沉浸式虚拟技术在文化遗产领域的研究现状与热点分析

文／吴 珏，俞佳楠，陈絮菲（浙江理工大学 艺术与设计学院）

虚拟现实，是指在理想状态下，让用户能够完全沉浸于虚拟的数字合成世界，并能与虚拟环境进行自然互动的一种技术。增强现实是指在一种实时运行、交互的可视化技术，通过叠加计算机生成的信息来增强对现实世界的认知。混合现实则是在融合增强现实和虚拟现实技术基础上，创造真实与虚拟内容共存并实时交互的环境。随着现代技术的高速发展，VR、AR、XR等沉浸式虚拟技术可用性得到提升，这些技术的融入使得文化遗产能够以数字化的形式进行访问，也使得用户能够以更加有创造性和吸引力的方式体验文化遗产，大大增加了文化受众的数量，提高了内容传播的质量，为文化遗产的保护与传承提供一种新的解决方式。

沉浸式技术改变了人们感知和认识文化遗产的方式，应用前景好，受到了人们关注，许多学者、从业者加入到其中的研究与应用中来，因此有必要在这发展阶段对现有的研究进行整体回顾，以快速了解本领域的发展概况。本文借助可视化软件CiteSpace，对WOS核心数据库中使用VR、AR、XR等相关技术在文化遗产领域的文献研究进行统计分析，以期采用可视化的方式对数据结果进行转化和展示，从而揭示虚拟技术在文化遗产领域的发展现状、研究热点和主题。

一、数据来源与统计

1.1 研究方法

1.2 数据来源/检索策略

本研究基于AR、VR、XR技术，其共有特征在于呈现出了不同程度的沉浸感。由于目前没有统一的概念，本文承用Roberto Pierdicca等[1]所使用的术语“沉浸式现实”进行概括，并将搜索式设置为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)， 选 择 文 献 类 型"article""review"和"processing paper"，语种选择"English"，时间跨度选择“所有年份”，在WOS数据库检索获得1258条数据（截止2021年7月1日）。将数据以"download"为抬头进行命名，导入CiteSpace后使用WOS区块的数据除重功能剔除重复文献，获得转换后的数据。

二、文献计量分析

2.1 发文量

通过对WOS核心数据库中所获取的文献进行统计分析，获得沉浸式虚拟技术在文化遗产领域相关文献的年份发文量分布图（见图1）。对发文量统计图进行分析（由于检索时间截止到2021年7月1日，该年只得到文章53篇），可以看出文献数量整体呈增长趋势。由图1可知，该领域相关研究始于2007年，到2010年间年发文量在20篇左右，整体处于缓慢起步阶段；2011年文献数量出现明显上升，说明人们逐渐提高对沉浸式虚拟技术与文化遗产的关注；从2012年起，相关研究成果不断涌现，文献数量大幅度上升，在2015年出现第一个小高峰；2019年，年度文献数量已高达193篇。2020年全球性新冠肺炎爆发，全球各国经济发展遭遇阻碍，人们正常的生活受到了不同程度影响，多重原因综合导致该年发文量有所下降，但仍保持有141篇的发表量。同时，疫情隔离使得人们对远程办公等现代技术的需求剧增，反向推动了沉浸式虚拟技术的发展。统计2016—2020年的发文量可知，近5年的发文量共计779篇，占总发文量的64.6%（由于2021年数据量不足暂不做统计），且发文趋势较为稳定，表明近几年以及未来几年是该领域研究的“井喷期”。可以预见，2021年相关的研究成果有望恢复到疫情前的正常水平，甚至实现进一步增长。

图1 年份发文量分布

2.2 国家/地区分布

统计显示，该领域有100个国家或地区进行了研究，可得国家/地区间的合作关系（见图2）。整合机构及其所属国家，筛选得到发文量排名前10的国家/地区与机构排名（见表1）。意大利位于首位，发表了354篇文章，且中介中心性最高，达0.31，可见意大利在该领域占据十分重要的地位；中国位于第二，发表文章114篇，西班牙、希腊分别发表文章98篇和91篇。但中国和希腊的中心性分别只有0.08和0.06，远不及意大利的0.31和希腊的0.2，也低于位列第五、第六的英国(0.17)和法国(0.15），表明我国虽十分重视对文化遗产领域的研究，但相关研究影响力并不大，研究人员应该努力提高研究的深度与水平。

