数字技术“唤醒”沉睡军团

 文化遗产是璀璨的中华文明的物化承载和有力支撑，是国家和民族的精神象征。西北大学“文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心”的科研团队充分利用数字技术，取得了五代文物扫描仪研发、文物虚拟修复、秦人样貌复原、秦陵遗址建模重现等一系列创新性科研成果，使秦陵文化遗产在赓续传承中焕新出彩，推动中华优秀文化创造性转化、创新性发展。

走进西北大学信息科学与技术学院，由大雁塔、兵马俑、驼队，长城内外、高山大漠、丝绸之路等遗产要素构成的“文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心”的标志背景显得格外厚重。“西北大学-故宫博物院青铜器虚拟修复联合实验室”“西北大学-国家博物馆智慧博物馆和联合实验室”“西北大学-秦始皇帝陵博物院虚拟考古联合实验室”“西北大学-陕西省文物保护院文化遗产数字化联合实验室”等标牌整齐排列于墙面上方。

走廊尽头的会议室，一位气度不凡的长者正拿着扫帚打扫，迎面而来的耿国华教授介绍道：“这是周教授。”原来，这位“扫地僧”正是大名鼎鼎的周明全教授。

风趣幽默的周教授，和蔼可亲的耿教授和科研团队的青年教师许阳、博士任勇共同为记者讲述了用数字技术“唤醒”沉睡军团的故事……

大学校园里的虚拟考古实验室

2013年，西北大学获批设立国家发展改革委“文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心”，它的前身是1998年成立的陕西省计算机软件工程研究中心。周明全、耿国华两位教授带领着科研团队主要面向国家重大需求，结合陕西文化遗产资源优势，依托文化遗产与计算机学科交叉平台，利用西北大学学科实力和特色资源开展文化遗产数字化保护与应用合作研究，在文化遗产数字化保护及科技考古方面一直处于国内领先地位。

经过多年发展，这个团队的科学研究取得累累硕果，“文化遗产数字化保护传承文物虚拟修复和数字化保护技术的研究及应用项目”获2009年度国家科学技术进步奖二等奖，“文化遗产考古资源数字化保护新技术研究及在秦俑等示范工程的应用项目”获2015年度陕西省科学技术二等奖。

周明全、耿国华两位教授从自掏腰包补贴科研经费，到获得国家部委、省财政对项目的大力支持，见证了数字化考古和实体保护工作在我国的发展历程。

谈到文化遗产数字化传承、保护与传播，周教授更像是一位哲学家。他说，物质终究会消亡，这是世界发展与存在的客观规律，但用什么方法能够把尚未消失消亡的事物保护起来，并在此基础上加以研究和利用，这是需要我们深思和探究的。“对秦始皇陵兵马俑而言，就是既要利用数字技术将其保存，又要利用数字技术探索未知，还要利用数字技术传播传递，而这一切都离不开现代信息技术。”

 

周明全（右）教授和耿国华（左）教授介绍相关科研成果

 

文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心

 

传统文物保护主要采用拍照或画图的方式进行文物信息记录，这种记录手段存在着方式单一、占用空间大且不易检索等先天缺陷。“秦始皇陵兵马俑规模宏大，发掘现场碎片数量巨大，人工比对、手工复原周期长、误差大，且打磨粘接实体式拼合极易对文物造成二次破坏，这些现实情况决定了急需对传统的保护及修复方式进行改进和创新。”周教授说。兵马俑一号坑是最早发现并开始陶俑修复的俑坑，通过三十多年的接续努力，已人工修复秦俑1000余件，但这也仅占发现秦俑数的八分之一，以此速度估算，二号坑、三号坑完成修复还需100年。因此，利用数字化手段对其进行保护和修复具有十分重大的意义。

 

从保护方式看，传统的实体保护仅能延缓本体消亡时间，而数字化文物保护技术（记载、修复、展示、管理）却能有效重现文物的生命。自1996年起，周、耿两位教授带领科研团队与秦陵文物数字化保护工作结缘已近三十年，从单纯的研究、到参与考古挖掘、再到数字化保护，他们不仅参与了兵马俑的现场挖掘，还想方设法地将信息技术运用到兵马俑的保存、修复和传承之中。利用计算机图形图像处理、计算机视觉、人工智能及虚拟现实等信息学科前沿技术提供新的思路、技术和方法，助力文化遗产数字化保护研究并推动相关技术的应用和落地，不断推动秦陵数字化保护工作的创新发展，这在我国文物保护与修复领域具有开创性意义。

