沉浸式虛擬技術在文化遺產領域的研究現狀與熱點分析

文／吳 玨，俞佳楠，陳絮菲（浙江理工大學 藝術與設計學院）

虛擬現實，是指在理想狀態下，讓用戶能夠完全沉浸于虛擬的數字合成世界，并能與虛擬環境進行自然互動的一種技術。增強現實是指在一種實時運行、交互的可視化技術，通過疊加計算機生成的信息來增強對現實世界的認知。混合現實則是在融合增強現實和虛擬現實技術基礎上，創造真實與虛擬內容共存并實時交互的環境。隨著現代技術的高速發展，VR、AR、XR等沉浸式虛擬技術可用性得到提升，這些技術的融入使得文化遺產能夠以數字化的形式進行訪問，也使得用戶能夠以更加有創造性和吸引力的方式體驗文化遺產，大大增加了文化受眾的數量，提高了內容傳播的質量，為文化遺產的保護與傳承提供一種新的解決方式。

沉浸式技術改變了人們感知和認識文化遺產的方式，應用前景好，受到了人們關注，許多學者、從業者加入到其中的研究與應用中來，因此有必要在這發展階段對現有的研究進行整體回顧，以快速了解本領域的發展概況。本文借助可視化軟件CiteSpace，對WOS核心數據庫中使用VR、AR、XR等相關技術在文化遺產領域的文獻研究進行統計分析，以期采用可視化的方式對數據結果進行轉化和展示，從而揭示虛擬技術在文化遺產領域的發展現狀、研究熱點和主題。

一、數據來源與統計

1.1 研究方法

1.2 數據來源/檢索策略

本研究基于AR、VR、XR技術，其共有特征在于呈現出了不同程度的沉浸感。由于目前沒有統一的概念，本文承用Roberto Pierdicca等[1]所使用的術語“沉浸式現實”進行概括，并將搜索式設置為TS="(AR OR VR OR XR OR virtual reality OR augmented reality OR mixed reality OR virtual technology OR immersive virtual)"AND"TS=(cultural heritage)， 選 擇 文 獻 類 型"article""review"和"processing paper"，語種選擇"English"，時間跨度選擇“所有年份”，在WOS數據庫檢索獲得1258條數據（截止2021年7月1日）。將數據以"download"為抬頭進行命名，導入CiteSpace后使用WOS區塊的數據除重功能剔除重復文獻，獲得轉換后的數據。

二、文獻計量分析

2.1 發文量

通過對WOS核心數據庫中所獲取的文獻進行統計分析，獲得沉浸式虛擬技術在文化遺產領域相關文獻的年份發文量分布圖（見圖1）。對發文量統計圖進行分析（由于檢索時間截止到2021年7月1日，該年只得到文章53篇），可以看出文獻數量整體呈增長趨勢。由圖1可知，該領域相關研究始于2007年，到2010年間年發文量在20篇左右，整體處于緩慢起步階段；2011年文獻數量出現明顯上升，說明人們逐漸提高對沉浸式虛擬技術與文化遺產的關注；從2012年起，相關研究成果不斷涌現，文獻數量大幅度上升，在2015年出現第一個小高峰；2019年，年度文獻數量已高達193篇。2020年全球性新冠肺炎爆發，全球各國經濟發展遭遇阻礙，人們正常的生活受到了不同程度影響，多重原因綜合導致該年發文量有所下降，但仍保持有141篇的發表量。同時，疫情隔離使得人們對遠程辦公等現代技術的需求劇增，反向推動了沉浸式虛擬技術的發展。統計2016—2020年的發文量可知，近5年的發文量共計779篇，占總發文量的64.6%（由于2021年數據量不足暫不做統計），且發文趨勢較為穩定，表明近幾年以及未來幾年是該領域研究的“井噴期”。可以預見，2021年相關的研究成果有望恢復到疫情前的正常水平，甚至實現進一步增長。