表1 排名前10的国家/地区

图2 国家/地区间的合作关系

2.3 发文机构

为了解研究虚拟技术在文化遗产领域应用与发展相关机构的合作情况，选择“institution”为节点，年限跨度选择2007—2021年，切片时间选择“1年”，剪枝方式设置为“pathfinder”，获得研究机构合作图谱（见图3）。图中节点越大代表发文量越多；同时收集发文机构间的合作次数、中心度、首次合作时间、所在国家等信息，选取合作次数≥10次的机构，绘制该领域合作频次前12的机构见表2。

表2 合作频次排名前12的机构

通过分析图表，可见研究主要集中于大学、研究院。机构合作网络中有3条明显的连线，阅读图释N=461，可知共有461个节点，且网格整体密度仅有0.002 3，说明世界各国在文化遗产的保护传承领域广泛应用虚拟技术并开展了相关研究。但不同机构间的作者合作较少，机构的国际研究合作较为分散，目前还未形成凝聚力极强的科研团体。同时，表中有4所机构来自意大利，这与结果一致，再次印证了意大利在该领域的研究走在世界前列。“year”是某一机构与其他机构首次达成合作的年份，由图3可知，意大利的米兰理工大学、巴勒莫大学对外合作始于2007年（研究起始年），为该领域打下了研究基础。

图3 机构合作图谱

三、研究热点分析

本文采取热门学科分析、高频关键词分析、文献高被引分析3种方法处理和分析所得数据，获得虚拟技术在文化遗产领域的主流学科以及研究热点信息。

迟恒请来两位退了休的工程师，一位水利，一位园林，带了简单的仪器、工具，迟恒扛来把锄头，调了台喷绘着新闻采访标识的车，开赴陵矿进一步勘查核实。行前，电话知会陵矿办事处，不弄什么暗访，堂堂煌煌，给对方的压力更大。

3.1 热门学科分析

相关学科的共线分析将学科之间的相互关联性可视化，可以清晰快速地了解该领域不同学科各主题相互之间的关联，展现学科定位、学科划分等信息，进而揭示热门学科。选择“category”节点类型，获得173个节点、552条连线的学科共线图谱（见图4）。

图4 学科共线图谱

基于WOS数据库，导出排名前10的学科类别（见表3）。查询WOS的学科类别统计库，显示在其包含的252个学科类别中，本领域研究累计涉及65个，可见虚拟技术在文化遗产领域的覆盖面较广，呈现出较好的跨学科研究属性。提取学科类别统计中排名前10的学科，结合学科共线频次图谱分析，得知其共线频次皆位于前列，且各学科的中介中心性都大于0.1，说明具备较强的影响力和重要性。因此，本文将前10大学科确定作为本领域的热门学科。

对热门学科相关图表进行综合分析，可以看出虚拟技术在文化遗产涉及到的最主要学科是计算机科学（Computer Science），然后依次是工程学（Engineering）、影像科学摄影技术（Imaging Science Photographic Technology）、遥感（Remote Sensing）等，且该领域热门学科出现的时间均较早，集中在2007—2009年间的起始阶段。“计算机科学”“工程学”是虚拟技术的基础性学科，虚拟技术依托于物联网、云计算、移动通信等新型信息技术的不断发展。“影像科学摄影”“遥感”是指在不与文化遗产或相关物体产生直接物体接触的基础上，通过摄影、遥感技术，收集图像、光谱等信息，这是目前文化遗产主要的数据采集方法。从表3中可知，还有与文化遗产领域原生关系更加密切的“考古学”“建筑学”“其他人文艺术”方向，表明目前虚拟技术主要应用于文化遗产的存档、重建、恢复和传播[1]。“材料科学”是指在文化遗产进行数字化存档和重建的过程中，为尽量恢复原始状态，需要对原有材料进行分析和数字化修复，寻找与原材料特征最契合的材料，从而促进了对材料特性的研究。同时，许多学者积极探索虚拟技术在“教育”领域的应用，发现沉浸式虚拟技术能够显著提高群众在文化遗产领域的学习兴趣与效果。

表3 排名前10的学科类别

3.2 高频关键词

关键词是文章的核心概括，其频次与热度呈正相关，因此可以通过对高频关键词的统计快速了解该领域的研究主题与热点。在CiteSpace中选择“关键词”为节点，生成关键词共现知识图谱(见图5)，得到节点405个（N=405），连线1 081条 （E=1 081），网格密度为0.013 2。图5中一个节点代表一个关键词，节点半径越大代表相对应的关键词出现的频次越高。

