《Heritage》：A Systematic Review of Extended Reality (XR) Applications in Cultural Heritage
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本系统综述考察了扩展现实（XR）技术，即虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）和空间增强现实（SAR），在文化遗产（CH）应用中的设计、实施与评估方式，旨在回答五个研究问题：（RQ1）2021至2025年间XR技术如何应用于CH领域？（RQ2）采
本系统综述考察了扩展现实（XR）技术，即虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）和空间增强现实（SAR），在文化遗产（CH）应用中的设计、实施与评估方式，旨在回答五个研究问题：（RQ1）2021至2025年间XR技术如何应用于CH领域？（RQ2）采用了哪些交互范式，它们如何塑造参与度和意义建构？（RQ3）XR CH应用中报告了哪些用户体验结果？（RQ4）采用了哪些评估方法，尚存在哪些方法学缺口？（RQ5）XR遗产实施中持续存在哪些挑战？纳入标准包括：同行评审的英文研究，报告了CH语境中已实施的XR系统并包含实证或评估数据；排除无具体实施描述的概念性文章、非英文文献以及2020年1月之前发表的研究。检索范围涵盖Scopus、Web of Science、IEEE Xplore和ACM Digital Library中2020年1月至2025年3月发表的出版物，并辅以SIGGRAPH、CHI、IMX、VRCAI会议论文集的手工筛查以及前向/后向引文追踪。所有数据库最后一次检索时间为2025年3月。两名研究人员独立筛选所有记录并提取数据，分歧通过结构化讨论解决。通过纳入会议论文与期刊文章并列的方式，缓解了偏向阳性新颖性结果的偏倚。采用定性主题综合方法，因研究间方法学异质性排除了统计荟萃分析的可能性。研究发现通过迭代编码和作者间共识，归纳性地组织为四个主题领域。从初始359条记录中，去重后保留287条独特记录；经标题/摘要筛选和全文资格评估后，最终64项研究纳入综合。其中大多数（60/64）发表于2021至2025年间，研究样本量从小型专家组（n≈6）到大型公众部署（n>125）不等。跨技术、交互设计、用户体验和评估的主题分析揭示了参与式、多用户和多模态XR设计的趋势，报告的收益包括沉浸感、参与度、学习效果和可及性，同时存在的持续性挑战包括成本、可用性、晕动症（cybersickness）、内容真实性和缺乏纵向评估。除主题描述外，通过跨领域分析综合，研究人员提出了文化遗产扩展现实设计一致性框架（Design Coherence Framework for XR Heritage简称DCF-XR）；该四维解释模型涵盖技术、交互设计、用户体验和评估，为理解XR有效服务于文化遗产目标的条件提供了原创性诊断视角。从语料库中归纳推导的四种 recurring 设计失效模式类型学表明，该领域最持久的短板并非源于单个维度的薄弱，而是源于维度之间的相互失配。证据受限于方便样本占主导、单场次实验室评估以及缺乏CH领域XR标准化评估工具，这限制了报告结果的可推广性。本综述提出了针对CH中严谨、道德和包容性XR实践的目标性建议，强调需要纵向研究、开放数据集和标准化评估框架。本综述未获得外部资助，也未在前瞻性注册平台预先注册。
1 引言
保护、保存和展示有形文物与无形文化实践是维系历史连续性和文化身份的持久责任。传统文物展示形式如静态陈列、文字表征和数字图像，难以很好服务于当代精通技术的受众，尤其是期望互动式和探究式体验的年轻参观者。同时，这些形式无法传达与创作密切相关的具身性、表演性和情境性维度，因其涵盖了赋予创作意义的社会历史语境。作为应对这些局限的可能方案，数字技术有望为遗产保护提供新机遇，通过提供更新颖丰富的参与形式来拓宽公众对文化遗产（CH）的接触。博物馆和遗产场所仍然不可或缺，但许多文物脆弱或难以接近，其展示和接触受到保护要求的限制。沉浸式交互式扩展现实（XR）系统能够超越装置的物质界限扩展可及性，从而可用于支持更深层的解读性和教育性体验。XR指融合物理现实与虚拟现实的技术谱系，包括完全沉浸用户于模拟环境的虚拟现实（VR）、将数字内容叠加于物理世界的增强现实（AR）、允许交互式虚拟对象与真实环境共存并响应的混合现实（MR），以及将影像投射于物理表面的空间增强现实（SAR）。每种技术均可视为提供独特CH适用性的交互与可视化模态。
