修复历史的容颜

大学信息科学与技术学院院长周明全教授。

数字考古：

数字技术与考古学的完美结合

数字技术是一项与电子计算机相伴相生的科学技术，它是指借助一定的设备将各种信息，包括：图、文、声、像等，转化为电子计算机能识别的二进制数字“0”和“1”后进行运算、加工、存储、传送、传播、还原的技术。随着现代计算机技术的发展，数字技术已广泛地应用到生产、管理、教学、科研及社会生活的方方面面，现已成为科学研究不可或缺的工具。数字技术已渗透到科学研究的各个领域，成为一种常用的技术手段。

据周明全教授介绍，考古学的学科目的，归根到底是通过对古代遗迹、遗物的发掘，来获取各类蕴含的历史信息，以最终复原古代社会，探究古代社会发展规律。从这个意义上说，考古学的学科目的也可视作是对古代历史信息的辨识、认知，并通过对这些信息的分析、整合来复原古代社会。考古学科的这一特性和需求，也正是数字技术所具有的优势之一。数字技术与考古学的紧密结合，将会为考古信息的认知和进一步的整合、分析提供强有力的工具，带给考古学以先进的研究方法、手段，也将会对考古学的未来发展产生深远的影响。

周明全教授表示，数字技术应用于考古学和文物保护领域的研究始于20世纪50年代，美国学者首次把计算机技术应用于民族部落研究。此后，数字技术开始在考古学和文物保护领域逐步得到应用。目前，国际上一些发达国家，如英国、法国、德国、奥地利等国家的数字考古研究工作都达到了世界领先水平。他们从田野工作开始，一直到对获得的考古资料进行整理和研究均已使用了数字技术。同时，在文物的研究、保存、修复等方面也充分利用了相关数字技术。

“每个时代都有自己的特征，基于这个时代的科技就是这个时代的最好特征，也是传承文化的最好载体。青铜时代，用青铜作为艺术的载体，石器时代是石器，铁器时代亦如此；如今到了信息时代，数字技术就是文化传承的载体。”周明全教授如是说。

20世纪70年代后期，我国学者开始将计算机技术应用于考古学和文物保护领域的研究。虽然数字考古技术研究在我国起步较晚，但随着研究的不断深入，经过近30年的努力，在考古资料与文物的信息管理、考古学研究、文物保护修复、遗址和馆藏文物的数字化处理及互联网应用等方面做了大量的工作，并取得了一定的成绩。据了解，目前我国的数字考古研究已经跻身世界先进行列，许多数字考古工作：如数字圆明园、龙门石窟数字化以及数字敦煌等项目均取得了重要成果。

开辟文物保护新途径

周明全告诉记者，中华民族几千年来博大精深的灿烂文化给我们留下了数量众多、内涵丰富的文化遗存，因此，我国应用数字技术进行考古研究的内涵十分广泛，既可以应用数字化技术进行考古发掘和文物修复，又可以将考古发现进行数字化管理、将考古遗址进行空间数字化等，以及运用虚拟现实技术进行虚拟场景漫游等。

破解古文物修复难题

在来到北京师范大学之前，周明全教授长期在西北大学工作，由于工作关系，他成了秦始皇兵马俑博物馆的常客。久而久之发现了一个问题。那就是，每次看到的兵马俑数量都没有多大变化。带着心中的疑问，周明全教授请教了博物馆的工作人员，了解到兵马俑的修复工作不但复杂，而且周期漫长。以复原一个破损程度中等的兵马俑为例，至少需要5个人花上半个月的时间。

基于兵马俑复原中的诸多困惑，从上世纪70年代就开始从事计算机领域研究的周明全教授，敏锐地捕捉到文物修复亟需提高效率和精度的需要，萌生了采用信息技术进行文物复原，解决文物保护与修复实践中的重大技术瓶颈的想法。通过这些支离破碎的历史碎片，周明全教授希望运用先进的计算机技术，恢复遗址、遗迹、文物的本真面貌，最大限度地逼近历史的真相，将一个个生动的历史原貌再现给世人。

兵马俑修复之所以艰难缓慢，一个很大问题在于碎片之间的匹配。针对破碎文物保护的特殊性，周明全教授开发了破碎文物计算机修复技术。在实验室里，工作人员现场为记者再现了兵马俑的修复过程：首先，利用激光扫描仪扫描碎片的外形曲线和断裂面的凹凸起伏特征；然后用计算机提取每一个碎片断裂面的特征点；再把各个特征点连成曲线，分别把每两条特征曲线上的数据进行匹配。如果断裂面数据完全吻合，就表示成功对接。一般计算机会以一块较大的碎片为基础，对采集到的其他碎片样品逐一分析，直到找到吻合最完美的一块碎片。这样不断比较下去，当陶俑各个部位的所有碎片都被找齐后，一个完整的陶俑排列图也就产生了。

