胡 月
文化遺產(chǎn)是璀璨的中華文明的物化承載和有力支撐，是國家和民族的精神象征。西北大學(xué)“文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心”的科研團(tuán)隊(duì)充分利用數(shù)字技術(shù)，取得了五代文物掃描儀研發(fā)、文物虛擬修復(fù)、秦人樣貌復(fù)原、秦陵遺址建模重現(xiàn)等一系列創(chuàng)新性科研成果，使秦陵文化遺產(chǎn)在賡續(xù)傳承中煥新出彩，推動中華優(yōu)秀文化創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新性發(fā)展。
夏末秋初，蟬鳴悠長，暑期的西北大學(xué)校園顯得格外寧靜。
走進(jìn)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，由大雁塔、兵馬俑、駝隊(duì)，長城內(nèi)外、高山大漠、絲綢之路等遺產(chǎn)要素構(gòu)成的“文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心”的標(biāo)志背景顯得格外厚重。“西北大學(xué)-故宮博物院青銅器虛擬修復(fù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”“西北大學(xué)-國家博物館智慧博物館和聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”“西北大學(xué)-秦始皇帝陵博物院虛擬考古聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”“西北大學(xué)-陜西省文物保護(hù)院文化遺產(chǎn)數(shù)字化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”等標(biāo)牌整齊排列于墻面上方。
走廊盡頭的會議室，一位氣度不凡的長者正拿著掃帚打掃，迎面而來的耿國華教授介紹道：“這是周教授。”原來，這位“掃地僧”正是大名鼎鼎的周明全教授。
風(fēng)趣幽默的周教授，和藹可親的耿教授和科研團(tuán)隊(duì)的青年教師許陽、博士任勇共同為記者講述了用數(shù)字技術(shù)“喚醒”沉睡軍團(tuán)的故事……
大學(xué)校園里的虛擬考古實(shí)驗(yàn)室
2013年，西北大學(xué)獲批設(shè)立國家發(fā)展改革委“文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心”，它的前身是1998年成立的陜西省計(jì)算機(jī)軟件工程研究中心。周明全、耿國華兩位教授帶領(lǐng)著科研團(tuán)隊(duì)主要面向國家重大需求，結(jié)合陜西文化遺產(chǎn)資源優(yōu)勢，依托文化遺產(chǎn)與計(jì)算機(jī)學(xué)科交叉平臺，利用西北大學(xué)學(xué)科實(shí)力和特色資源開展文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)與應(yīng)用合作研究，在文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)及科技考古方面一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。
經(jīng)過多年發(fā)展，這個團(tuán)隊(duì)的科學(xué)研究取得累累碩果，“文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)傳承文物虛擬修復(fù)和數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的研究及應(yīng)用項(xiàng)目”獲2009年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎，“文化遺產(chǎn)考古資源數(shù)字化保護(hù)新技術(shù)研究及在秦俑等示范工程的應(yīng)用項(xiàng)目”獲2015年度陜西省科學(xué)技術(shù)二等獎。
周明全、耿國華兩位教授從自掏腰包補(bǔ)貼科研經(jīng)費(fèi)，到獲得國家部委、省財(cái)政對項(xiàng)目的大力支持，見證了數(shù)字化考古和實(shí)體保護(hù)工作在我國的發(fā)展歷程。