神奇的扫描仪

文物数字化，通俗地讲就是通过激光扫描技术对文物进行建模，而要扫描文物，就必须先有设备。周教授说：“当时国家科技攻关计划中对颅骨三维扫描和建模的需求直接下达到我们项目组，1996年我们就启动了扫描设备研制，1997年便成功研制出第一代点状激光三维扫描仪，直到后来知道，这在当时是一件了不得的大事，是国内第一台三维激光扫描设备。”

记者了解到，第一代点状激光三维扫描仪（XD-scanner1）被迅速应用于公安部物证鉴定中心，主要用于颅骨的面貌虛拟复原。

如今，周教授的科研团队已研发出五代扫描设备。在实验室里，许阳老师向记者详细介绍了扫描设备的更新历程，“第一代、第二代和第三代扫描仪最大的区别是分别基于点激光、线激光和面激光进行采集建模。”特别是2002年研制出的第二代扫描仪，它是基于复曝光真彩色线激光三维扫描设备（XD-scanner2），是国内第一台针对文物真彩色线状激光三维扫描仪，主要面向数字博物馆建设需求，采用复曝光技术，较好地解决了陶瓷器物表面高光反问题，研制出后迅速被应用于西北大学数字考古博物馆。

第三代基于结构光文物外观快速采集建模装置（XD-scanner3）则是基于机械臂与机器视觉技术的文物外观快速采集建模装置，主要解决大中型文物的高效数字化难题，它的诞生使文物扫描时间从小时级降为分钟级，使博物馆海量文物快速数字化成为现实，相关技术指标已达到国际先进水平。

在现场，记者见到了大名鼎鼎的“跪射俑”数字化扫描过程。“实验室的这台概念展示设备，通过机器人机械臂进行扫描，我们研发的这种方式和技术填补了国内空白，国家博物馆目前已使用这种装置进行文物扫描，速度在数量级上大幅提高，精度也达到了0.05毫米。举例而言，过去扫描一个兵马俑大概需1000分钟，现在仅用时48秒完成，这不是讲故事，而是真实的技术发展事实。”周明全教授自豪地向记者说。

 

第三代扫描仪展示扫描跪射俑的过程

而2012年投入使用的第四代三维扫描仪（XD-scanner4）是无人机大场景三维成像扫描系统，它的问世极大方便了不可移动文物数字化建模，使遗址大场景建模更加真实直观，已相继完成了秦始皇帝陵、布达拉宫、塔尔寺等遗址的建模作业。第五代三维扫描仪（XD-scanner5）则是于2022年研制出的机器人智能文物扫描设备，通过结合人工智能和大数据技术，可在文物的个体识别、属性提取上取得新突破，已被应用于兵马俑、石窟寺等文物的三维扫描。

 

复原“泡钉俑”

在兵马俑发掘过程中，陶俑破碎非常严重，而只有将这些碎片拼合起来，使秦俑站立起来，赋予其外在形象，兵马俑才能拥有最大价值。

 

“千万个兵马俑都被打碎了，碎片都混杂在一起。”周教授说，“修复工作要干的第一件事就是分类，需要判断这些碎片分别属于哪些俑，也就是说要从数以万计的碎片中找到属于同一个俑的碎片，这是个大难题。”

 

以前全人工拼接兵马俑碎片是一个极为复杂的过程，而现在利用三维虚拟可视化技术，通过观察文物碎片的纹理特征和边缘特征，使碎片分类变得精确、简单、直观，为后续的顺利拼接打下基础。

 

周教授解释说：“三维虚拟可视化技术，简而言之就是三个步骤：第一步，把每个碎片通过三维扫描仪进行数字化；第二步，通过计算机对所有被数字化的碎片进行计算，并找出相互相邻的碎片；第三步，进行完整拼接，形成完整的兵马俑模型。”基于三维虚拟技术形成的文物虚拟修复，即运用激光三维扫描仪对破碎文物进行精确数字化，将秦俑碎片及出土信息进行数字化管理，保存每个碎片的线划图及其三维模型，并以此为基础进行自动化虚拟拼接，对缺失碎片进行数字化修复，形成虚拟复原兵马俑。

