我用计算机“修”文物

点击次数:120 发布时间:2022-08-02

“我们把像兵马俑这样的大件文物放置在圆盘固定区域上,在圆盘两侧安装了两个带有文物外观数据采集模块的机械臂,通过让两个机械臂各自绕文物旋转180度,实现文物外观数据的完整采集和快速建模。完成这项工作传统手工方式需要10个小时以上,采用这种装置时间可缩短至10分钟左右,大大提升了馆藏文物数字化的效率。”7月22日,在西北大学文化遗产数字化国家地方联合工程中心实验室,中心主任、西北大学信息科学与技术学院教授耿国华向记者介绍了团队的最新科研成果——文物外观快速采集建模装置。


耿国华长期从事智能信息处理、模式识别等领域的创新性研究。结合陕西文物大省的实际,她及她的团队努力促进计算机技术与文化遗产保护深度融合,在文物数字化保护、虚拟修复及打造秦腔智媒融合全息展现平台等领域取得了丰硕成果。

文物有了全方位数字化档案

统计数据显示,我国现有馆藏文物超过1亿件,而文物数字化被视为文物保护的重要手段。“只有用现代探测技术把文物的外部几何形状、色彩、图案,以及制作材料、质量等信息采集到,才能更好更长久地保护文物。上述信息既是文物数字化展示的基础数据,也是文物传承和修复的重要依据。”耿国华说。

据介绍,耿国华团队新研发的文物外观快速采集建模装置由圆盘、两个1.5米长的机械臂、文物外观数据采集模块及计算机处理软件等组成,具备了智能化、协同化、安全性高、精度高四大特色优势。

“文物外观数据采集模块由结构光三维扫描仪与高分辨率彩色相机构成,安装在机械臂上。数据采集时,通过扫描仪向文物表面投射结构光,并借助相机拍摄结构光图像,对结构光进行解码,从而完成对文物表面三维形貌的完整采集。”团队成员、西北大学信息科学与技术学院青年教师许阳说。

许阳介绍,采集过程中,文物被放置在圆盘中间的非旋转区域,始终保持静止状态,确保了文物安全。机械臂隔空进行扫描、拍摄,相比传统人工扫描方式,最大限度地减少了对文物的干扰和破坏,同时大幅提升了采集的速度和精度。

“以兵马俑为例,使用传统方法几何形状与纹理是独立采集的,还需要大量的后处理时间,可能需要10个小时以上。”许阳说,“使用文物外观快速采集建模装置,几何形状与纹理是同步采集,约5分钟就能自动完成整个扫描步骤,再通过计算机处理软件,能够自动计算出文物表面的三维数据,全程10分钟不到,就可实现文物几何形状与纹理数据的自动采集与合成。同时,采集的数据最小间距可达0.1毫米,数据精度大大提升。”许阳说。

“我们的文物外观快速采集建模装置将逐步在中国国家博物馆等机构投入应用,为文物建立包括尺寸、形状、纹饰等在内的全方位数字化档案,提高相关博物馆馆藏文物数字化效率。”耿国华说,“下一步,我们将进行新一代采集建模装置的研发,争取解决遗址坑、石窟寺等不可移动文物的数字化需求,为文物的传承、研究与展示作出新贡献。”

计算机技术让公主“重生”

与文物外观采集一样,文物修复长期以来采用传统手工方法。但传统方法修复周期长、效率较低,万一出现误差,易对文物造成伤害。如何用计算机技术辅助解决修复问题,让科技助力文化传承,耿国华和团队成员率先在国内开展了陶质文物数字化和文物虚拟修复相关技术研究。

21世纪初,唐李倕公主墓在西安被发现。当时棺材早已腐朽,虽然公主的尸骨尚存,但整个下颌部分已经缺失。据史料记载,李倕在开元二十四年(公元736年)病逝,时年25岁,至今已有1200余年。为完整再现李倕公主容貌,耿国华决定使用计算机颅面复原技术让公主“重生”。

“我们先对公主颅骨进行CT扫描、完成颅骨数字化信息采集,再用计算机软件将缺损的下颌部分进行修补,重构其三维颅骨。最后,通过查阅颅面数据库,根据20岁到25岁年龄段的女性颅面数据均值,确定李倕的软组织厚度,建立颅面完整三维模型,从而让公主‘真容’再现。”耿国华告诉记者。

耿国华团队征集了3000余名不同年龄、不同性别的志愿者进行颅面CT扫描,建成了世界上最大的中国人颅面数据库,为计算机颅面复原技术的应用提供了有力支撑。除了再现李倕公主容貌,团队还实现了对秦代、汉代、唐代等近百名古人的面貌复原。目前,团队的颅面复原技术研究和应用已处于国际领先水平。

除了颅面复原,耿国华团队还用计算机技术助力文物修复。以兵马俑为例,团队通过扫描兵马俑坑内碎片,掌握碎片大小、形状,形成数据库,利用数字化技术精准建模,将复原方案和步骤在电脑上完整呈现,指导兵马俑修复工作,从而提高效率。

目前,耿国华团队已完成了泡钉俑、右骖马等一批兵马俑出土文物的虚拟修复。2009年,团队的数字化保护研究成果被正式列入考古修复工作规程中,和传统保护方式并轨实施,得到了行业高度认可。

信息手段让观众“登台”表演秦腔

秦腔是我国最古老的剧种之一,2006年被列入第一批国家级非物质文化遗产名录,但秦腔的发展壮大也存在排练周期长、舞台展演形式比较单一、剧目展演能力受限等问题。“面对这种情况,我们决定尝试将信息技术与秦腔艺术相结合,打造秦腔智媒融合全息展现平台,让秦腔艺术好听又好看,既保持传统艺术魅力,又融入信息时代元素,让老戏迷喜欢、年轻人爱看。”耿国华说。

经过1年多的打磨,耿国华团队综合运用人工智能、VR/AR、全息投影技术,成功研制出了智媒融合的秦腔全息剧场。“我们以传统的戏曲剧场为基础,运用3D全息投影技术,打造出虚拟时空,让观众有视觉上的沉浸感,其最大的优势就是观众不需要佩戴3D眼镜,便可多角度浏览三维立体影像。”团队成员、西北大学文化遗产数字化国家地方联合工程中心学术带头人周明全教授说。

周明全介绍,单独设置的绿幕区还可为观众提供交互服务,让观众和舞台、演员交互,实现了虚拟演员和观众同台演出。而通过增强现实技术,还可以让观众体验吹火、变脸等秦腔“绝活”。

目前,耿国华团队依托全息媒体服务计算新技术,已经制作了《三滴血》《扈家庄》《花亭相会》等观众喜爱的剧目,下一步还将研发移动剧场和交互互动系统,打造国内领先的戏曲艺术全息展演新途径。

“以移动剧场为例,就像电影放映一样,我们打造的小剧场可以便捷走进城市社区和广大农村地区,让老百姓在家门口就能够听戏、‘演戏’,方便更多爱好者参与进来,为秦腔艺术发展创造机遇、提升活力,让古老的秦腔艺术焕发出新的光彩。”耿国华说。

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