既有综述在考察CH数字技术方面存在显著局限：或聚焦单一技术子集，或主要覆盖2021年前文献，或采用宽泛概念框架而未系统运用已实施CH应用的实证证据。本综述超越证据映射和描述性聚合，在四个主题维度基础上发展分析性综合，识别语料库中反复出现的设计构型、跨领域张力与概念模式。
2 方法学
本系统综述遵循PRISMA（系统综述和荟萃分析优先报告条目）框架，确保检索、筛选和综合阶段的透明性与可重复性。未预先注册综述方案，但方案明确了数据库、精确检索式、纳入/排除标准及主题分析预注册编码方案。
2.1 检索与筛选流程
研究纳入标准包括：报告已实施XR系统、含实证或评估数据、CH语境、英文发表、2020年1月至2025年3月间发表。排除无实施描述的概念性文章、无实证数据的系统论文、非CH语境应用及超出日期范围的研究。检索Scopus、Web of Science、IEEE Xplore和ACM Digital Library，并手工检索SIGGRAPH、CHI、IMX、VRCAI会议论文集及引文追踪。初始检索获得359条记录，去重后287条，经标题/摘要筛选排除193条，94篇进入全文评估，最终29篇因不符合标准排除，64项研究纳入最终综合。排除主要原因包括：无实施XR系统（约12篇）、无实证或评估数据（约9篇）、非CH语境（约5篇）、超出日期范围（约3篇）。
2.2 数据提取与主题分类
使用标准化编码表从64项纳入研究提取数据，变量包括XR类型、硬件平台、软件框架、内容生成方法、交互范式、报告的用户体验（UX）结果（阳性和阴性）、评估工具、研究设计、样本量和发表年份。两名作者独立提取数据，分歧通过讨论解决。基于编码结果形成四个核心主题：技术（硬件、软件、内容创建），代表支撑设计选择、性能、可及性和可扩展性的技术基础；交互风格（输入模态和叙事结构），关注影响用户从被动消费转向主动探索的交互设计；用户体验（沉浸感、学习、可及性、情感），捕捉用户视角的结果与挑战；评估（评估可用性和教育影响的方法与工具），提供可用性、有效性和文化/教育价值的证据。
2.3 偏倚风险评估
采用适应非临床技术类系统综述的轻量化评估标准，从四个维度评估单个研究偏倚风险：（D1）系统描述清晰度（足以复现）、（D2）评估设计适当性（样本量、研究场景）、（D3）结果报告透明度（原始数据或统计量提供情况）、（D4）新颖性偏倚潜力（单场次、首次使用评估）。结果显示，27%（17/64）为低风险，21%（13/64）为中等风险，52%（33/64）为高风险。D2（评估设计）是最主要风险因素，63%（40/63）获高风险评级，反映未报告样本量、单场次评估和方便取样的普遍性；D4（新颖性偏倚）次之，40%（25/64）为高风险；D1（系统描述）表现最佳，95%（60/64）为低风险；D3（结果透明度）居中。
3 结果：XR在CH中的主题分析
3.1 技术维度
硬件平台、软件引擎和内容创建方法从根本上决定了XR遗产体验的保真度、交互性和可及性。语料库报告了从消费级智能手机到专用头戴式显示器（HMD）和投影系统的设备范围，以及涵盖手动三维建模、摄影测量、结构光扫描和日益增多的AI辅助工作流的内容管线。
3.2.1 混合协作XR
该类别聚焦融合不同现实技术或专为共享和具身交互设计的硬件解决方案，旨在克服头显体验的典型孤立性。包括VR、SAR与双向交互，支持VR用户与通过SAR同时投射到公共空间的内容交互；混合VR、AR、实体用户界面（TUI）和多用户交互，结合VR头显（HTC Vive）和移动AR应用，实现共处一地的非对称接入用户围绕共享数字遗产对象通信交互；MR、TUI、替代现实（SR）与手势追踪，将物理代理对象（如课桌或按钮）与VR环境中的虚拟对象集成；MR、TUI配合六自由度（6 DoF）追踪和空间音频，将文物物理复制品与手持追踪道具耦合；混合MR、实体控制器与动作捕捉，促进非物质文化遗产（ICH）传播；以及MR、手势追踪与空间映射/场景理解，利用Microsoft HoloLens 2先进传感器阵列进行环境追踪和实时场景理解。
