅游提供了一種新的方法和平臺，是未來歷史文化遺產(chǎn)保護中必不可少，也是行之有效的技術(shù)手段，是“互聯(lián)網(wǎng)+中華文明”及“使文物活起來”的一項重要技術(shù)[6]。