談到文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承、保護(hù)與傳播，周教授更像是一位哲學(xué)家。他說，物質(zhì)終究會消亡，這是世界發(fā)展與存在的客觀規(guī)律，但用什么方法能夠把尚未消失消亡的事物保護(hù)起來，并在此基礎(chǔ)上加以研究和利用，這是需要我們深思和探究的。“對秦始皇陵兵馬俑而言，就是既要利用數(shù)字技術(shù)將其保存，又要利用數(shù)字技術(shù)探索未知，還要利用數(shù)字技術(shù)傳播傳遞，而這一切都離不開現(xiàn)代信息技術(shù)?！?/p>
▲周明全（右）教授和耿國華（左）教授介紹相關(guān)科研成果
▲文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心
傳統(tǒng)文物保護(hù)主要采用拍照或畫圖的方式進(jìn)行文物信息記錄，這種記錄手段存在著方式單一、占用空間大且不易檢索等先天缺陷?！扒厥蓟柿瓯R俑規(guī)模宏大，發(fā)掘現(xiàn)場碎片數(shù)量巨大，人工比對、手工復(fù)原周期長、誤差大，且打磨粘接實(shí)體式拼合極易對文物造成二次破壞，這些現(xiàn)實(shí)情況決定了急需對傳統(tǒng)的保護(hù)及修復(fù)方式進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新?！敝芙淌谡f。兵馬俑一號坑是最早發(fā)現(xiàn)并開始陶俑修復(fù)的俑坑，通過三十多年的接續(xù)努力，已人工修復(fù)秦俑1000余件，但這也僅占發(fā)現(xiàn)秦俑數(shù)的八分之一，以此速度估算，二號坑、三號坑完成修復(fù)還需100年。因此，利用數(shù)字化手段對其進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)具有十分重大的意義。
從保護(hù)方式看，傳統(tǒng)的實(shí)體保護(hù)僅能延緩本體消亡時間，而數(shù)字化文物保護(hù)技術(shù)（記載、修復(fù)、展示、管理）卻能有效重現(xiàn)文物的生命。自1996年起，周、耿兩位教授帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)與秦陵文物數(shù)字化保護(hù)工作結(jié)緣已近三十年，從單純的研究、到參與考古挖掘、再到數(shù)字化保護(hù)，他們不僅參與了兵馬俑的現(xiàn)場挖掘，還想方設(shè)法地將信息技術(shù)運(yùn)用到兵馬俑的保存、修復(fù)和傳承之中。利用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能及虛擬現(xiàn)實(shí)等信息學(xué)科前沿技術(shù)提供新的思路、技術(shù)和方法，助力文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)研究并推動相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和落地，不斷推動秦陵數(shù)字化保護(hù)工作的創(chuàng)新發(fā)展，這在我國文物保護(hù)與修復(fù)領(lǐng)域具有開創(chuàng)性意義。
神奇的掃描儀
文物數(shù)字化，通俗地講就是通過激光掃描技術(shù)對文物進(jìn)行建模，而要掃描文物，就必須先有設(shè)備。周教授說：“當(dāng)時國家科技攻關(guān)計(jì)劃中對顱骨三維掃描和建模的需求直接下達(dá)到我們項(xiàng)目組，1996年我們就啟動了掃描設(shè)備研制，1997年便成功研制出第一代點(diǎn)狀激光三維掃描儀，直到后來知道，這在當(dāng)時是一件了不得的大事，是國內(nèi)第一臺三維激光掃描設(shè)備?！?/p>
記者了解到，第一代點(diǎn)狀激光三維掃描儀（XD-scanner1）被迅速應(yīng)用于公安部物證鑒定中心，主要用于顱骨的面貌虛擬復(fù)原。
如今，周教授的科研團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出五代掃描設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)室里，許陽老師向記者詳細(xì)介紹了掃描設(shè)備的更新歷程，“第一代、第二代和第三代掃描儀最大的區(qū)別是分別基于點(diǎn)激光、線激光和面激光進(jìn)行采集建模?！碧貏e是2002年研制出的第二代掃描儀，它是基于復(fù)曝光真彩色線激光三維掃描設(shè)備（XD-scanner2），是國內(nèi)第一臺針對文物真彩色線狀激光三維掃描儀，主要面向數(shù)字博物館建設(shè)需求，采用復(fù)曝光技術(shù)，較好地解決了陶瓷器物表面高光反問題，研制出后迅速被應(yīng)用于西北大學(xué)數(shù)字考古博物館。
