VR/AR技术在历史文化街区保护与数字化复原中的应用研究
——以开封市历史文化街区为例*

李 建，张 杰

（1.河南工程学院计算机学院，河南 郑州451191；2.河南工程学院艺术设计学院，河南 郑州451191）

1 VR/AR技术的特点

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）、增强现实（Augmented Reality，简称AR）是20世纪末逐渐兴起，涉及计算机图形学、多媒体技术、显示技术、人机交互、传感技术、人工智能等多个领域的综合性技术，是近几年快速发展的新一代信息技术之一。

虚拟现实技术具有沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）3个重要特征，常被称为虚拟现实的3I特征。沉浸感是指用户感受到完全置身于虚拟世界之中一样；交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度，用户可以用更自然的方式与虚拟对象交互；构想性指虚拟的场景是设计者想象并构造出来的，体现了设计者相应的思想，从而用来实现一定的目标[1]。增强现实则是通过相应的技术和设备，将虚拟的信息应用到真实的场景，真实的场景和虚拟的对象实时地叠加到了同一个画面同时存在，使现实得到了增强。

VR/AR技术的应用，为认识世界提供了全新的方式和方法，可以使人类跨越时空，去体验或经历世界上早已发生或未来将要发生的事件；可以使人们突破生理或客观上的局限去探索微观或宏观世界；也可以模拟由于条件限制、危害性较大等原因而难以实现的事情。

2 VR/AR技术在历史文化遗产保护中的应用

历史文化遗产是民族的象征，具有很高的历史和艺术价值。近年来，国家加大了对历史文化遗产的保护力度，并于2016年启动了“互联网+中华文明”行动计划，提出要借助VR/AR等新一代信息技术，以智能终端平台或现场展示平台为承载，展示文物的数字化系列产品，让文物“活起来”。这不仅有利于保护历史文物及遗产，还有利于促进旅游文化产业及社会经济的发展。当前，VR/AR技术在文化遗产保护中的应用通常有以下几个方面。

2.1 古建筑和文物的数字化与复原

文物数字化就是指通过三维扫描、全景摄影、图像处理等技术手段获取文物的形状、质地、纹理、材料等属性特征，将其转化为数字信息进行存储、处理和展示。文物的复原和修复技术是利用三维扫描、三维建模以及VR/AR等技术对文物进行数字化处理，生成文物的数字化孪生对象，将残缺或已经损毁的文物还原，使物质文化遗产能够再现历史情境，从而达到文物保护的目的。

借助VR/AR等新一代信息技术对中国历史文化遗产进行数字化和展示，可以永久地保存文物信息，减少人为因素对实体文物的损坏，还可以借助互联网等新一代传播媒体，较好地实现资源分享，提升宣传效果。

2.2 历史场景沉浸式再现

利用VR/AR技术能够将已经消失的历史场景直观地呈现在用户面前，借助头盔、VR眼镜等相关设备，观察者能够以参与者的身份沉浸式的体验和感受。虚拟现实技术以其生动逼真的3D虚拟场景，多样化的交互方式，再配以当地历史背景及文化底蕴的介绍，将会让文物古迹的壮观和辉煌淋漓尽致地再现给世人，从而实现历史文物遗产资源科学的、活灵活现的展现和传承。

圆明园遗址的文物修复工程通过数字化手段全方位地复原和再现了“万园之园”的辉煌盛景。观众借助数码设备，在特定信息点就能身临其境地感受到圆明园当年的盛况，同时还可以深入了解建筑内部的各种特征，促进历史文化的全面传承和发展。

2.3 数字化博物馆展示

数字博物馆，就是通过技术手段，制作出虚拟的三维数字化博物馆场景，参观者能在虚拟的博物馆中随意游览，观看馆内各种藏品的三维仿真展示，查看各种藏品的相关信息资料。具有文物资源数字化、文物实体虚拟化、展示方式多样化，信息传递网络化、共享化、智能化等特点[2]。

线下的实体博物馆利用AR技术，能够在实体空间中构建出虚实结合场景，对文物进行全方位、三维立体的展示，使静态的文物动起来，增强了与体验者的互动，使体验者在观赏文物的同时还能够深入领略文物的历史内涵[3]。百度百科博物馆计划自2012年成立以来，就通过实境模拟、三维建模、全景摄影、VR/AR等多种技术手段把实体的博物馆搬到线上，让用户通过互联网就可以足不出户地逛博物馆。