圖1 年份發文量分布

2.2 國家/地區分布

統計顯示，該領域有100個國家或地區進行了研究，可得國家/地區間的合作關系（見圖2）。整合機構及其所屬國家，篩選得到發文量排名前10的國家/地區與機構排名（見表1）。意大利位于首位，發表了354篇文章，且中介中心性最高，達0.31，可見意大利在該領域占據十分重要的地位；中國位于第二，發表文章114篇，西班牙、希臘分別發表文章98篇和91篇。但中國和希臘的中心性分別只有0.08和0.06，遠不及意大利的0.31和希臘的0.2，也低于位列第五、第六的英國(0.17)和法國(0.15），表明我國雖十分重視對文化遺產領域的研究，但相關研究影響力并不大，研究人員應該努力提高研究的深度與水平。

表1 排名前10的國家/地區

圖2 國家/地區間的合作關系

2.3 發文機構

為了解研究虛擬技術在文化遺產領域應用與發展相關機構的合作情況，選擇“institution”為節點，年限跨度選擇2007—2021年，切片時間選擇“1年”，剪枝方式設置為“pathfinder”，獲得研究機構合作圖譜（見圖3）。圖中節點越大代表發文量越多；同時收集發文機構間的合作次數、中心度、首次合作時間、所在國家等信息，選取合作次數≥10次的機構，繪制該領域合作頻次前12的機構見表2。

表2 合作頻次排名前12的機構

通過分析圖表，可見研究主要集中于大學、研究院。機構合作網絡中有3條明顯的連線，閱讀圖釋N=461，可知共有461個節點，且網格整體密度僅有0.002 3，說明世界各國在文化遺產的保護傳承領域廣泛應用虛擬技術并開展了相關研究。但不同機構間的作者合作較少，機構的國際研究合作較為分散，目前還未形成凝聚力極強的科研團體。同時，表中有4所機構來自意大利，這與結果一致，再次印證了意大利在該領域的研究走在世界前列。“year”是某一機構與其他機構首次達成合作的年份，由圖3可知，意大利的米蘭理工大學、巴勒莫大學對外合作始于2007年（研究起始年），為該領域打下了研究基礎。

圖3 機構合作圖譜

三、研究熱點分析

本文采取熱門學科分析、高頻關鍵詞分析、文獻高被引分析3種方法處理和分析所得數據，獲得虛擬技術在文化遺產領域的主流學科以及研究熱點信息。

遲恒請來兩位退了休的工程師，一位水利，一位園林，帶了簡單的儀器、工具，遲恒扛來把鋤頭，調了臺噴繪著新聞采訪標識的車，開赴陵礦進一步勘查核實。行前，電話知會陵礦辦事處，不弄什么暗訪，堂堂煌煌，給對方的壓力更大。

3.1 熱門學科分析

相關學科的共線分析將學科之間的相互關聯性可視化，可以清晰快速地了解該領域不同學科各主題相互之間的關聯，展現學科定位、學科劃分等信息，進而揭示熱門學科。選擇“category”節點類型，獲得173個節點、552條連線的學科共線圖譜（見圖4）。

圖4 學科共線圖譜

基于WOS數據庫，導出排名前10的學科類別（見表3）。查詢WOS的學科類別統計庫，顯示在其包含的252個學科類別中，本領域研究累計涉及65個，可見虛擬技術在文化遺產領域的覆蓋面較廣，呈現出較好的跨學科研究屬性。提取學科類別統計中排名前10的學科，結合學科共線頻次圖譜分析，得知其共線頻次皆位于前列，且各學科的中介中心性都大于0.1，說明具備較強的影響力和重要性。因此，本文將前10大學科確定作為本領域的熱門學科。

