一邊是信息時(shí)代的先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，一邊是時(shí)間長河里磨損破碎的歷史文物。經(jīng)過多年的嘗試，二者在科研人員的手中巧妙結(jié)合。

于是，穿越了時(shí)間的壁壘，歷史得以數(shù)字化再現(xiàn)，文化得以信息化傳承，這就是奇妙的“文物虛擬修復(fù)和數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用”。

數(shù)字博物館（資料圖片）

由北京師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長周明全教授主持的“文化遺產(chǎn)數(shù)字化與保護(hù)新技術(shù)的研究及應(yīng)用”曾獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目組針對中華文化遺產(chǎn)的保護(hù)需求，采用虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形圖像處理等信息科學(xué)新技術(shù)，完成了多項(xiàng)文物數(shù)字化、文物虛擬復(fù)原修復(fù)、數(shù)字博物館、數(shù)字考古方面的科研項(xiàng)目，解決了文物的三維數(shù)字化真彩色信息的采集、基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，形成了系列的文化遺產(chǎn)數(shù)字化處理與保護(hù)的方法與科技成果，為文物保護(hù)、考古、古人類學(xué)的研究開辟了新的途徑。

破碎的兵馬俑： 計(jì)算機(jī)輔助修復(fù)

看個(gè)體，每尊兵馬俑都富有極強(qiáng)的藝術(shù)感染力；看整體，8000余件陶俑構(gòu)成了龐大的軍陣體系，再現(xiàn)2000多年前秦軍“奮擊百萬”氣吞山河的氣勢。

但有很多的參觀者可能并不知道，兵馬俑出土?xí)r，絕大部分就已支離破碎，我們所看到的大都是文物修復(fù)師的勞動(dòng)成果。30多年來，他們已經(jīng)整理修復(fù)了1000多尊陶俑。這個(gè)數(shù)字聽起來不免讓人心生擔(dān)憂，因?yàn)閾?jù)此推算，全部修復(fù)完兵馬俑至少需要100年。很多小學(xué)生都可能等不到這支龐大的地下軍團(tuán)呈現(xiàn)全貌的那一刻了。

當(dāng)然這是在計(jì)算機(jī)輔助文物修復(fù)系統(tǒng)出現(xiàn)之前的事。借助于該系統(tǒng)，文物的修復(fù)效率可提高數(shù)十倍。

通過三維掃描的方式，研究人員把碎片的外形曲線以及斷裂面凹凸起伏的特征輸入計(jì)算機(jī)。然后計(jì)算機(jī)會(huì)以一塊較大的碎片為基礎(chǔ)，對采集到的其他碎片樣品逐一分析，直到找到吻合最完美的另一塊碎片。這樣不斷比較下去，當(dāng)一個(gè)陶俑各個(gè)部位的所有碎片都被找齊后，一個(gè)完整的陶俑排列圖也就產(chǎn)生了。

不止于秦俑。幾片殘片經(jīng)過掃描，幾分鐘后，電腦屏幕上就會(huì)“生長”出一只青花八寶葵形碗。同樣是經(jīng)過掃描，一幅被油漆刷子“糟蹋”過的古代字畫在電腦里重獲新生。

數(shù)字技術(shù)： 當(dāng)今文化傳承的載體

在周明全的辦公室里，除了滿是書籍的柜子，你還能看到部分唐彩宋瓷的殘片安靜地躺在暖氣旁。來自古都西安的周明全愛好文物，但這并不是他投身文物數(shù)字化事業(yè)的主因，“歷史的記錄，文化的傳承”，這份厚重的歷史使命才是裝在周明全心里的大事。推動(dòng)人類文化遺產(chǎn)保護(hù)的科學(xué)化、現(xiàn)代化進(jìn)程，是周明全長久以來的奮斗目標(biāo)。

“老祖先給我們留下了如此多的文化遺產(chǎn)，都是前人智慧的結(jié)晶。理論上，不論我們怎么保護(hù)，隨著歲月的流逝，它們還是會(huì)損壞。”周明全說。

例如某些周代石鼓上的銘文，在石頭上刻字是試圖流傳百世，但是從分別攝于上世紀(jì)二三十年代、五六十年代與現(xiàn)在的照片來看，歲月的刀斧不言自明。

“如果把文物的特性、形狀、歷史沿革統(tǒng)統(tǒng)保存下來，永遠(yuǎn)流傳下去，這樣即使它不存在了，后人還是看得到，而不是像現(xiàn)代人那樣，只能抱著化石想象著恐龍的模樣。”周明全說，不論是可移動(dòng)還是不可移動(dòng)文物，都可以數(shù)字化展現(xiàn)，比如鐘鼓樓、大小雁塔，形狀、環(huán)境皆可復(fù)原，非物質(zhì)文化遺產(chǎn)同樣也可被數(shù)字化后記錄下來。