2016-05，敦煌研究院推出的“数字敦煌”包括VR、AR和交互体验3个部分，使敦煌瑰宝数字化，打破时间、空间限制，满足人们游览、欣赏、研究等需求。通过“数字敦煌”数字化系统，全球各地的网友都可以360°地欣赏石窟内部跨越了北魏、西魏、北周、隋、唐等10个朝代的30个洞窟壁画的高清数字图像以及有关壁画的文字介绍，并可以进行虚拟漫游体验，如图1所示。

图1 “数字敦煌”网页截图

3 VR/AR技术在开封历史文化街区数字化复原中的应用

历史文化街区是城市发展漫长过程的体现，作为城市的重要标志，真实记载了城市的演变和历史的变迁，是一种记载城市文化的重要物质遗产，具有极高的历史文化艺术价值。城市历史文化街区最能体现一座城市所独有的特色，是城市发展的见证和物质载体。

当前，国内外已有多家研究院将VR/AR技术应用于历史街区、古建筑研究与保护，如故宫的VR“紫禁城”项目、“寻找东阳——秦汉东阳城市历史”虚拟体验项目、敦煌研究院推出的“数字敦煌”项目以及西班牙圣家大教堂虚拟现实项目等。下面，以开封市城市历史文化街区为例，探讨其应用方式及文化、商业价值。

3.1 开封市历史文化街区基本情况

在2019-08河南省委、省政府联合印发的《郑州大都市区空间规划（2018—2035年）》中，将开封、新乡、焦作、许昌纳入郑州大都市区，形成带动周边、辐射全国、联通国际的核心区域。从郑州大都市空间布局图中可以看出，开封在郑州大都市区的定位就是文化中心，这和开封自身厚重的历史文化底蕴有着很大的关系。历史文化遗产丰厚是开封的最大优势，做好宋都古城的保护与修缮，将开封“宋文化”打造成为与西安“汉唐文化”、北京“明清文化”三足鼎立的知名文化品牌，是开封未来打造国际文化旅游名城的第一步。

开封在历史上是七朝古都，城市历史悠久，尽管多次毁于战乱和水患，但是城市仍然基本保持了北宋东京城等多个年代的城市格局，文化遗存丰厚。在改革开放之前，开封古城内部更新的速度较为缓慢，城市形态相对稳定。之后，在经济迅速发展的带动下，城市内部形态演变的速度急剧加快，日益激化了古城历史景观风貌的保护与城市现代化发展之间的矛盾，而尚存的历史文化遗存却面临着严峻的生存危机。为更好地保护河南省优秀历史文化遗产，保护古城历史风貌，根据《历史文化名城名镇名村保护条例》（国务院令第524号）等有关规定，河南省于2018年确定开封市书店街、马道街以及双龙巷历史文化街区为第一批省级历史文化街区。

3.2 打造虚实结合的开封历史文化街区三维数字漫游系统

采用先进的VR/AR设备和技术，对开封古城主要历史文化街区进行三维建模和仿真再现，构造虚拟历史街区的交互式场景，使体验者可以穿越进入历史场景中，让老开封的故事随着观者的脚步展开，让过去著名的历史事件、人物、建筑等重现，并与之对话和互动，如同时光倒流，让游客沉浸式地体验文物发现和探索之旅。该三维数字漫游系统可以通过Web、移动通讯设备或虚拟现实设备浏览体验，主要包括以下几个部分。

3.2.1 古城区720°全景智慧漫游系统

该系统采用航拍、全景摄像及虚拟现实合成技术，制作出开封古城区实景漫游系统。在城区历史文化街区及历史文化遗迹处建立热区链接，可以点击进入实景漫游[4]。在街区的古商铺、名人故居或古建筑区域，有相关历史资料的介绍，并可进一步点击链接进入内部游览参观。目前，已有部分街区的全景漫游系统建设运行，如双龙巷历史文化街区全景漫游系统，可以在Web端及移动设备上使用，如图2所示。