對熱門學科相關圖表進行綜合分析，可以看出虛擬技術在文化遺產涉及到的最主要學科是計算機科學（Computer Science），然后依次是工程學（Engineering）、影像科學攝影技術（Imaging Science Photographic Technology）、遙感（Remote Sensing）等，且該領域熱門學科出現的時間均較早，集中在2007—2009年間的起始階段。“計算機科學”“工程學”是虛擬技術的基礎性學科，虛擬技術依托于物聯網、云計算、移動通信等新型信息技術的不斷發展。“影像科學攝影”“遙感”是指在不與文化遺產或相關物體產生直接物體接觸的基礎上，通過攝影、遙感技術，收集圖像、光譜等信息，這是目前文化遺產主要的數據采集方法。從表3中可知，還有與文化遺產領域原生關系更加密切的“考古學”“建筑學”“其他人文藝術”方向，表明目前虛擬技術主要應用于文化遺產的存檔、重建、恢復和傳播[1]。“材料科學”是指在文化遺產進行數字化存檔和重建的過程中，為盡量恢復原始狀態，需要對原有材料進行分析和數字化修復，尋找與原材料特征最契合的材料，從而促進了對材料特性的研究。同時，許多學者積極探索虛擬技術在“教育”領域的應用，發現沉浸式虛擬技術能夠顯著提高群眾在文化遺產領域的學習興趣與效果。

表3 排名前10的學科類別

3.2 高頻關鍵詞

關鍵詞是文章的核心概括，其頻次與熱度呈正相關，因此可以通過對高頻關鍵詞的統計快速了解該領域的研究主題與熱點。在CiteSpace中選擇“關鍵詞”為節點，生成關鍵詞共現知識圖譜(見圖5)，得到節點405個（N=405），連線1 081條 （E=1 081），網格密度為0.013 2。圖5中一個節點代表一個關鍵詞，節點半徑越大代表相對應的關鍵詞出現的頻次越高。

圖5 關鍵詞共現圖譜

如表4所示，“文化遺產”“虛擬現實”“增強現實”3個高頻節點作為搜索詞串聯起各個關鍵詞，印證了檢索詞選擇的合理性，同時也說明使用虛擬技術對文化遺產進行研究過程中，VR、AR仍是主流技術，與XR相關的成果相對較少。此外，高頻關鍵詞還有“博物館”“攝影測量”“虛擬博物館”“三維重建”“遺產”“存檔”“虛擬文檔”“混合現實”“教育”“3D建模”等。文中所列舉高頻關鍵詞的中心性皆在0.10以上（包括0.10），可以將所示高頻關鍵詞定義為本領域的研究熱點。由此進一步分析表明，本領域以“文化遺產”為立足點，借助“虛擬現實”“增強現實”為代表的沉浸式虛擬技術，采用三維測量或建模工具，探索與文化遺產相關的多個領域，開展研究以及具體案例的實施與應用。

表4 關鍵詞的共線頻次/中心性統計

3.3 文獻高被引頻次

選取被引頻次排序前15的高被引文獻，進一步分析研究熱點，繪制表5。由研究可知，文獻的時間跨度集中在2014—2018年，可見這段時期經過前期的探索已經產出了一定的成果，并為各領域學者后續深入研究提供理論與實踐的基礎。

表5 排名前15的高被引文獻

共被引頻次最高的文獻是《文化遺產的增強、虛擬和混合現狀調查》。作者全面梳理文化遺產使用增強現實、虛擬現實、混合現實系統的現狀，對各類技術應用領域、架構技術要求和局限等方面進行了總結。盡管應用領域有所重疊，總體可分為教育、展覽效果增強、探索、重建和虛擬博物館5大目的。在此基礎上，作者依據每種技術的不同特點和不同的目的需求，對采取技術種類作出建議并預測了注重“交互”的發展趨勢[1]。《通過嚴肅游戲學習文化遺產》[2]共被引頻次為39，介紹嚴肅游戲（SGs)是一種為教育目的設計的電子游戲。該文分析了SGs的流派、使用環境、技術解決方案和學習效果之間的復雜關系。不同于一般在線學習應用程序，SGs中的學習內容在游戲中起著主導作用，要在學習和游戲之間尋找平衡。Belen等[3]詳細闡述虛擬現實方案在應對復雜三維模型訪問問題時的優勢，這能夠很大程度上便利學者對文化遺產地的虛擬考察、研究以及相互合作而不造成破壞。