第三代基于結(jié)構(gòu)光文物外觀快速采集建模裝置（XD-scanner3）則是基于機(jī)械臂與機(jī)器視覺技術(shù)的文物外觀快速采集建模裝置，主要解決大中型文物的高效數(shù)字化難題，它的誕生使文物掃描時間從小時級降為分鐘級，使博物館海量文物快速數(shù)字化成為現(xiàn)實(shí)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
在現(xiàn)場，記者見到了大名鼎鼎的“跪射俑”數(shù)字化掃描過程?！皩?shí)驗(yàn)室的這臺概念展示設(shè)備，通過機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行掃描，我們研發(fā)的這種方式和技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)空白，國家博物館目前已使用這種裝置進(jìn)行文物掃描，速度在數(shù)量級上大幅提高，精度也達(dá)到了0.05毫米。舉例而言，過去掃描一個兵馬俑大概需1000分鐘，現(xiàn)在僅用時48秒完成，這不是講故事，而是真實(shí)的技術(shù)發(fā)展事實(shí)?！敝苊魅淌谧院赖叵蛴浾哒f。
▲第三代掃描儀展示掃描跪射俑的過程
而2012年投入使用的第四代三維掃描儀（XD-scanner4）是無人機(jī)大場景三維成像掃描系統(tǒng)，它的問世極大方便了不可移動文物數(shù)字化建模，使遺址大場景建模更加真實(shí)直觀，已相繼完成了秦始皇帝陵、布達(dá)拉宮、塔爾寺等遺址的建模作業(yè)。第五代三維掃描儀（XD-scanner5）則是于2022年研制出的機(jī)器人智能文物掃描設(shè)備，通過結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可在文物的個體識別、屬性提取上取得新突破，已被應(yīng)用于兵馬俑、石窟寺等文物的三維掃描。
復(fù)原“泡釘俑”
在兵馬俑發(fā)掘過程中，陶俑破碎非常嚴(yán)重，而只有將這些碎片拼合起來，使秦俑站立起來，賦予其外在形象，兵馬俑才能擁有最大價值。
“千萬個兵馬俑都被打碎了，碎片都混雜在一起?！敝芙淌谡f，“修復(fù)工作要干的第一件事就是分類，需要判斷這些碎片分別屬于哪些俑，也就是說要從數(shù)以萬計(jì)的碎片中找到屬于同一個俑的碎片，這是個大難題?！?/p>
以前全人工拼接兵馬俑碎片是一個極為復(fù)雜的過程，而現(xiàn)在利用三維虛擬可視化技術(shù)，通過觀察文物碎片的紋理特征和邊緣特征，使碎片分類變得精確、簡單、直觀，為后續(xù)的順利拼接打下基礎(chǔ)。
周教授解釋說：“三維虛擬可視化技術(shù)，簡而言之就是三個步驟：第一步，把每個碎片通過三維掃描儀進(jìn)行數(shù)字化；第二步，通過計(jì)算機(jī)對所有被數(shù)字化的碎片進(jìn)行計(jì)算，并找出相互相鄰的碎片；第三步，進(jìn)行完整拼接，形成完整的兵馬俑模型?！被谌S虛擬技術(shù)形成的文物虛擬修復(fù)，即運(yùn)用激光三維掃描儀對破碎文物進(jìn)行精確數(shù)字化，將秦俑碎片及出土信息進(jìn)行數(shù)字化管理，保存每個碎片的線劃圖及其三維模型，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行自動化虛擬拼接，對缺失碎片進(jìn)行數(shù)字化修復(fù)，形成虛擬復(fù)原兵馬俑。
▲超高還原度3D打印泡釘俑
▲超高還原度3D打印將軍俑
2009年，兵馬俑一號坑進(jìn)行了舉世矚目的第三次發(fā)掘，在K9901陪葬坑百戲俑坑中，考古專家們發(fā)現(xiàn)了此前從未見過的新俑種。與以前出土的上身赤裸下身著裳的百戲俑不同，新俑身著式樣獨(dú)特的上衣，上面布滿了排列有序、直徑約3.5厘米左右的圓泡，泡釘周圍還有彩繪紋樣，而其著衣方式與常見古人的右開襟也大不相同，開襟位于后方，專家們將其命名為“泡釘俑”。
為了盡早呈現(xiàn)“泡釘俑”的“廬山真容”，科研團(tuán)隊(duì)首先用三維掃描技術(shù)獲得文物碎片的輪廓曲面數(shù)據(jù)，并利用軟件將散亂的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化，得到三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，再在大量無規(guī)則的破損碎片中尋找碎片間的拓?fù)潢P(guān)系，同步利用空間曲線匹配搜索匹配確定匹配結(jié)果，最后進(jìn)行拼接。通過使用這些技術(shù)手段，具有極大考古價值的“泡釘俑”虛擬復(fù)原模型鮮活地呈現(xiàn)在世人面前。