超高还原度3D打印泡钉俑

 

超高还原度3D打印将军俑

 

2009年，兵马俑一号坑进行了举世瞩目的第三次发掘，在K9901陪葬坑百戏俑坑中，考古专家们发现了此前从未见过的新俑种。与以前出土的上身赤裸下身着裳的百戏俑不同，新俑身着式样独特的上衣，上面布满了排列有序、直径约3.5厘米左右的圆泡，泡钉周围还有彩绘纹样，而其着衣方式与常见古人的右开襟也大不相同，开襟位于后方，专家们将其命名为“泡钉俑”。

 

为了尽早呈现“泡钉俑”的“庐山真容”，科研团队首先用三维扫描技术获得文物碎片的轮廓曲面数据，并利用软件将散乱的数据点进行网格化，得到三角网格数据，再在大量无规则的破损碎片中寻找碎片间的拓扑关系，同步利用空间曲线匹配搜索匹配确定匹配结果，最后进行拼接。通过使用这些技术手段，具有极大考古价值的“泡钉俑”虚拟复原模型鲜活地呈现在世人面前。

 

周教授告诉记者，“泡钉虚拟俑”先于实体复原，并能指导其后的实体复原过程，使实体修复更科学、更容易、更安全、更可靠。利用计算机这种超高的数据处理能力，一个破裂成数百块碎片的陶俑完成虚拟拼接只需一小时，再用虚拟复原结果指导人工实体修复，理论上能够达到一天修复一个秦俑的速度。

 

除成功复原“泡钉俑”实体外，科研团队还于2011年成功虚拟复原了一号坑的珍贵文物“右骖马”。虽然“右骖马”至今并未进行实体复原，但“虚拟右骖马”已被用于研究与展示。

 

虚拟复原的另一重要作用就是替代实体修复，以完成修复的兵马俑模型为基础，通过输入正视、定量尺寸标注等数据信息，计算机程序就能完整地对文物剖面和三维效果进行输出，这样一来，文物碎片无需进行实体修复也能为考古研究工作提供清晰、全面的参考与帮助。

 

虚拟修复的意义，就在于摆脱了实体文物复原限制，支撑高效的研究和传承。即使实体文物当下并未进行修复，它却依然能够被研究、被展示、被流传，而文物背后的故事也能留给未来去解答，使未知往事逐渐成为已知故事。“对我们团队而言，通过虚拟现实技术让兵马俑等文物活起来，就是落实习近平总书记对文物工作指示的行动实践。”耿教授说。

复原古人容貌

从1996年开始，周明全、耿国华两位教授就带领科研团队建立起了“中国人颅面数据库”，数据库中收集了2000多例现代人颅面数据信息，这不仅开创了该领域的国内先河，更成为亚洲乃至世界最丰富、最有代表性的颅面数据库。随着数据库采集信息的不断丰富、地域覆盖的不断扩大，颅面复原将越来越准确，复原未知的真容成为可能。

 

有了现代人的颅面数据库，但如何比对并复原古人容貌呢？耿教授介绍说，“通过对古人颅骨的‘碳-14’鉴定和人类学分析，我们就能够推断出其入葬时的年龄范围，再从现有的现代人颅面数据库中提取出与其相同年龄段人的软组织厚度，并以此为依据复原古人面貌。”

科研团队通过使用手持式激光三维扫描仪对出土人类颅骨进行扫描，从而获取能够准确反映颅骨表面几何形态的三维点云和表面颜色数据，经后期封装和虚拟拼接，就能完成颅骨三维建模，并以此为基础对该颅骨生前样貌进行复原。他们运用此项技术，已成功完成对秦陵出土的疑似秦代王子和秦代嫔妃的颅骨进行了颅面复原。