图2 手机端双龙巷全景漫游系统

3.2.2 历史文化遗迹不同年代数字化复原展示

历次黄河水患使开封从战国时代到清代2 000多年间的6座古城池深深淤埋于地面之下，掩埋在泥沙深处的座座古城，仿佛“叠罗汉”一般叠压起来。经考古发现，开封地下3～12 m处，上下叠压着6座城池，构成了“城摞城”奇观。如今，除了“城摞城”“墙摞墙”，还发现了很多“路摞路”“城门摞城门”“马道摞马道”的奇特现象。这种景观意味着，从古代的都城到现代的城市，层层叠加起来的数座开封城，南北中轴线居然没有大的变动，多处重要建筑仍然在原址重新修建。

针对开封市历史文化街区的三维数字化可以将不同时代历史街区、典型建筑和景观的物质特征提取，以三维虚拟仿真的形式，再现历史场景，从而突破城市街区的时空限制，重现历史街区风貌，提升城市历史文化街区的展示效果。

目前，开封古马道遗址博物馆，利用虚拟现实技术，以6面8K高清LED屏，组合形成360°全沉浸虚拟环境空间，实现了裸眼3D效果，在充分保护现有三层马道的基础上，结合遗址立面和遗址本体形成异型成像载体双幕联动，为游客带来的是强烈而震撼的视觉冲击力，加上AR导览互动，真实实现人、景、物的交互体验，站在城池之上，就能亲眼目睹千年前的动态景象，见证开封古都的历史变迁和传承。

3.2.3 全息投影技术使历史名人复活玩穿越

3D全息投影技术是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的纵深感，真假难辩。通过人物实时传输技术，完成互动。2013-09，去世18年的歌手邓丽君“穿越时空210 s”与男歌手周杰伦同台对唱，轰动一时，也让被广泛运用在数字特效中的“全息投影”技术成为了网友热议的话题。

作为中国首批历史文化名城，开封已有2 700多年的历史，家喻户晓的名人典故众多，如范仲淹、欧阳修、王安石、司马光、苏轼、包拯、杨家将等，名人和名人文化给开封留下了宝贵的历史文化遗产，是开封的珍贵城市名片。其中，孟子游梁见惠王；著名诗人李白、杜甫、高适相遇于汴州古吹台把酒言欢；赵匡胤陈桥兵变建立北宋王朝；杨业祖孙三代英勇抗辽，天波杨府满门忠烈，可歌可泣。这些历史故事为世人传颂。

当游客正在古城区历史文化街区闲庭信步地漫游，蓦然回首发现院落厅堂之中，宋朝大思想家王安石正在与人激辩他的治国之策，其临场感和参与感无比震撼。

3.3 历史文化街区三维数字化复原的文化和商业价值

历史文物具有不可再生性。VR/AR技术对文物古迹、历史文化街区及古建筑工艺和制作流程可以进行完美的可视化数字呈现，让这些即将消失的技艺得以传承。对古遗址、古街区进行虚拟的仿真复原，可将一些在城市发展过程中破损的文物仿真复原，并通过沉浸式交互在博物馆、历史文化景区中展示出来，弥补了文物毁损带来的感官缺陷。

历史文化街区三维数字化工作是将整个街区及相关史料文献数字化、虚拟化，整体“放进”一座数字化的虚拟博物馆，再现历史文化街区整体面貌、具体细节和文献史料，并为街区建立数字信息库，共享城市历史文化街区的价值[5]。对古建筑、古遗址进行虚拟仿真，还可以提取更多的历史文化价值，是对古城和古景区宣传推广的绝好方式。

4 结论

VR/AR技术应用在文化遗产保护和数字化复原中，可突破时空限制充分发挥文物的价值。利用其采集的数据信息，可将考古研究数据和文献记载进行汇总，充分使用相关设备和技术对遗址的地理环境进行相对分析和编纂，通过相关软件把模型中的外形、材质、纹理等信息导入渲染系统中，模拟地展示已经湮灭了的文化遗址，多方位、多视角地向世界传播中华文化。

充分利用VR/AR、人工智能等新一代信息技术，大力推进历史文化遗产保护的数字化工作，为文化遗产的保护，研究、修复以及虚拟旅游提供了一种新的方法和平台，是未来历史文化遗产保护中必不可少，也是行之有效的技术手段，是“互联网+中华文明”及“使文物活起来”的一项重要技术[6]。