背景介紹：北京師範大學周明全教授運用信息技術，建立了新的文化遺產保護方法，解決了文物數字化保護與傳承的關鍵技術，實現了文物的精準建模、虛擬修復，形成了文化資源數字化保護系列的技術標準。開拓了計算機應用新領域，對文化遺產保護傳承作出了新貢獻。
文物承載燦爛文明，傳承歷史文化，維繫民族精神，是老祖宗留給我們的寶貴遺產。保護文物功在當代，利在千秋。黨的十八大以來，黨中央高度重視文物工作。國家領導多次就文化傳承、文物保護作出重要指示批示，充分體現了黨和國家對文物工作的高度重視。人類進入了信息時代，文物保護不再是“挖墓專業”了，讓文物保護與現代信息技術結合起來，是文物保護、開發利用的新方向。周明全教授和考古工作者緊密結合，緊跟時代步伐，改革創新、砥礪奮進，文物修復保護取得了新的豐碩成果。
在2009年度國家科學技術獎勵頒獎大會上，北京師範大學信息科學與技術學院院長周明全教授獲得國家科技進步二等獎，獲獎的項目是“文物虛擬修復和數字化保護技術的研究與應用”。該項目組針對中華文化遺產的保護需求，提出了文物“虛擬修復”的概念。運用信息技術，建立了新的文化遺產保護方法，解決了文物數字化保護與傳承的關鍵技術，實現了文物的精準建模、虛擬修復，形成了文化資源數字化保護系列的技術標準。開拓了計算機應用新領域，對文化遺產保護傳承作出了新貢獻。
中華文物種類繁多、形狀不同、屬性各異。這些年代久遠的歷史文化遺產，隨著時間的流逝，都經受著不同程度的破壞和損害，如金屬文物鏽蝕，陶器、瓷器破碎，石雕殘崩，木器和竹器乾裂、皺縮，出土的紡織品、紙張文物腐朽。所有這些歷史文物都要進行搶救修復才能保存和展出。國內長期對破損文物主要是實體修復，所謂的“修舊如舊”，然而，在和歷史文物相距千年的今天，“修舊如舊”幾乎是個不切實際的夢想。我們的材料、工藝、方法，很難和古代一樣，這樣的修復，實際上是現代製造，有時是破壞性修復。
周明全教授推動的“虛擬修復”，是用信息科技把文化遺產原汁原味的保護記錄下來，用數字幾何的方法建模，讓他們在數字世界裡再生，儘可能真實的把他們展示給人們。而在虛擬世界完成的一切，運用了實際文物的可能得到的所有信息，通過信息技術，展現出了文物的前世今生，包括外觀和內容，以及相關的知識。而真實的文物該是什麼樣子，還是什麼樣子，我們規避了可能的誤操作和張冠李戴，對以後的研究修復打好了基礎。
文物的虛擬修復，是建立在數字採樣，微分幾何，智能處理，虛擬展示等現代技術的基礎上。而中華文物的多樣性，使其建模和處理極其困難、複雜。然而，
在20年的研究中，周明全教授和他的團隊，通過模型空間數據驅動的方法，最終實現了遺址、遺物和遺骸的精準建模、虛擬修復。該技術已在秦始皇兵馬俑、故宮博物院、陝西省、河南省考古研究單位應用，虛擬修復了重要文物百餘件，有的在中央電視臺播出，有的參加了“故宮博物院重大修覆成果展出”，成效顯著。破碎文物虛擬復原：秦兵馬俑“復活”
圖1 G9發掘現場陶俑層數字化建模
兵馬俑表現了極高的造型藝術，是世界上獨一無二的文化藝術寶庫。1987年，秦始皇陵及兵馬俑坑被聯合國教科文組織批准列入《世界遺產名錄》。然而，兵馬俑出土時只是數以萬計的瓦礫，人工匹配“體大量多”，難免張冠李戴，錯配後可逆性差，從兵馬俑發現到現在，歷經45年，準確高速修復兵馬俑問題成了世紀難題。為此，周明全教授創立了破碎文物虛擬復原體系，將複雜的破損文物修復難題轉化為數字模型計算，打破了碎片集大且匹配效率低的瓶頸。
周明全教授設計了實體建模的系列新方法，基於幾何特徵空間深度數據建模，在上世紀90年代，設計了國內領先的實物激光三維掃描儀，用於顱骨、兵馬俑的建模，併發明瞭多尺度復曝光真彩掃描技術，設計製作了具有自主專利的針對文物的透光、反光問題專用數字化儀；又基於機器視覺的序列圖像和深度圖像融合方法，生成具有精確而真實感的物體模型，解決了大場景遺址模型高效製作的關鍵問題。使用創新體數據精確建模關鍵技術，完成了重要文物的內部精細寫真。
周明全教授創新了模型匹配優化計算體系，通過策略優化，智能分類降低候選集規模，用模板目標導引解決窮舉拼接盲目性；再通過算法優化，提出基於顯著特徵、群體智能和模板引導的匹配算法，解決拼接NP難，提高匹配效率；進而通過指導優化，通過度量、知識、關係進行效果評價與反饋，迭代精化，提高匹配質量。
經過一系列的設計創新，採用三維掃描的方式，將文物碎片的外形曲線，以及斷裂面凹凸起伏的特徵被輸入計算機，讓它記住不同碎片的立體外形，計算機每秒能完成數千塊碎片的對比，因此一個破裂成百餘塊碎片的陶俑完成拼接也不過一個小時左右，修復人員按照計算機給出的碎片排列拼圖，大約一天就能迅速修復兵馬俑，這在過去至少需要花費五個人半個月以上的時間，徹底改變了人工修復的冗長煩瑣錯配局面。