秦男秦女颅面复原

在谈到颅面复原技术的突破和意义时，耿教授耐心解释道：“颅面复原技术突破的关键是三维建模和处理过程，以往的颅面复原一般是用针扎方式在尸体样本上获取颅面软组织厚度，再通过泥塑得到复原面貌，多依赖于专家经验制作而成，似乎成为了一种艺术家的创造行为。现在，我们则利用CT或三维扫描设备对颅骨数字化，基于现代人数据库来复原面貌，这不仅是一种技术进步，更是一定程度上的技术解放，通过以大量人面科学数据为基础构建成统计模型，对颅骨对应面貌进行复原，复原后的样貌相较传统人工复原而言更加科学和准确。”

 

按照文物处理规范程序，文物在出土后，经过基本的修复和保护，就会进行展出或入库保管，因在实验室留置的时间十分有限，使研究工作无法深入开展。而三维数字化技术能够有效解决这一困境，它可以帮助考古学家在计算机中保留一个与真实文物完全一致的高精度三维虚拟实体，即使不接触实体文物，后期的研究分析工作也能顺利完成，三维打印技术还可将研究的数据成果直观地呈现出来。

科学家利用数字技术还原兵马俑

耿教授告诉记者，为了便于专家对“秦陵颅骨面貌”的进一步分析和研究，科研团队使用真彩色三维打印机对颅骨进行了1∶0.75实体重现，虽然与真实大小不同，但它们的表面结构及相对比例与真实实体是完全一致的，该项技术可靠性也得到了最好的验证。“秦陵颅骨面貌复原”也仅是其团队“颅面形态信息学”研究在考古领域中的一个简单应用，目的不单是为复原著名古人颅面，更是为考古研究工作纵深推进提供更加先进、更加可靠的技术支持。

 

让秦陵遗址数字化

2010年秦俑一号坑三次发掘、2011年秦陵K9901坑发掘及2018年秦陵遗址数字化重建，这些在国内文物考古界首屈一指的大事件，周、耿教授团队都全程数字化跟进，他们用信息技术手段支持遗迹挖掘、保存、传承全过程，助力遗迹历史风华重现。

相较于单个文物，遗址遗存因体积大、三维扫描仪无法直接获取数字化模型，且经扫描获取的数字化模型占用内存大等原因使得计算处理复杂度显著提升。为此，科研团队利用倾斜摄影和激光扫描双模式对秦始皇帝陵博物院一号坑进行了大场景高精度三维建模，通过设备的优势互补不断提升了数据应用范围，通过获取高精度图像建立了数字化资源，通过勘测遗址空间再现了秦陵地面历史场景，通过考古勘探、史料研究，重建了秦陵九层台三维结构，揭示了秦陵修建方式等历史事实。最终，秦陵保护区56平方公里三维建模完成，实现了秦陵遗址的全场景数字化。

周明全教授说，“考古连接着过去与现在，考古发掘是遗迹不断被损毁的过程，但有了数字技术的助力，使得我们可以把文化遗产更好地保存起来，传承下去，传播出去。”

耿国华教授也表示，“不是所有人都要成为历史学家、考古专家，但了解历史，特别是熟知优秀的中华文化，则是我们每一个人的必需，更肩负着责任去传承。”

信息技术作为一种新技术手段，成为每个人都能触及使用的工具和平台，助力着文化遗产被认知关注、广泛传播。

一面是充满历史灰尘的文化遗产，一面是科技感十足的数字技术，传统与现代的有机融合将使历史文化遗产保护与利用迸发新的时代活力。作为中华优秀传统文化重要载体的文化遗产，因数字化技术的赋能，在“守正”与“创新”中又焕发了新的活力，成为推动中华优秀传统文化创造性转化、创新性发展的新质生产力。

秦兵马俑的神秘源于他们千人千面、形态各异、服饰绚丽、似曾相识，两千多年来似乎从来都没有离开过我们。如果说千年前的能工巧匠以栩栩如生的技艺赋予了他们“生命”，那么当今的科学家利用数字技术还原兵马俑，则是让他们获得“新生”。

数字技术“唤醒”了深埋于地下两千两百多年的兵马俑军团，我们仿佛穿越了千年，在“九层之台，始于垒土”气势恢宏的秦陵中漫步，在“不动如山，动则如火掠林”横扫六国的虎狼之师中检视。不难想象，倘若将这一军团“唤醒”，使他们穿越两千两百年的历史，活灵活现、完完整整地列队于当代人的面前，将是何种气势！