在沉浸式技術的實踐應用方面，KERSTEN T P等[4]以及BARSANTI S G等[5]分別闡述了應用VR技術提供沉浸式交互體驗的詳細流程，包括模型、場景等處理方法，為后人的探索提供了值得參考的范例；BARBIERI L等[6]創造性地為任何要求易用性、愉快性和教育性的虛擬系統評估提供了一套有效的方法。

沉浸式虛擬技術真正走入人們的生活，除了需要技術支持外，還需要被大眾所接受。許多學者從接受沉浸式虛擬技術的因素以及增強人們應用意圖的維度進行了相關研究。CHUNGN等[7]認為用戶需要在心態上準備好接受新技術，然后開發者可以從視覺和情景因素入手，增強對用戶的吸引力；DIECK M C T和JUNG T[8]則在技術接受模型TAM基礎上，提出了影響AR接受度的7個外部維度因素，為提高相應人群滿意度提供了理論框架指導。此外，KOUROUTHANASSIS P等[9]提醒設計者應選擇增強用戶正向情緒體驗的AR功能來增強用戶使用AR的意圖。

從文化遺產地采用沉浸式虛擬技術的動機來看，沉浸式虛擬技術設計能夠提高游客對文化遺產地的興趣和學習動機。CHANG Y L等[10]的研究表明AR引導的游客表現出場所感效應以及更為顯著的學習興趣。TSCHEU F和BUHALISD[11]從價值創造框架分析了AR體驗中創造價值的關鍵因素，為文化遺產地提供了一份提升客戶價值指南;尤其對于小型博物館而言，使用新技術需要承擔更大風險，而DIECK M C T等[12]從利益相關方的不同需求出發，從6個感知維度強化積極應用AR的原因。

由于游客的滿意度、傳播積極口碑的意圖關系到文化遺產地的整體成功[13]，JUNGT等[14，15]建議在VR和AR混合環境下，通過“社會在場”提升游客的體驗感，以AR應用的感知質量來評估和預測游客的滿意度和推薦意圖，并考察了不同創新意識群體的用戶偏好。HAN D I等[13]則提出了一個適用于城市遺產旅游的AR游客體驗模型。

四、研究前沿以及主題分析

4.1 突現率

依據陳超美教授的定義，研究前沿可以看作是一組突現的動態概念以及潛在的研究問題。在關鍵詞共線網絡中，突變詞是指，在較短的一段時期內，出現頻次或使用頻率較高的一些關鍵詞，因此可以通過突現詞的詞頻變化對一個領域的研究前沿進行判斷。通過突變詞探測共發現了17個突變詞，按照時間依次排列如圖6所示。圖中首個突現詞為交互(interaction)，是指探究VR、AR或XR技術在應用過程中與人進行交互接觸點的設置與研究，其突變率為3.261 5且熱度持續了8年，可見關于“交互”的研究是本領域重要的基礎性問題。

圖6 關鍵詞突現

此外，突變率最高的是管理（management），是指既要在保護、存檔的過程中對文化遺產的內容進行梳理，對資產庫進行系統分類，也要在開發應用的過程中注意整體的規劃，施行正確的開發和管理方法，避免對當地文化生活、文化遺產造成破壞，實現整體的可持續發展。