3.2.2 整合AI、云端和计算服务的XR
该趋势聚焦利用网络架构和智能系统增强XR功能，包括：MR与云计算及多模态交互，集成Azure空间锚点、Amazon Polly、Amazon S3、Azure Cosmos DB等云服务管理分布式内容、确保共享体验持久性和处理多模态输入（注视、手势、语音）；VR、AI驱动自然语言理解（NLU）、知识图谱（KG）和情感化身，分析用户言语输入中的情感和道德价值，动态生成个性化对话化身以促进文化解释中的视角转换；以及生成式AI、AR、数据科学和三维资产，利用GAN或扩散模型等生成式AI数字修复损坏文物，借助数据科学验证历史准确性，再通过AR在真实语境中可视化重建模型。
3.2.3 数字化和可视化平台
包括：三维数字化与游戏引擎，通过激光扫描、无人机摄影测量或运动恢复结构（SfM）获取精确空间数据，在Unity或Unreal Engine等实时平台处理渲染；Web3D/WebXR、像素着色器和渐进式细化，使用GLSL着色器实现三维场景中不同时期本地化交互过渡；以及VR动画、三维建模软件和图像编辑，专用于ICH项目。
3.2.4 移动和位置感知型AR/XR
包括：XR与视觉定位服务（VPS）、GPS、透明OLED和头戴式显示器（HMD）融合，结合全球GPS数据（粗略定位）和高精度VPS（精确AR内容锚定），配合Nreal Light等HMD和透明OLED屏幕；移动标记式AR、实体文物和基于位置的信息，利用智能手机内部传感器（GPS、陀螺仪、加速度计）实现基于位置的AR，并将实体装置结构兼作可识别标记；以及移动AR、图像识别、GPS和游戏引擎，广泛使用Vuforia等图像识别技术触发锚定于物理对象的虚拟内容。
3.2 交互风格与范式
交互设计是XR技术与文化意义建构之间的关键中介。语料库揭示了四种高层级交互范式：探索性导航，在VR和移动AR中最普遍，支持自主学习和个人节奏，但其效果强烈依赖于空间清晰度、移动设计和界面简洁性；具身和实体交互，利用用户身体物理器物作为主要输入通道，通过手势追踪、物理代理和实体用户界面强化物理动作与数字响应的耦合，但需注意交互映射的简单性和与文化实践的隐喻一致性；社交和协作交互，在多用户VR、AR协同观看和混合VR-SAR装置中日益增长，将XR从个体体验推向共享解读和集体意义建构，但引入同步性、角色不对称和协调开销等设计挑战；叙事驱动交互，包括引导式叙事、适应性叙事和虚拟向导，线性叙事支持结构化学习降低认知负荷，非线性或适应性叙事支持个性化和深度探索，叙事机制与交互设计的整合是关键。
3.3 用户体验（UX）维度
用户体验结果的合成揭示了稳定模式：XR技术能显著增强CH语境中的沉浸感、参与度和学习效果，但这些收益高度依赖于交互设计质量、内容保真度和评估方法学。
沉浸感和存在感与头戴式VR和MR系统关联最强，尤其当与具身交互和连贯叙事框架结合时。高存在感与情感投入和共情相关，尤其在涉及历史重建或表演性遗产的体验中。但视觉保真度或真实感的提升若伴随不适、交互摩擦或感知不一致，并不自动改善沉浸感。
参与度是受交互性、游戏化和社交参与影响的多维结果。游戏化机制和挑战可靠地提升动机和任务时间，尤其对年轻受众；社交XR体验通过共享发现和讨论进一步放大参与度。但外来参与机制若未与策展意图仔细对齐，可能遮蔽解读深度。
学习和知识保持常被报告为阳性结果，尤其在鼓励主动探索、操作或叙事参与的XR应用中。学习收益在交互要求用户做出有意义选择或执行文化相关行动时最强，而非被动消费信息。然而学习结果多从自陈量表推断，限制了证据强度。
情感连接和共情在叙事驱动和具身XR体验中尤为突出，虚拟具身、视角采择和情感叙事可培养对历史人物或文化实践的共情。但这些效果依赖语境，对表征准确性和文化框架敏感。
阴性用户体验结果包括晕动症（cybersickness）、认知过载和挫败感，广泛存在且不成比例地影响首次使用者。关键的是，阴性用户体验并非孤立技术问题，常源于技术、交互设计和用户期望之间的失配。
3.4 评估方法学