周教授告訴記者，“泡釘虛擬俑”先于實(shí)體復(fù)原，并能指導(dǎo)其后的實(shí)體復(fù)原過程，使實(shí)體修復(fù)更科學(xué)、更容易、更安全、更可靠。利用計(jì)算機(jī)這種超高的數(shù)據(jù)處理能力，一個破裂成數(shù)百塊碎片的陶俑完成虛擬拼接只需一小時，再用虛擬復(fù)原結(jié)果指導(dǎo)人工實(shí)體修復(fù)，理論上能夠達(dá)到一天修復(fù)一個秦俑的速度。
除成功復(fù)原“泡釘俑”實(shí)體外，科研團(tuán)隊(duì)還于2011年成功虛擬復(fù)原了一號坑的珍貴文物“右驂馬”。雖然“右驂馬”至今并未進(jìn)行實(shí)體復(fù)原，但“虛擬右驂馬”已被用于研究與展示。
虛擬復(fù)原的另一重要作用就是替代實(shí)體修復(fù)，以完成修復(fù)的兵馬俑模型為基礎(chǔ)，通過輸入正視、定量尺寸標(biāo)注等數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)程序就能完整地對文物剖面和三維效果進(jìn)行輸出，這樣一來，文物碎片無需進(jìn)行實(shí)體修復(fù)也能為考古研究工作提供清晰、全面的參考與幫助。
虛擬修復(fù)的意義，就在于擺脫了實(shí)體文物復(fù)原限制，支撐高效的研究和傳承。即使實(shí)體文物當(dāng)下并未進(jìn)行修復(fù)，它卻依然能夠被研究、被展示、被流傳，而文物背后的故事也能留給未來去解答，使未知往事逐漸成為已知故事?！皩ξ覀儓F(tuán)隊(duì)而言，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓兵馬俑等文物活起來，就是落實(shí)習(xí)近平總書記對文物工作指示的行動實(shí)踐?！惫⒔淌谡f。
復(fù)原古人容貌
從1996年開始，周明全、耿國華兩位教授就帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)建立起了“中國人顱面數(shù)據(jù)庫”，數(shù)據(jù)庫中收集了2000多例現(xiàn)代人顱面數(shù)據(jù)信息，這不僅開創(chuàng)了該領(lǐng)域的國內(nèi)先河，更成為亞洲乃至世界最豐富、最有代表性的顱面數(shù)據(jù)庫。隨著數(shù)據(jù)庫采集信息的不斷豐富、地域覆蓋的不斷擴(kuò)大，顱面復(fù)原將越來越準(zhǔn)確，復(fù)原未知的真容成為可能。
有了現(xiàn)代人的顱面數(shù)據(jù)庫，但如何比對并復(fù)原古人容貌呢？耿教授介紹說，“通過對古人顱骨的‘碳-14’鑒定和人類學(xué)分析，我們就能夠推斷出其入葬時的年齡范圍，再從現(xiàn)有的現(xiàn)代人顱面數(shù)據(jù)庫中提取出與其相同年齡段人的軟組織厚度，并以此為依據(jù)復(fù)原古人面貌。”
科研團(tuán)隊(duì)通過使用手持式激光三維掃描儀對出土人類顱骨進(jìn)行掃描，從而獲取能夠準(zhǔn)確反映顱骨表面幾何形態(tài)的三維點(diǎn)云和表面顏色數(shù)據(jù)，經(jīng)后期封裝和虛擬拼接，就能完成顱骨三維建模，并以此為基礎(chǔ)對該顱骨生前樣貌進(jìn)行復(fù)原。他們運(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)，已成功完成對秦陵出土的疑似秦代王子和秦代嬪妃的顱骨進(jìn)行了顱面復(fù)原。
▲秦男秦女顱面復(fù)原
在談到顱面復(fù)原技術(shù)的突破和意義時，耿教授耐心解釋道：“顱面復(fù)原技術(shù)突破的關(guān)鍵是三維建模和處理過程，以往的顱面復(fù)原一般是用針扎方式在尸體樣本上獲取顱面軟組織厚度，再通過泥塑得到復(fù)原面貌，多依賴于專家經(jīng)驗(yàn)制作而成，似乎成為了一種藝術(shù)家的創(chuàng)造行為?，F(xiàn)在，我們則利用CT或三維掃描設(shè)備對顱骨數(shù)字化，基于現(xiàn)代人數(shù)據(jù)庫來復(fù)原面貌，這不僅是一種技術(shù)進(jìn)步，更是一定程度上的技術(shù)解放，通過以大量人面科學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建成統(tǒng)計(jì)模型，對顱骨對應(yīng)面貌進(jìn)行復(fù)原，復(fù)原后的樣貌相較傳統(tǒng)人工復(fù)原而言更加科學(xué)和準(zhǔn)確?！?/p>
按照文物處理規(guī)范程序，文物在出土后，經(jīng)過基本的修復(fù)和保護(hù)，就會進(jìn)行展出或入庫保管，因在實(shí)驗(yàn)室留置的時間十分有限，使研究工作無法深入開展。而三維數(shù)字化技術(shù)能夠有效解決這一困境，它可以幫助考古學(xué)家在計(jì)算機(jī)中保留一個與真實(shí)文物完全一致的高精度三維虛擬實(shí)體，即使不接觸實(shí)體文物，后期的研究分析工作也能順利完成，三維打印技術(shù)還可將研究的數(shù)據(jù)成果直觀地呈現(xiàn)出來。