图5 关键词共现图谱

如表4所示，“文化遗产”“虚拟现实”“增强现实”3个高频节点作为搜索词串联起各个关键词，印证了检索词选择的合理性，同时也说明使用虚拟技术对文化遗产进行研究过程中，VR、AR仍是主流技术，与XR相关的成果相对较少。此外，高频关键词还有“博物馆”“摄影测量”“虚拟博物馆”“三维重建”“遗产”“存档”“虚拟文档”“混合现实”“教育”“3D建模”等。文中所列举高频关键词的中心性皆在0.10以上（包括0.10），可以将所示高频关键词定义为本领域的研究热点。由此进一步分析表明，本领域以“文化遗产”为立足点，借助“虚拟现实”“增强现实”为代表的沉浸式虚拟技术，采用三维测量或建模工具，探索与文化遗产相关的多个领域，开展研究以及具体案例的实施与应用。

表4 关键词的共线频次/中心性统计

3.3 文献高被引频次

选取被引频次排序前15的高被引文献，进一步分析研究热点，绘制表5。由研究可知，文献的时间跨度集中在2014—2018年，可见这段时期经过前期的探索已经产出了一定的成果，并为各领域学者后续深入研究提供理论与实践的基础。

表5 排名前15的高被引文献

共被引频次最高的文献是《文化遗产的增强、虚拟和混合现状调查》。作者全面梳理文化遗产使用增强现实、虚拟现实、混合现实系统的现状，对各类技术应用领域、架构技术要求和局限等方面进行了总结。尽管应用领域有所重叠，总体可分为教育、展览效果增强、探索、重建和虚拟博物馆5大目的。在此基础上，作者依据每种技术的不同特点和不同的目的需求，对采取技术种类作出建议并预测了注重“交互”的发展趋势[1]。《通过严肃游戏学习文化遗产》[2]共被引频次为39，介绍严肃游戏（SGs)是一种为教育目的设计的电子游戏。该文分析了SGs的流派、使用环境、技术解决方案和学习效果之间的复杂关系。不同于一般在线学习应用程序，SGs中的学习内容在游戏中起着主导作用，要在学习和游戏之间寻找平衡。Belen等[3]详细阐述虚拟现实方案在应对复杂三维模型访问问题时的优势，这能够很大程度上便利学者对文化遗产地的虚拟考察、研究以及相互合作而不造成破坏。

在沉浸式技术的实践应用方面，KERSTEN T P等[4]以及BARSANTI S G等[5]分别阐述了应用VR技术提供沉浸式交互体验的详细流程，包括模型、场景等处理方法，为后人的探索提供了值得参考的范例；BARBIERI L等[6]创造性地为任何要求易用性、愉快性和教育性的虚拟系统评估提供了一套有效的方法。

沉浸式虚拟技术真正走入人们的生活，除了需要技术支持外，还需要被大众所接受。许多学者从接受沉浸式虚拟技术的因素以及增强人们应用意图的维度进行了相关研究。CHUNGN等[7]认为用户需要在心态上准备好接受新技术，然后开发者可以从视觉和情景因素入手，增强对用户的吸引力；DIECK M C T和JUNG T[8]则在技术接受模型TAM基础上，提出了影响AR接受度的7个外部维度因素，为提高相应人群满意度提供了理论框架指导。此外，KOUROUTHANASSIS P等[9]提醒设计者应选择增强用户正向情绪体验的AR功能来增强用户使用AR的意图。

从文化遗产地采用沉浸式虚拟技术的动机来看，沉浸式虚拟技术设计能够提高游客对文化遗产地的兴趣和学习动机。CHANG Y L等[10]的研究表明AR引导的游客表现出场所感效应以及更为显著的学习兴趣。TSCHEU F和BUHALISD[11]从价值创造框架分析了AR体验中创造价值的关键因素，为文化遗产地提供了一份提升客户价值指南;尤其对于小型博物馆而言，使用新技术需要承担更大风险，而DIECK M C T等[12]从利益相关方的不同需求出发，从6个感知维度强化积极应用AR的原因。

由于游客的满意度、传播积极口碑的意图关系到文化遗产地的整体成功[13]，JUNGT等[14，15]建议在VR和AR混合环境下，通过“社会在场”提升游客的体验感，以AR应用的感知质量来评估和预测游客的满意度和推荐意图，并考察了不同创新意识群体的用户偏好。HAN D I等[13]则提出了一个适用于城市遗产旅游的AR游客体验模型。

