为实现对文化遗产的视觉上准确的数字色彩还原：一种结合多光谱技术和虚拟现实（VR）的虚拟修复框架

《Digital Applications in Archaeology and Cultural Heritage》：Toward perceptually accurate digital color in cultural heritage: A multispectral and VR-integrated framework for virtual restoration

　　

Seda ?im?ek|?lker Erkan

土耳其苏莱曼·德米雷尔大学建筑学院

摘要

数字色彩不仅是文化遗产对象的视觉属性，还是一种由材料精度、感知体验和解释性重构共同塑造的多维现象。本研究介绍了一种基于虚拟现实的框架，该框架整合了数字色彩修复的空间、光谱和感知组件。以Tokali教堂的壁画为例，通过摄影测量、结构光扫描和多光谱成像技术对这件艺术品进行了记录，以揭示隐藏的颜料痕迹。光谱数据被嵌入到基于物理的渲染（PBR）模型中，以模拟在自然日光、博物馆聚光灯和温暖人造光下的变色现象。在虚拟现实中向用户展示了两种修复方案——最小干预和完全重建。使用SUS、UEQ-S和自定义的感知评估问卷对体验进行了评估。结果表明，光照条件和修复策略对感知真实性和审美满意度都有显著影响，其中完全重建方案获得了最高分数。这项研究强调了数字色彩修复是以人为中心的感知过程。

引言

色彩是文化遗产对象最重要的属性之一，同时也是物质、象征和历史信息的主要载体。它在美学和科学上都起着决定性作用，提供了关于材料、制作技术和文化意义的重要线索（Kara?or和Dereli，2024）。在许多艺术和建筑传统中，特定的色彩象征着不同的概念，从这些关联中得出的类型学数据已成为解读和确定遗产文物年代的宝贵工具。色彩还与文化互动密切相关：在共享贸易路线（如丝绸之路）上的城市中反复出现的相似色彩调色板表明，色彩促进了跨文化交流和风格融合（Hansen，2012）。此外，色彩还能反映社会分层、信仰体系和身份，强化了其作为文化背景关键指标的作用。正如Ahunbay（1996）所指出的，色彩构成了指导建筑保护的“历史文献价值”的重要组成部分。

从修复的角度来看，颜料的识别、退化模式的检测以及保护状态的评估都严重依赖于准确的色彩信息（Gaiani等人，2021）。然而，依赖色彩特性的文化遗产元素在保护方面面临重大挑战：颜料会随时间褪色或氧化，尝试重新着色或修复缺失区域时往往难以在历史准确性和当代审美期望之间取得平衡。现代时代的色彩数字化虽然为记录、保护和传播提供了新的机会，但也引入了与准确性、解释性和长期可持续性相关的挑战（Boochs等人，2014；Yoo等人，2021）。

三维（3D）可视化技术在文化遗产研究中变得越来越重要（Petrovic等人，2014；Belhi等人，2024），因为它们允许在集成且高保真的数字环境中表示几何、材料和色彩数据（Skublewska-Paszkowska等人，2022）。摄影测量、结构光扫描和多光谱成像等技术能够精确捕捉形态和色彩（Balletti等人，2017）。然而，由于色彩数据对光照条件、传感器校准和材料反射行为的敏感性，色彩采集仍然存在特殊问题。

虚拟修复领域的最新进展（Bea和Angás，2017；Fowles等人，2003；Blitz，2019；Acke等人，2023）使得无需对原始文物进行物理干预即可数字重建丢失或退化的色彩（Kumar和Gupta，2025）。这样的重建使研究人员和观众能够体验到物体原始色彩状态的近似值，弥合了物质证据和历史解释之间的差距。然而，这也引发了重要的认识论和伦理问题：数字重建的色彩在多大程度上可以被认为是“真实的”？如何控制或证明关于色彩选择的主观决策的合理性？