4.2 關鍵詞聚類分析

在CiteSpace關鍵詞共線網絡的基礎上進行聚類計算，以宏觀、整體的角度對沉浸式虛擬技術在文化遺產領域的研究進行梳理。從施引文獻的關鍵詞（“K”）中提取聚類名稱，算法選擇LLR，可得如圖7所示的關鍵詞聚類圖譜，共獲得24個聚類。所得網絡的模塊化值Q為0.629 3，大于0.3，表示所得網絡聚類較好，有明顯的社團結構；所得網絡的聚類平均輪廓值S為0.516 3，大于0.5，表示該聚類具備合理性。使用CiteSpace的聚類查詢功能獲得相關節點的文獻信息，結合關鍵詞頻次表分析，可以將沉浸式虛擬在文化遺產領域的研究進一步歸納為沉浸式重建、文化遺產的管理與學習、虛擬博物館和沉浸式交互體驗與虛擬技術的4大主題。

圖7 關鍵詞聚類圖譜

4.2.1 重建是指利用計算機建模技術以及虛擬技術對歷史遺產進行3D建模，重現或者修復。隨著技術的不斷發展，考古學家可以更輕松的方式完成對考古遺址的識別、重現以及理解，為公眾呈現虛擬文化景觀，并實現互動的體驗。該主題包括#0攝影測量技術、#5識別、#9近景攝影測量等，還直接聚集了存檔、16s核糖體RNA、熒光原位雜交、數字重建與三維建模等關鍵詞。HAYDARM認為重建考古遺址后，借助AR、VR技術一方面便利考古學家對虛擬遺址進行研究，一方面可以為公眾提供查看、探索、參與和了解遺跡的沉浸式體驗，并針對不同的開發模式提出了解決方法。FERNANDEZ-LOZANO J在對遺址的識別、描述和解釋中應用了基于激光雷達數據和無人機輔助攝影測量的綜合地理信息系統，為文化遺產的保護與展示提供了一個有用的工具。除此之外，許多學者對文化遺產考察過程產生的具體問題展開了詳細研究，如CAPPITELLIF在對米蘭大教堂改建項目中，對教堂的4個大理石樣本進行化學分析，采用熒光原位雜交法快速培養、檢測和鑒定單個微生物細胞，通過研究微生物群落評估其對石頭材料產生的潛在危害。

4.2.2 文化遺產的管理與學習#4文化遺產地，#6管理分別包含關鍵詞概念模型、愉悅的非正式學習和技術及文化旅游。BECA將文化遺產以歷史事實、有爭議的遺產、整合歷史事實和有爭議的遺產、替代方案4種方式呈現，提出4階段概念模型來指導解決遺產的虛擬體驗和旅游體驗管理過程中遇到的問題。數字技術為文化遺產的保存、獲取和管理作出了巨大貢獻，并促生了新的學習方式。在文化遺產學習和歷史遺址參觀過程中常常會采用如嚴肅游戲等非正式學習的方式，來提高人們學習的積極性、學習效果以及對文化遺產的興趣。KIM H設計了一個基于位置服務和對象傳感器的嚴肅游戲應用對此進行了驗證。KIM H,Fontanella F介紹了社交媒體形式的數字文化遺產平臺，用戶可以通過拍照獲得某一部件精確的3D模型，以此獲得良好的文化遺產學習體驗以及三維重建效果。MA探索以“現實化”“高度體驗化”的游戲互動環境，對文化資產數字化整合的流程進行優化。

4.2.3 虛擬博物館SCHWEIBENZ W將虛擬博物館定義為由各種媒體組成的有邏輯的具備連接性和訪問能力的數字對象集合，能夠靈活地滿足訪問者交流、互動等需求和興趣，并可以傳播到世界各地。STYLIANIS在上述定義的基礎上，完成了對多種虛擬博物館以及所用到的技術進行了討論，認為虛擬博物館不僅可以作為一種文化遺產的低成本保存和傳播的創新方法，更能作為一種有效吸引和轉化游客的媒介、物理博物館的延伸。當代博物館積極吸收了技術發展的成果，加入數字內容展示，并采用AR、VR等技術，為游客提供富有沉浸感、互動感的體驗。MARGETISG對目前的先進技術進行了解讀，認為博物館里應該努力提高自然多式聯動的交互水平，來增加游客對其及文化的共情以及認知。同時，虛擬博物館對展示的方式等進行了探索，如O'DWYER N展示了一種利用增強現實及實景捕捉等技術創建的幽默有趣的博物館導覽模式，提供了一種有吸引力的、趣味、易用的故事講述策略，提高游客游覽體驗。