兵馬俑的數字化，歷經碎片修復，兵陣列隊、虛擬運動，陣法演練等階段，經過相繼發掘和修復，1000餘件身份不同、形態各異的兵馬俑，構成了一個個威風凜凜的軍陣，通過虛擬現實技術，生動地再現了秦軍雄兵百萬、戰車千乘的磅礴氣勢。這既是信息技術的成果，也是中華文明的自豪。
實體模型計算：青銅器“醒來”
青銅器是中華祖先製成的各種器具，青銅器及其紋飾是陶範製作且一器一範，每件青銅器都具有極高的文化價值和歷史價值。然而，埋藏於地下的青銅器文物在潮溼的環境中會遭到腐蝕，在土壤壓力的作用下會變形或者破碎為多個碎片，因此亟待研究破碎青銅器的修復問題。周明全教授利用計算機技術開展青銅器文物數字化及其虛擬修復的研究，為青銅器文物的保護提供新途徑，文物工作者可以依據計算機提供的修復策略，完成文物的實物修復，加快文物修復速度，避免對文物造成二次損傷。
破碎青銅器文物的修復包括數據採集、模型預處理、碎片形變恢復，碎片匹配、碎片拼接等步驟：
（1）青銅器及其碎片數字化。通過激光掃描儀從不同角度採集青銅器文物的深度圖像，實現多視數據配準建模，進一步引入非剛性配准算法消除配準誤差，提高模型細節建模的精度。
（2）模型預處理。 通過激光掃描儀建模得到的青銅器數字模型常伴隨噪聲，因此需要進行數據的平滑、去噪等預處理。針對數字化建模過程中存在的大尺寸孔洞修補問題，採用模板配準技術，根據已有標準的青銅器文物數字模型，實現待修復模型孔洞的修補。
（3）碎片形變恢復。由於青銅器破損時可能發生形變，需要根據不同情況進行形變恢復，為碎片的匹配拼接奠定基礎。針對輕微形變，基於光滑區域曲率連續的原理，引入隱式曲面函數進行修復。針對劇烈形變，引入交互式編輯方法，採用層次樣條函數、局部非剛性變形技術實現碎片形變恢復。
（4）碎片匹配。基於碎片的邊緣輪廓信息，提取輪廓斷裂線或斷裂面的幾何特徵，定義特徵匹配度量函數。針對每個碎片計算特徵匹配值，根據匹配值按匹配的可能性從高到低排序，確定候選匹配碎片序列。在候選匹配集中，確定正確的待匹配碎片並計算碎片間的剛性變換。為了保證匹配結果的正確性，引入人工交互調整匹配結果。
（5）碎片拼接。 對相互匹配的碎片進行拼接，完成碎片間裂縫的修補。
圖2 青銅器文物虛擬修復
經過虛擬修復，青銅器“醒來”了，穿越幾千年的時光獲得了重生，恢復出往日獨特魅力，一段塵封的歷史又得以重見天日，我們仿若又看到它曾身處那個年代的繁盛與輝煌。在青銅器的復原中能夠藉助先進的計算機手段，將大大提高修復效率，增加青銅器修復中的安全性和可靠性。
3D面貌復原：唐代公主“寫真”
圖3 唐代公主面貌復原
2001年11月至2003年6月，考古人員在西安某大學建築工地，發現一個唐代貴族墓葬，墓誌銘完整展示，逝者為唐代開國皇帝李淵五世孫女李倕，死亡時年25歲。發現的李倕墓，當時棺木已朽，屍骨尚存，顱骨也不完整。但是所帶頭冠非同一般，考古專家發現了這頂頭冠在頭顱遺骸上，雖然已經散亂，可頭冠幾乎用盡了唐代可能用到的所有裝飾材料：綠松石、琥珀、珍珠、紅寶石、貝殼、瑪瑙、金銀銅鐵等，很多金飾件下還有翡翠鳥鮮豔的藍色羽毛……色彩絢爛，極盡奢華。
為了讓這位唐朝公主容顏再現，考古專家請周明全教授團隊給予支持。周明全教授從1996年開始，和公安部物證鑑定中心合作，完成了“基於顱骨的計算機面貌復原研究”，在公安刑偵領域應用了近百案件遺骸的面貌復原，取得了不錯的業績。現在，這項技術用於考古，專家通過活人顱骨的積累數據計算，再還原了李倕容貌，令其面容重現世人眼前。
該項目組負責人周明全教授介紹，在西北大學的支持下，北京師範大學信息科學與技術學院虛擬現實與可視化中心的研究人員對顱骨進行了計算機斷層的CT掃描，將獲得的數據輸入計算機，通過他們研製的軟件重構出了公主的三維顱骨，對缺損部分給以修補，並以現代人頭部數據為基礎，採用迴歸統計法推導出顱骨與面貌之間的關係，
利用“計算機顱面復原軟件”技術復原了三維頭像。一邊是信息時代的先進計算機技術，一邊是時間長河裡磨損破碎的歷史文物。經過多年的嘗試，二者在科研人員的手中巧妙結合。
於是，穿越了時間的壁壘，歷史得以數字化再現，文化得以信息化傳承，這就是奇妙的“文物虛擬修復和數字化保護技術的研究與應用”。
本文作者：中國教育和科研計算機網 張偉靜
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