四、研究前沿以及主题分析

4.1 突现率

依据陈超美教授的定义，研究前沿可以看作是一组突现的动态概念以及潜在的研究问题。在关键词共线网络中，突变词是指，在较短的一段时期内，出现频次或使用频率较高的一些关键词，因此可以通过突现词的词频变化对一个领域的研究前沿进行判断。通过突变词探测共发现了17个突变词，按照时间依次排列如图6所示。图中首个突现词为交互(interaction)，是指探究VR、AR或XR技术在应用过程中与人进行交互接触点的设置与研究，其突变率为3.261 5且热度持续了8年，可见关于“交互”的研究是本领域重要的基础性问题。

图6 关键词突现

此外，突变率最高的是管理（management），是指既要在保护、存档的过程中对文化遗产的内容进行梳理，对资产库进行系统分类，也要在开发应用的过程中注意整体的规划，施行正确的开发和管理方法，避免对当地文化生活、文化遗产造成破坏，实现整体的可持续发展。

4.2 关键词聚类分析

在CiteSpace关键词共线网络的基础上进行聚类计算，以宏观、整体的角度对沉浸式虚拟技术在文化遗产领域的研究进行梳理。从施引文献的关键词（“K”）中提取聚类名称，算法选择LLR，可得如图7所示的关键词聚类图谱，共获得24个聚类。所得网络的模块化值Q为0.629 3，大于0.3，表示所得网络聚类较好，有明显的社团结构；所得网络的聚类平均轮廓值S为0.516 3，大于0.5，表示该聚类具备合理性。使用CiteSpace的聚类查询功能获得相关节点的文献信息，结合关键词频次表分析，可以将沉浸式虚拟在文化遗产领域的研究进一步归纳为沉浸式重建、文化遗产的管理与学习、虚拟博物馆和沉浸式交互体验与虚拟技术的4大主题。

图7 关键词聚类图谱

4.2.1 重建是指利用计算机建模技术以及虚拟技术对历史遗产进行3D建模，重现或者修复。随着技术的不断发展，考古学家可以更轻松的方式完成对考古遗址的识别、重现以及理解，为公众呈现虚拟文化景观，并实现互动的体验。该主题包括#0摄影测量技术、#5识别、#9近景摄影测量等，还直接聚集了存档、16s核糖体RNA、荧光原位杂交、数字重建与三维建模等关键词。HAYDARM认为重建考古遗址后，借助AR、VR技术一方面便利考古学家对虚拟遗址进行研究，一方面可以为公众提供查看、探索、参与和了解遗迹的沉浸式体验，并针对不同的开发模式提出了解决方法。FERNANDEZ-LOZANO J在对遗址的识别、描述和解释中应用了基于激光雷达数据和无人机辅助摄影测量的综合地理信息系统，为文化遗产的保护与展示提供了一个有用的工具。除此之外，许多学者对文化遗产考察过程产生的具体问题展开了详细研究，如CAPPITELLIF在对米兰大教堂改建项目中，对教堂的4个大理石样本进行化学分析，采用荧光原位杂交法快速培养、检测和鉴定单个微生物细胞，通过研究微生物群落评估其对石头材料产生的潜在危害。

4.2.2 文化遗产的管理与学习#4文化遗产地，#6管理分别包含关键词概念模型、愉悦的非正式学习和技术及文化旅游。BECA将文化遗产以历史事实、有争议的遗产、整合历史事实和有争议的遗产、替代方案4种方式呈现，提出4阶段概念模型来指导解决遗产的虚拟体验和旅游体验管理过程中遇到的问题。数字技术为文化遗产的保存、获取和管理作出了巨大贡献，并促生了新的学习方式。在文化遗产学习和历史遗址参观过程中常常会采用如严肃游戏等非正式学习的方式，来提高人们学习的积极性、学习效果以及对文化遗产的兴趣。KIM H设计了一个基于位置服务和对象传感器的严肃游戏应用对此进行了验证。KIM H,Fontanella F介绍了社交媒体形式的数字文化遗产平台，用户可以通过拍照获得某一部件精确的3D模型，以此获得良好的文化遗产学习体验以及三维重建效果。MA探索以“现实化”“高度体验化”的游戏互动环境，对文化资产数字化整合的流程进行优化。