稳健评估实践是证明XR教育和文化效益的基础。语料库显示定性和定量方法的混合模式，包括：半结构化访谈、主题分析、参与式工作坊等定性方法；以及标准化量表如系统可用性量表（SUS）、模拟器晕动症问卷（SSQ）、存在感问卷（PQ）和游戏体验问卷（GEQ），及自定义李克特量表和绩效指标（任务时间、准确率）。但方法学异质性、小样本量和短期研究阻碍跨项目直接比较。选择性报告偏倚风险为中等至高，阴性或零结果较少被提交或接受发表。自陈量表占主导，而晕动症、交互失败和脱离等阴性用户体验结果报告不足。
4 分析性综合
4.1 跨领域分析
分析综合的核心发现是文化遗产扩展现实设计一致性框架（DCF-XR）。跨64项综述研究，最 consistently 成功的XR遗产体验（以用户参与度、学习结果和文化真实性衡量）共享共同结构特征：所部署的技术、选择的交互范式、追求的体验和解读目标以及选择的评估工具相互强化而非独立优化。四个维度（技术、交互设计、用户体验和评估）的一致性并非仅仅是质量保证问题，而是XR实现其文化遗产使命的结构条件。反之，语料库中最常引用的失败模式——晕动症、浅层参与、低文化意义以及测量错误结果的评估——对应于并非单个维度孤立薄弱，而是一个或多个维度与其他维度失配的配置。
4.2 设计失效模式类型学
通过DCF-XR透镜，识别出四种 recurring 设计失效模式：
失效模式一——技术丰富、交互贫乏：部署高保真XR环境（详细摄影测量重建、高分辨率HMD渲染或复杂空间映射）但耦合被动或欠发展的交互设计，用户主要作为旁观者浏览视觉上令人印象深刻但体验上浅薄的环境。这类研究依赖首次使用、单场次评估，新颖性效应掩盖了深层解读价值的缺失。
失效模式二——叙事强、评估缺：具有良好发展的叙事和交互设计，但未进行正式用户评估，尤其见于SIGGRAPH和CHI系统论文，优先创意或技术创新而非实证证据。
失效模式三——评估严谨、文化薄：采用经验证评估工具（SUS、SSQ、PQ、GEQ）和适当样本，但将结果测量仅限于技术可用性、模拟器舒适度或通用参与度，文化学习、遗产解读、情感连接和社区相关性完全未被测量。
失效模式四——设计参与式、使用孤独式：采用协同设计、参与式工作坊或社区咨询，但最终交付单用户、非社交XR体验，未能保存其所代表遗产实践的共同性和关系性维度，尤其对ICH尤为成问题。
5 讨论
综合证据的总体确定性为低至中等。尽管XR技术通常增强CH语境中的沉浸感、参与度和学习效果，但证据强度受方法学特征限制：多数研究依赖小方便样本、单场次评估、非经验证工具和首次使用新颖性条件。研究发现应被解读为指示有前景的趋势而非确立效应。
研究显示从早期概念验证部署向更成熟复杂用户中心系统的明确过渡，强调社交存在感、具身性和多模态交互。现代XR应用正从技术展示转向更广泛策展策略的一部分，支持情境化、参与式和体验式学习。然而评估文化指出即便技术成熟度提升，其应用并不自动转化为文化或教育有效性。
5.1 持续性局限
技术资源障碍：成本、可用性和性能约束仍是重大障碍，尤其对小中型机构；高端HMD、追踪系统和空间计算基础设施带来财务和物流负担。内容创建同样挑战显著，高保真数字化管线需大量后处理以实现实时性能。
可用性与用户体验挑战：晕动症、非直观交互技术和陡峭学习曲线仍是主要采用障碍，尤其对首次或休闲用户。所谓"自然"交互技术并不保证界面直观性，熟悉输入如触摸屏或控制器对博物馆场景中新手用户可能优于手势界面。信息丰富度与解读清晰度需平衡，技术奇观风险使新颖性和视觉冲击可能遮蔽文化意义。
感知和沉浸缺口：视觉保真度与行为的不一致性损害存在感，虚拟人形的照片级真实感可能引发恐怖谷（uncanny valley）效应。
真实性与表征问题：若无来源社区的有意义参与，XR应用可能简化、美化或误表征遗产叙事。
可及性与包容性缺口：许多应用仍不够包容，缺乏触觉界面、音频优先交互、空间声音或NFC内容获取等替代模态。
评估严谨性：小方便样本和短期单场次评估放大新颖性效应，缺乏标准化和领域特异性评估框架削弱跨研究比较和累积知识建构。
5.2 对研究和实践的启示
未来研究应暂时搁置技术创新，优先进行现有技术的纵向和现场评估，评估学习保持、意义建构和行为改变的长期影响。开发针对CH的标准化评估指标，平衡可用性、体验质量和文化解读。采用将遗产社区定位为主动贡献者而非被动接受者的道德参与式设计框架。对从业者而言，需明确将技术奇观从属于文化意义的解读目标，将参与式设计、可扩展和成本效益的内容管线以及内置可及性作为基础要求而非可选增强。
