VR/AR技術在歷史文化街區保護與數字化復原中的應用研究
——以開封市歷史文化街區為例*

李 建，張 杰

（1.河南工程學院計算機學院，河南 鄭州451191；2.河南工程學院藝術設計學院，河南 鄭州451191）

1 VR/AR技術的特點

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

虛擬現實技術具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構想性（Imagination）3個重要特征，常被稱為虛擬現實的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境內物體的可操作程度，用戶可以用更自然的方式與虛擬對象交互；構想性指虛擬的場景是設計者想象并構造出來的，體現了設計者相應的思想，從而用來實現一定的目標[1]。增強現實則是通過相應的技術和設備，將虛擬的信息應用到真實的場景，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，使現實得到了增強。

VR/AR技術的應用，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，去體驗或經歷世界上早已發生或未來將要發生的事件；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的事情。

2 VR/AR技術在歷史文化遺產保護中的應用

歷史文化遺產是民族的象征，具有很高的歷史和藝術價值。近年來，國家加大了對歷史文化遺產的保護力度，并于2016年啟動了“互聯網+中華文明”行動計劃，提出要借助VR/AR等新一代信息技術，以智能終端平臺或現場展示平臺為承載，展示文物的數字化系列產品，讓文物“活起來”。這不僅有利于保護歷史文物及遺產，還有利于促進旅游文化產業及社會經濟的發展。當前，VR/AR技術在文化遺產保護中的應用通常有以下幾個方面。

2.1 古建筑和文物的數字化與復原

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

借助VR/AR等新一代信息技術對中國歷史文化遺產進行數字化和展示，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，還可以借助互聯網等新一代傳播媒體，較好地實現資源分享，提升宣傳效果。

2.2 歷史場景沉浸式再現

利用VR/AR技術能夠將已經消失的歷史場景直觀地呈現在用戶面前，借助頭盔、VR眼鏡等相關設備，觀察者能夠以參與者的身份沉浸式的體驗和感受。虛擬現實技術以其生動逼真的3D虛擬場景，多樣化的交互方式，再配以當地歷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給世人，從而實現歷史文物遺產資源科學的、活靈活現的展現和傳承。

圓明園遺址的文物修復工程通過數字化手段全方位地復原和再現了“萬園之園”的輝煌盛景。觀眾借助數碼設備，在特定信息點就能身臨其境地感受到圓明園當年的盛況，同時還可以深入了解建筑內部的各種特征，促進歷史文化的全面傳承和發展。

2.3 數字化博物館展示

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

線下的實體博物館利用AR技術，能夠在實體空間中構建出虛實結合場景，對文物進行全方位、三維立體的展示，使靜態的文物動起來，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略文物的歷史內涵[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等多種技術手段把實體的博物館搬到線上，讓用戶通過互聯網就可以足不出戶地逛博物館。

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

圖1 “數字敦煌”網頁截圖

3 VR/AR技術在開封歷史文化街區數字化復原中的應用

歷史文化街區是城市發展漫長過程的體現，作為城市的重要標志，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遺產，具有極高的歷史文化藝術價值。城市歷史文化街區最能體現一座城市所獨有的特色，是城市發展的見證和物質載體。

當前，國內外已有多家研究院將VR/AR技術應用于歷史街區、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“數字敦煌”項目以及西班牙圣家大教堂虛擬現實項目等。下面，以開封市城市歷史文化街區為例，探討其應用方式及文化、商業價值。

3.1 開封市歷史文化街區基本情況

在2019-08河南省委、省政府聯合印發的《鄭州大都市區空間規劃（2018—2035年）》中，將開封、新鄉、焦作、許昌納入鄭州大都市區，形成帶動周邊、輻射全國、聯通國際的核心區域。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系。歷史文化遺產豐厚是開封的最大優勢，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，開封古城內部更新的速度較為緩慢，城市形態相對穩定。之后，在經濟迅速發展的帶動下，城市內部形態演變的速度急劇加快，日益激化了古城歷史景觀風貌的保護與城市現代化發展之間的矛盾，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秀歷史文化遺產，保護古城歷史風貌，根據《歷史文化名城名鎮名村保護條例》（國務院令第524號）等有關規定，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為第一批省級歷史文化街區。

3.2 打造虛實結合的開封歷史文化街區三維數字漫游系統

采用先進的VR/AR設備和技術，對開封古城主要歷史文化街區進行三維建模和仿真再現，構造虛擬歷史街區的交互式場景，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，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現和探索之旅。該三維數字漫游系統可以通過Web、移動通訊設備或虛擬現實設備瀏覽體驗，主要包括以下幾個部分。

3.2.1 古城區720°全景智慧漫游系統

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

圖2 手機端雙龍巷全景漫游系統

3.2.2 歷史文化遺跡不同年代數字化復原展示

歷次黃河水患使開封從戰國時代到清代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。經考古發現，開封地下3～12 m處，上下疊壓著6座城池，構成了“城摞城”奇觀。如今，除了“城摞城”“墻摞墻”，還發現了很多“路摞路”“城門摞城門”“馬道摞馬道”的奇特現象。這種景觀意味著，從古代的都城到現代的城市，層層疊加起來的數座開封城，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的三維數字化可以將不同時代歷史街區、典型建筑和景觀的物質特征提取，以三維虛擬仿真的形式，再現歷史場景，從而突破城市街區的時空限制，重現歷史街區風貌，提升城市歷史文化街區的展示效果。

目前，開封古馬道遺址博物館，利用虛擬現實技術，以6面8K高清LED屏，組合形成360°全沉浸虛擬環境空間，實現了裸眼3D效果，在充分保護現有三層馬道的基礎上，結合遺址立面和遺址本體形成異型成像載體雙幕聯動，為游客帶來的是強烈而震撼的視覺沖擊力，加上AR導覽互動，真實實現人、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 全息投影技術使歷史名人復活玩穿越

3D全息投影技術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，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字特效中的“全息投影”技術成為了網友熱議的話題。

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，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。

當游客正在古城區歷史文化街區閑庭信步地漫游，驀然回首發現院落廳堂之中，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 歷史文化街區三維數字化復原的文化和商業價值

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

歷史文化街區三維數字化工作是將整個街區及相關史料文獻數字化、虛擬化，整體“放進”一座數字化的虛擬博物館，再現歷史文化街區整體面貌、具體細節和文獻史料，并為街區建立數字信息庫，共享城市歷史文化街區的價值[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，是對古城和古景區宣傳推廣的絕好方式。

4 結論

VR/AR技術應用在文化遺產保護和數字化復原中，可突破時空限制充分發揮文物的價值。利用其采集的數據信息，可將考古研究數據和文獻記載進行匯總，充分使用相關設備和技術對遺址的地理環境進行相對分析和編纂，通過相關軟件把模型中的外形、材質、紋理等信息導入渲染系統中，模擬地展示已經湮滅了的文化遺址，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，大力推進歷史文化遺產保護的數字化工作，為文化遺產的保護，研究、修復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保護中必不可少，也是行之有效的技術手段，是“互聯網+中華文明”及“使文物活起來”的一項重要技術[6]。