——北京师范大学文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用成果纪实

　　背景介绍：北京师范大学周明全教授运用信息技术，建立了新的文化遗产保护方法，解决了文物数字化保护与传承的关键技术，实现了文物的精准建模、虚拟修复，形成了文化资源数字化保护系列的技术标准。开拓了计算机应用新领域，对文化遗产保护传承作出了新贡献。

　　文物承载灿烂文明，传承历史文化，维系民族精神，是老祖宗留给我们的宝贵遗产。保护文物功在当代，利在千秋。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视文物工作。习近平总书记、李克强总理和刘延东副总理多次就文化传承、文物保护作出重要指示批示，充分体现了党和国家对文物工作的高度重视。人类进入了信息时代，文物保护不再是“挖墓专业”了，让文物保护与现代信息技术结合起来，是文物保护、开发利用的新方向。周明全教授和考古工作者紧密结合，紧跟时代步伐，改革创新、砥砺奋进，文物修复保护取得了新的丰硕成果。

　　在2009年度国家科学技术奖励颁奖大会上，北京师范大学信息科学与技术学院院长周明全教授获得国家科技进步二等奖，获奖的项目是“文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用”。该项目组针对中华文化遗产的保护需求，提出了文物“虚拟修复”的概念。运用信息技术，建立了新的文化遗产保护方法，解决了文物数字化保护与传承的关键技术，实现了文物的精准建模、虚拟修复，形成了文化资源数字化保护系列的技术标准。开拓了计算机应用新领域，对文化遗产保护传承作出了新贡献。

　　中华文物种类繁多、形状不同、属性各异。这些年代久远的历史文化遗产，随着时间的流逝，都经受着不同程度的破坏和损害，如金属文物锈蚀，陶器、瓷器破碎，石雕残崩，木器和竹器干裂、皱缩，出土的纺织品、纸张文物腐朽。所有这些历史文物都要进行抢救修复才能保存和展出。国内长期对破损文物主要是实体修复，所谓的“修旧如旧”，然而，在和历史文物相距千年的今天，“修旧如旧”几乎是个不切实际的梦想。我们的材料、工艺、方法，很难和古代一样，这样的修复，实际上是现代制造，有时是破坏性修复。周明全教授推动的“虚拟修复”，是用信息科技把文化遗产原汁原味的保护记录下来，用数字几何的方法建模，让他们在数字世界里再生，尽可能真实的把他们展示给人们。而在虚拟世界完成的一切，运用了实际文物的可能得到的所有信息，通过信息技术，展现出了文物的前世今生，包括外观和内容，以及相关的知识。而真实的文物该是什么样子，还是什么样子，我们规避了可能的误操作和张冠李戴，对以后的研究修复打好了基础。

　　文物的虚拟修复，是建立在数字采样，微分几何，智能处理，虚拟展示等现代技术的基础上。而中华文物的多样性，使其建模和处理极其困难、复杂。然而，在20年的研究中，周明全教授和他的团队，通过模型空间数据驱动的方法，最终实现了遗址、遗物和遗骸的精准建模、虚拟修复。该技术已在秦始皇兵马俑、故宫博物院、陕西省、河南省考古研究单位应用，虚拟修复了重要文物百余件，有的在中央电视台播出，有的参加了“故宫博物院重大修复成果展出”，成效显著。

　　破碎文物虚拟复原：秦兵马俑“复活”

图1 G9发掘现场陶俑层数字化建模

　　兵马俑表现了极高的造型艺术，是世界上独一无二的文化艺术宝库。1987年，秦始皇陵及兵马俑坑被联合国教科文组织批准列入《世界遗产名录》。然而，兵马俑出土时只是数以万计的瓦砾，人工匹配“体大量多”，难免张冠李戴，错配后可逆性差，从兵马俑发现到现在，历经45年，准确高速修复兵马俑问题成了世纪难题。为此，周明全教授创立了破碎文物虚拟复原体系，将复杂的破损文物修复难题转化为数字模型计算，打破了碎片集大且匹配效率低的瓶颈。

　　周明全教授设计了实体建模的系列新方法，基于几何特征空间深度数据建模，在上世纪90年代，设计了国内领先的实物激光三维扫描仪，用于颅骨、兵马俑的建模，并发明了多尺度复曝光真彩扫描技术，设计制作了具有自主专利的针对文物的透光、反光问题专用数字化仪；又基于机器视觉的序列图像和深度图像融合方法，生成具有精确而真实感的物体模型，解决了大场景遗址模型高效制作的关键问题。使用创新体数据精确建模关键技术，完成了重要文物的内部精细写真。

　　周明全教授创新了模型匹配优化计算体系，通过策略优化，智能分类降低候选集规模，用模板目标导引解决穷举拼接盲目性；再通过算法优化，提出基于显著特征、群体智能和模板引导的匹配算法，解决拼接NP难，提高匹配效率；进而通过指导优化，通过度量、知识、关系进行效果评价与反馈，迭代精化，提高匹配质量。

　　经过一系列的设计创新，采用三维扫描的方式，将文物碎片的外形曲线，以及断裂面凹凸起伏的特征被输入计算机，让它记住不同碎片的立体外形，计算机每秒能完成数千块碎片的对比，因此一个破裂成百余块碎片的陶俑完成拼接也不过一个小时左右，修复人员按照计算机给出的碎片排列拼图，大约一天就能迅速修复兵马俑，这在过去至少需要花费五个人半个月以上的时间，彻底改变了人工修复的冗长烦琐错配局面。