基于人工智能的色彩推理以及增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等沉浸式技术的并行发展正在通过提供新的科学分析和公众参与模式来重塑这一领域（Stoean等人，2024；Harisanty等人，2024）。这些工具有潜力从根本上改变人们对文化遗产中色彩的感知、保护和传播方式。

本文通过3D可视化和虚拟修复的视角探讨了文化遗产对象中的数字色彩，对当前的方法论、技术限制和感知准确性挑战进行了多层次的讨论。该研究不仅仅将色彩数字化视为纯粹的图像处理任务，而是将其视为一个重新定义物质真实性、美学连贯性和用户感知之间互动的研究领域。通过这种方式，它为数字遗产的未来提出了一种新的方法论和认识论视角——这种视角整合了虚拟修复的技术和以人为中心的维度，并为该领域建立了一个变革性的范式。

本研究采用以用户为中心和基于感知的视角来评估数字文化遗产的重建。研究不仅将数字修复视为一种技术可视化过程，还考察了用户在沉浸式虚拟环境中如何感知和体验重建后的色彩信息。

章节摘录

文献综述

虽然引言概述了数字可视化在文化遗产研究中的广泛相关性，但本节重点批判性地审视了塑造最近虚拟重建方法的方法论和概念发展。特别关注了色彩记录技术、沉浸式可视化环境和以用户为中心的感知评估框架的整合。

方法与应用

本研究采用的方法论工作流程将数字记录、重建和感知评估等多个阶段整合在一个统一的框架内。首先，使用摄影测量和结构光扫描对Tokali教堂的壁画进行了数字记录，以获得高分辨率的几何数据。其次，采用多光谱成像技术来识别肉眼无法看到的颜料残留物，并利用得到的光谱信息进行色彩

参与者互动数据

虚拟现实（VR）应用程序旨在定量捕捉参与者在沉浸式体验中的互动行为以及之后收集的主观评价。本研究这一阶段的主要目的是在不同数字修复方案和光照条件下获得可测量的用户行为指标——具体来说是互动时长、偏好倾向和系统可用性。

参与者体验了两种数字修复

数据分析

使用SPSS分析了VR会话期间收集的所有互动数据。为每位参与者定义了三个独立变量：修复方案（最小干预 vs. 完全重建）、光照条件（自然日光、博物馆聚光灯、温暖人造光）和互动类型（场景时长、过渡次数）。因变量包括互动时间（以秒计）和场景转换频率。

数据的参数测试适用性

可用性分析（SUS结果）

比较分析了不同修复方案类型和光照条件下的参与者系统可用性量表（SUS）得分。总体平均SUS得分为78.3（标准差=8.6），表明VR系统属于“良好可用性”类别（Brooke，1996）。按方案类型分析时，完全重建方案的得分为81.4（标准差=7.8），而最小干预方案的得分为75.2（标准差=9.3）。配对样本t检验确认了

讨论

本研究旨在通过分析3D可视化、摄影测量、光谱分析和虚拟修复的背景，探讨文化遗产数字化中色彩信息的多层次性质。研究结果表明，数字色彩不仅仅是物理测量的产物，还是一个文化、美学和认知解释的过程。因此，研究调查了数字重建的

结论

本研究定量考察了修复策略和光照条件对虚拟现实（VR）环境中用户体验的影响。研究发现，与最小干预方案相比，完全重建方案产生了更高的用户参与度、感知满意度和系统可用性，而最小干预方案的互动时长较短，审美评价得分也较低。

未来工作和局限性

这项研究通过定量测量VR环境中的用户体验，为虚拟文化遗产研究提供了原创的方法论贡献。研究结果特别强调了共同评估修复策略的感知和互动效应的重要性。

未来的研究可以通过涉及更大的参与者群体并纳入生理测量（如EEG和HRV）来扩展这项工作，以实现多模态数据分析。

CRediT作者贡献声明

Seda ?im?ek：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、资源整理、概念构思。?lker Erkan：方法论设计、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢参与实验的学生们。