4.2.4 沉浸式交互體驗與虛擬技術相關聚類有：#2虛擬現實（包括關鍵詞交互設計、用戶體驗）、#3增強現實（包括關鍵詞無形遺產、共存）、#10混合現實和聚類、#12沉浸（包括關鍵詞存在感、相互作用）。在文化3.0的背景下，人們希望憑借自己的理解對文化遺產進行吸收、利用的愿望越來越強烈，沉浸式虛擬的項目為人們提供了一個虛擬空間自由得以訪問、移動；在一些信息的指引下，人們不再是被動觀看者，而在不知不覺地將自己代入為一位主動參與者，獲取更多知識及高質量的沉浸式文化體驗。虛擬技術的快速迭代與發展讓人們渴望能夠獲取更加有趣、真實、自然的交互體驗。 “在場感”是人們覺得自己“在那里”，可以看作是訪問者完全融入虛擬體驗時的感受。一些學者認為需要著力于加強設計用戶之間、用戶與界面之間的交互，來提高用戶在體驗虛擬空間過程中感受到的存在感。全球各地的研究者正投身相關的創新研究，通過對反饋回路、地理定位、高級客戶服務和實時多層信息的分析，智能預測游客的行為意向，滿足用戶潛在的需求，持續為用戶提供高度個性化、能定制和多功能的產品（PIETROD等）。

五、結 語

基于CiteSpace對沉浸式虛擬技術應用在文化遺產領域的研究進行了可視化分析，分析其目前發展的時空特征、合作情況，探索了研究的熱點學科、熱點內容和研究主題。

（1）從發文量的統計來看，得益于現代技術的快速發展，目前該領域的研究正處于“井噴期”。從研究國家與地區來看，意大利發文量最多，其次是中國、西班牙和希臘，但是中國和希臘的中心度遠不及意大利和西班牙，需要進一步提升研究水平。

（2）從熱點學科、高頻關鍵詞、高被引文獻分析3個角度對研究熱點進行了解讀。研究的學科涉及的領域比較廣泛，包括計算機科學、工程學、影像科學攝影技術和遙感學科等。計算機科學是本領域發展的學科基石，工程學、影像科學攝影技術、遙感則作為虛擬資產轉化所需技術支持。高頻關鍵詞除“AR”“VR”“文化遺產”外，有“博物館”“攝影測量”“虛擬博物館”“三維重建”，可以概括為本領域以“文化遺產”為立足點，借助“虛擬現實”“增強現實”為代表的虛擬技術，采用三維測量或建模工具，向文化遺產的多個領域輻射開展理論研究和實踐應用。

（3）從突現詞分析來看研究前沿，發現如何 “交互” 以及 “交互”（interaction）的內容是本領域開展研究首先遇到的問題，并作為基礎性問題受到了學者長期關注。近年來“管理”（management）是突變率最高的關鍵詞。作為未來幾年研究熱點，管理與文化遺產的保存、整理以及可持續的開發息息相關。關于研究主題，依據聚類分析的結果將研究內容分為沉浸式重建、文化遺產的管理與學習、虛擬博物館和沉浸式交互體驗與虛擬技術的4大主題，與前文分析所獲結論得到了相互印證。

經過上述整理分析，本文對該領域的發展作了階段性回顧，希望能夠為對沉浸式虛擬在文化遺產領域的研究人員提供一定參考。文章僅選取WOS核心數據庫的相關文章進行分析，因此在數據上存在一定的局限性。