4.2.3 虚拟博物馆SCHWEIBENZ W将虚拟博物馆定义为由各种媒体组成的有逻辑的具备连接性和访问能力的数字对象集合，能够灵活地满足访问者交流、互动等需求和兴趣，并可以传播到世界各地。STYLIANIS在上述定义的基础上，完成了对多种虚拟博物馆以及所用到的技术进行了讨论，认为虚拟博物馆不仅可以作为一种文化遗产的低成本保存和传播的创新方法，更能作为一种有效吸引和转化游客的媒介、物理博物馆的延伸。当代博物馆积极吸收了技术发展的成果，加入数字内容展示，并采用AR、VR等技术，为游客提供富有沉浸感、互动感的体验。MARGETISG对目前的先进技术进行了解读，认为博物馆里应该努力提高自然多式联动的交互水平，来增加游客对其及文化的共情以及认知。同时，虚拟博物馆对展示的方式等进行了探索，如O'DWYER N展示了一种利用增强现实及实景捕捉等技术创建的幽默有趣的博物馆导览模式，提供了一种有吸引力的、趣味、易用的故事讲述策略，提高游客游览体验。

4.2.4 沉浸式交互体验与虚拟技术相关聚类有：#2虚拟现实（包括关键词交互设计、用户体验）、#3增强现实（包括关键词无形遗产、共存）、#10混合现实和聚类、#12沉浸（包括关键词存在感、相互作用）。在文化3.0的背景下，人们希望凭借自己的理解对文化遗产进行吸收、利用的愿望越来越强烈，沉浸式虚拟的项目为人们提供了一个虚拟空间自由得以访问、移动；在一些信息的指引下，人们不再是被动观看者，而在不知不觉地将自己代入为一位主动参与者，获取更多知识及高质量的沉浸式文化体验。虚拟技术的快速迭代与发展让人们渴望能够获取更加有趣、真实、自然的交互体验。 “在场感”是人们觉得自己“在那里”，可以看作是访问者完全融入虚拟体验时的感受。一些学者认为需要着力于加强设计用户之间、用户与界面之间的交互，来提高用户在体验虚拟空间过程中感受到的存在感。全球各地的研究者正投身相关的创新研究，通过对反馈回路、地理定位、高级客户服务和实时多层信息的分析，智能预测游客的行为意向，满足用户潜在的需求，持续为用户提供高度个性化、能定制和多功能的产品（PIETROD等）。

五、结 语

基于CiteSpace对沉浸式虚拟技术应用在文化遗产领域的研究进行了可视化分析，分析其目前发展的时空特征、合作情况，探索了研究的热点学科、热点内容和研究主题。

（1）从发文量的统计来看，得益于现代技术的快速发展，目前该领域的研究正处于“井喷期”。从研究国家与地区来看，意大利发文量最多，其次是中国、西班牙和希腊，但是中国和希腊的中心度远不及意大利和西班牙，需要进一步提升研究水平。

（2）从热点学科、高频关键词、高被引文献分析3个角度对研究热点进行了解读。研究的学科涉及的领域比较广泛，包括计算机科学、工程学、影像科学摄影技术和遥感学科等。计算机科学是本领域发展的学科基石，工程学、影像科学摄影技术、遥感则作为虚拟资产转化所需技术支持。高频关键词除“AR”“VR”“文化遗产”外，有“博物馆”“摄影测量”“虚拟博物馆”“三维重建”，可以概括为本领域以“文化遗产”为立足点，借助“虚拟现实”“增强现实”为代表的虚拟技术，采用三维测量或建模工具，向文化遗产的多个领域辐射开展理论研究和实践应用。

（3）从突现词分析来看研究前沿，发现如何 “交互” 以及 “交互”（interaction）的内容是本领域开展研究首先遇到的问题，并作为基础性问题受到了学者长期关注。近年来“管理”（management）是突变率最高的关键词。作为未来几年研究热点，管理与文化遗产的保存、整理以及可持续的开发息息相关。关于研究主题，依据聚类分析的结果将研究内容分为沉浸式重建、文化遗产的管理与学习、虚拟博物馆和沉浸式交互体验与虚拟技术的4大主题，与前文分析所获结论得到了相互印证。

经过上述整理分析，本文对该领域的发展作了阶段性回顾，希望能够为对沉浸式虚拟在文化遗产领域的研究人员提供一定参考。文章仅选取WOS核心数据库的相关文章进行分析，因此在数据上存在一定的局限性。