▲科學(xué)家利用數(shù)字技術(shù)還原兵馬俑
耿教授告訴記者，為了便于專家對“秦陵顱骨面貌”的進(jìn)一步分析和研究，科研團(tuán)隊(duì)使用真彩色三維打印機(jī)對顱骨進(jìn)行了1∶0.75實(shí)體重現(xiàn)，雖然與真實(shí)大小不同，但它們的表面結(jié)構(gòu)及相對比例與真實(shí)實(shí)體是完全一致的，該項(xiàng)技術(shù)可靠性也得到了最好的驗(yàn)證。“秦陵顱骨面貌復(fù)原”也僅是其團(tuán)隊(duì)“顱面形態(tài)信息學(xué)”研究在考古領(lǐng)域中的一個簡單應(yīng)用，目的不單是為復(fù)原著名古人顱面，更是為考古研究工作縱深推進(jìn)提供更加先進(jìn)、更加可靠的技術(shù)支持。
讓秦陵遺址數(shù)字化
2010年秦俑一號坑三次發(fā)掘、2011年秦陵K9901坑發(fā)掘及2018年秦陵遺址數(shù)字化重建，這些在國內(nèi)文物考古界首屈一指的大事件，周、耿教授團(tuán)隊(duì)都全程數(shù)字化跟進(jìn)，他們用信息技術(shù)手段支持遺跡挖掘、保存、傳承全過程，助力遺跡歷史風(fēng)華重現(xiàn)。
相較于單個文物，遺址遺存因體積大、三維掃描儀無法直接獲取數(shù)字化模型，且經(jīng)掃描獲取的數(shù)字化模型占用內(nèi)存大等原因使得計(jì)算處理復(fù)雜度顯著提升。為此，科研團(tuán)隊(duì)利用傾斜攝影和激光掃描雙模式對秦始皇帝陵博物院一號坑進(jìn)行了大場景高精度三維建模，通過設(shè)備的優(yōu)勢互補(bǔ)不斷提升了數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍，通過獲取高精度圖像建立了數(shù)字化資源，通過勘測遺址空間再現(xiàn)了秦陵地面歷史場景，通過考古勘探、史料研究，重建了秦陵九層臺三維結(jié)構(gòu)，揭示了秦陵修建方式等歷史事實(shí)。最終，秦陵保護(hù)區(qū)56平方公里三維建模完成，實(shí)現(xiàn)了秦陵遺址的全場景數(shù)字化。
周明全教授說，“考古連接著過去與現(xiàn)在，考古發(fā)掘是遺跡不斷被損毀的過程，但有了數(shù)字技術(shù)的助力，使得我們可以把文化遺產(chǎn)更好地保存起來，傳承下去，傳播出去?！?/p>
耿國華教授也表示，“不是所有人都要成為歷史學(xué)家、考古專家，但了解歷史，特別是熟知優(yōu)秀的中華文化，則是我們每一個人的必需，更肩負(fù)著責(zé)任去傳承?！?/p>
信息技術(shù)作為一種新技術(shù)手段，成為每個人都能觸及使用的工具和平臺，助力著文化遺產(chǎn)被認(rèn)知關(guān)注、廣泛傳播。
一面是充滿歷史灰塵的文化遺產(chǎn)，一面是科技感十足的數(shù)字技術(shù)，傳統(tǒng)與現(xiàn)代的有機(jī)融合將使歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)與利用迸發(fā)新的時代活力。作為中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化重要載體的文化遺產(chǎn)，因數(shù)字化技術(shù)的賦能，在“守正”與“創(chuàng)新”中又煥發(fā)了新的活力，成為推動中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新性發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力。
秦兵馬俑的神秘源于他們千人千面、形態(tài)各異、服飾絢麗、似曾相識，兩千多年來似乎從來都沒有離開過我們。如果說千年前的能工巧匠以栩栩如生的技藝賦予了他們“生命”，那么當(dāng)今的科學(xué)家利用數(shù)字技術(shù)還原兵馬俑，則是讓他們獲得“新生”。
數(shù)字技術(shù)“喚醒”了深埋于地下兩千兩百多年的兵馬俑軍團(tuán)，我們仿佛穿越了千年，在“九層之臺，始于壘土”氣勢恢宏的秦陵中漫步，在“不動如山，動則如火掠林”橫掃六國的虎狼之師中檢視。不難想象，倘若將這一軍團(tuán)“喚醒”，使他們穿越兩千兩百年的歷史，活靈活現(xiàn)、完完整整地列隊(duì)于當(dāng)代人的面前，將是何種氣勢！
（感謝文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心對本次采訪的支持。）
責(zé)任編輯：王順利-《新西部》雜志 · 新西部網(wǎng)
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