　　兵马俑的数字化，历经碎片修复，兵阵列队、虚拟运动，阵法演练等阶段，经过相继发掘和修复，1000余件身份不同、形态各异的兵马俑，构成了一个个威风凛凛的军阵，通过虚拟现实技术，生动地再现了秦军雄兵百万、战车千乘的磅礴气势。这既是信息技术的成果，也是中华文明的自豪。

　　实体模型计算：青铜器“醒来”

　　青铜器是中华祖先制成的各种器具，青铜器及其纹饰是陶范制作且一器一范，每件青铜器都具有极高的文化价值和历史价值。然而，埋藏于地下的青铜器文物在潮湿的环境中会遭到腐蚀，在土壤压力的作用下会变形或者破碎为多个碎片，因此亟待研究破碎青铜器的修复问题。周明全教授利用计算机技术开展青铜器文物数字化及其虚拟修复的研究，为青铜器文物的保护提供新途径，文物工作者可以依据计算机提供的修复策略，完成文物的实物修复，加快文物修复速度，避免对文物造成二次损伤。

　　破碎青铜器文物的修复包括数据采集、模型预处理、碎片形变恢复，碎片匹配、碎片拼接等步骤：（1）青铜器及其碎片数字化。通过激光扫描仪从不同角度采集青铜器文物的深度图像，实现多视数据配准建模，进一步引入非刚性配准算法消除配准误差，提高模型细节建模的精度。（2）模型预处理。通过激光扫描仪建模得到的青铜器数字模型常伴随噪声，因此需要进行数据的平滑、去噪等预处理。针对数字化建模过程中存在的大尺寸孔洞修补问题，采用模板配准技术，根据已有标准的青铜器文物数字模型，实现待修复模型孔洞的修补。（3）碎片形变恢复。由于青铜器破损时可能发生形变，需要根据不同情况进行形变恢复，为碎片的匹配拼接奠定基础。针对轻微形变，基于光滑区域曲率连续的原理，引入隐式曲面函数进行修复。针对剧烈形变，引入交互式编辑方法，采用层次样条函数、局部非刚性变形技术实现碎片形变恢复。（4）碎片匹配。基于碎片的边缘轮廓信息，提取轮廓断裂线或断裂面的几何特征，定义特征匹配度量函数。针对每个碎片计算特征匹配值，根据匹配值按匹配的可能性从高到低排序，确定候选匹配碎片序列。在候选匹配集中，确定正确的待匹配碎片并计算碎片间的刚性变换。为了保证匹配结果的正确性，引入人工交互调整匹配结果。（5）碎片拼接。对相互匹配的碎片进行拼接，完成碎片间裂缝的修补。

图2 青铜器文物虚拟修复

　　经过虚拟修复，青铜器“醒来”了，穿越几千年的时光获得了重生，恢复出往日独特魅力，一段尘封的历史又得以重见天日，我们仿若又看到它曾身处那个年代的繁盛与辉煌。在青铜器的复原中能够借助先进的计算机手段，将大大提高修复效率，增加青铜器修复中的安全性和可靠性。

　　3D面貌复原：唐代公主“写真”

图3 唐代公主面貌复原

　　2001年11月至2003年6月，考古人员在西安某大学建筑工地，发现一个唐代贵族墓葬，墓志铭完整展示，逝者为唐代开国皇帝李渊五世孙女李倕，死亡时年25岁。发现的李倕墓，当时棺木已朽，尸骨尚存，颅骨也不完整。但是所带头冠非同一般，考古专家发现了这顶头冠在头颅遗骸上，虽然已经散乱，可头冠几乎用尽了唐代可能用到的所有装饰材料：绿松石、琥珀、珍珠、红宝石、贝壳、玛瑙、金银铜铁等，很多金饰件下还有翡翠鸟鲜艳的蓝色羽毛……色彩绚烂，极尽奢华。为了让这位唐朝公主容颜再现，考古专家请周明全教授团队给予支持。周明全教授从1996年开始，和公安部物证鉴定中心合作，完成了“基于颅骨的计算机面貌复原研究”，在公安刑侦领域应用了近百案件遗骸的面貌复原，取得了不错的业绩。现在，这项技术用于考古，专家通过活人颅骨的积累数据计算，再还原了李倕容貌，令其面容重现世人眼前。

　　该项目组负责人周明全教授介绍，在西北大学的支持下，北京师范大学信息科学与技术学院虚拟现实与可视化中心的研究人员对颅骨进行了计算机断层的CT扫描，将获得的数据输入计算机，通过他们研制的软件重构出了公主的三维颅骨，对缺损部分给以修补，并以现代人头部数据为基础，采用回归统计法推导出颅骨与面貌之间的关系，利用“计算机颅面复原软件”技术复原了三维头像。

　　一边是信息时代的先进计算机技术，一边是时间长河里磨损破碎的历史文物。经过多年的尝试，二者在科研人员的手中巧妙结合。

　　于是，穿越了时间的壁垒，历史得以数字化再现，文化得以信息化传承，这就是奇妙的“文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用”。