所謂文物數(shù)字化就是指以某種技術(shù)手段獲取文物形體、紋理、質(zhì)地、材料等數(shù)據(jù)信息，將其存入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，作為相應(yīng)專業(yè)人員的研究資料。借助先進(jìn)的多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來對我國古代文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化、展示和有效保護(hù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過非接觸式的數(shù)據(jù)采集及光學(xué)測量技術(shù)，可以永久地保存文物信息，減少人為因素對文物的損壞，如果借助于互聯(lián)網(wǎng)，可以快速地實(shí)現(xiàn)資源共享，提高工作效率。

周明全說：“每個(gè)時(shí)代都有自己的特征，基于這個(gè)時(shí)代的科技就是這個(gè)時(shí)代的最好特征，也是傳承文化的最好載體。青銅時(shí)代，用青銅作為藝術(shù)的載體，石器時(shí)代是石器，鐵器時(shí)代亦如此。當(dāng)今是信息時(shí)代，數(shù)字技術(shù)就是文化傳承的載體。”

計(jì)算機(jī)技術(shù)的多層次應(yīng)用

“這是對考古、博物館、文物保護(hù)行業(yè)傳統(tǒng)方法的一次革命。”有人這樣評價(jià)周明全的工作。他帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)多年來致力用計(jì)算機(jī)新技術(shù)解決文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保存、修復(fù)、展示中的問題，將計(jì)算機(jī)信息科學(xué)的前沿研究成果創(chuàng)新性地應(yīng)用于文物保護(hù)的主要過程，建立了一套數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護(hù)方法，開拓了計(jì)算機(jī)應(yīng)用新領(lǐng)域，為文化遺產(chǎn)的保存、保護(hù)和展現(xiàn)提供了新的技術(shù)手段。

“文物虛擬修復(fù)和數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，就是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息領(lǐng)域最新發(fā)展技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)的文物保護(hù)與修復(fù)工作，形成文化遺產(chǎn)的科學(xué)保護(hù)理念和程序。

該項(xiàng)目的研究主要涵蓋了三維文物以及文物碎片進(jìn)行虛擬修復(fù)、二維古字畫的修復(fù)、數(shù)字博物館與文物數(shù)字化4個(gè)方面。

“有完整的文物當(dāng)然有利于數(shù)字化，但打碎的看不到原貌的怎么辦？這就需要利用計(jì)算機(jī)輔助修復(fù)。”該團(tuán)隊(duì)突破了文物數(shù)字化、虛擬復(fù)原、虛擬場景、真實(shí)再現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了能夠?qū)ζ茡p的二維古字畫、三維文物碎片進(jìn)行虛擬修復(fù)、復(fù)原的“計(jì)算機(jī)輔助文物復(fù)原系統(tǒng)”。

他們還研制了適應(yīng)文物三維色彩采集和紋理展示需要，便于實(shí)現(xiàn)高光文物紋理色彩信息真實(shí)再現(xiàn)的“三維激光真彩掃描儀”（三維照相機(jī)）與配套軟件。

“高光是三位掃描的難點(diǎn)，對于表面反射能力不強(qiáng)的物體來說，掃描效果好，對于瓷器來說，大部分都具有很強(qiáng)的反射性，掃描結(jié)構(gòu)不很理想，這個(gè)問題目前已經(jīng)解決。”周明全解釋道，下一步亟待攻克的方向是玉器等透光器件的掃描。

眾所周知，我國大部分博物館都陷入資金嚴(yán)重不足、展出手段單一并導(dǎo)致惡性循環(huán)的困境，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用為文博單位提供了一個(gè)擺脫困境的契機(jī)。對此，項(xiàng)目組還研發(fā)了“數(shù)字博物館開發(fā)平臺(tái)”。平臺(tái)采用基于Web Service的四層分布式體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用XML描述虛擬數(shù)據(jù)源，以及基于圖像內(nèi)容、三維模型的網(wǎng)絡(luò)檢索工具，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的高效、快速、安全使用。

值得一提的是，以上這些研究用到的軟硬件，基本上都是項(xiàng)目組自主開發(fā)的。

目前，周明全與其項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的虛擬修復(fù)技術(shù)，已經(jīng)在故宮博物院污損書畫虛擬修復(fù)、河南青銅器修復(fù)、兵馬俑的數(shù)字復(fù)原修復(fù)等一系列“實(shí)戰(zhàn)”中接受了檢驗(yàn)，有效地輔助了文物的修復(fù)過程，受到多方的好評與肯定。“數(shù)字博物館開發(fā)平臺(tái)”也已在西北大學(xué)數(shù)字博物館的建設(shè)中得到應(yīng)用。