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。按照计算机提供的结果，现场的修复人员进行碎片粘贴，在不到一天的时间里，就可以将兵马俑的头部复原，这在以前是无法想象的。

通过文物复原技术，周明全教授还针对青铜器以及古代字画进行了复原。

青铜器埋藏于地下数千载，经受着自然界的“无情”腐蚀，由于年代久远或者墓室坍塌等原因，出土时往往是锈迹斑驳、面目全非。据考古学专业人士介绍，整形是青铜器修复各个环节中最艰难、技术含量最高的一种技术手段，就是通过在青铜器的变形部位施加一种相反的力，使变形部位朝相反的方向再一次变形，以达到整形的目的。因此，青铜器修复需要从业人员具有金属力学的相关知识及丰富的实践经验，以应对各种复杂情况的变形青铜器。但如果在青铜器形变的复原中能够借助先进的计算机手段，将大大增加青铜器修复中的安全性和可靠性。

这种设想在周明全教授及其团队的共同努力下最终成为现实。他们通过对青铜器整体形制及其形变部位局部的计算，并综合考虑青铜器因年代久远在金属延展性上发生的细微变化，研究出针对青铜器三维曲面的形变复原算法，通过计算机辅助手段实现青铜器的三维整形。针对轻微形变，采用光滑区域曲率一致性修复，通过完好区域曲面信息修复形变曲面的三维信息。针对剧烈形变，首先获取待复原区域骨骼，然后通过交互式人工方法恢复文物的三维形状。

古代字画的损坏，除了人为因素外，还会遭受自然力的缓慢侵蚀（例如空气温湿度、灰尘、霉菌、虫害等），这对于古代字画而言是一种连续不断的自然损害。换而言之，古代字画由于不可抗拒的自然朽坏，终有一天会完全消失。

对此，北京师范大学的数字化虚拟实验室研究出一种污损书画图像修复算法，利用轮廓信息实现图像修复。该方法在等照度线理论和偏微分方程理论基础上，改进非线性扩散方程，建立了新的曲率驱动与边缘停止相结合的非线性扩散模型，改善书画修复效果。

这个技术的成功案例就是针对故宫博物院的一幅文革时被泼墨迹、污损尤为严重的古代绘画进行了复原。由于画纸本身的碳纤维和墨迹中碳素相互融合，凭借传统的字画修复方法已不可能将其分离，字画的本来面目便无法呈现在世人面前。而计算机污损书画修复技术成功地弥补了这一缺憾，通过一系列计算机修复算法将隐藏在墨迹之下的画面提取出来，最终将这幅绘画作品以数字化的形式展现出来供人研究鉴赏。

一边是信息时代先进的计算机技术，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实现了巧妙的结合。2010年，凭借“文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用”项目，周明全教授荣获了2009年度国家科技进步奖二等奖。

数字博物馆：

博物馆发展的新趋势

日本已故著名博物馆学家鹤田总一郎曾指出，博物馆如果仅仅只完成文物资料的收集保管等工作，并不能称之为真正意义上的博物馆，博物馆只有实现其社会教育职能，才能称得上是名副其实的博物馆。此外，博物馆内部藏品对于馆内温湿度均有较高要求，温湿度的失衡会给藏品带来致命的损伤；而且作为三维物体的馆藏文物，能呈现给观众的仅是个别角度，诸如器物的内部铭文和背面、底部细节不能很好展示，就无疑给观众的欣赏和研究带来困惑。

正因如此，数字博物馆及其馆藏文物的数字化必将成为未来博物馆发展的新趋势、新方向。

周明全教授表示，数字考古的另一个重要意义在于文化普及。将数字化技术应用于文物保护中，首先，可以减少对文物的过度使用和人为因素对文物的损坏；其次，数字化博物馆可以使参观者真正融入到博物馆的展览中，这无疑增加了博物馆的趣味性和参观者的学习自主性，在参观者形象深入地了解文化的同时，也从真正意义上实现了博物馆的社会教育职能；再次，通过文物数字化对文物的全方位展示，更加有助于挖掘其更深层次的文化内涵，对于文化遗产研究将大有裨益；此外，通过网络、媒体等各种途径传播文化，充分实现文化自身的功能与价值，最终实现世界范围内各种文化资源的共享。

虚拟场景畅游北京胡同

随着北京城市化建设的日益加速，北京胡同也正在以惊人的“加速度”消失，也许十年之后生活在北京城的男女老少将再也看不见掩映在绿荫之下的灰墙瓦脊；穿梭于北京城间的各色行人再也嗅不到古色古香的京风京韵，更可悲地是，也许“胡同”这个名词将永远地从人们的记忆深处抹去。

基于古城遗存保护的迫切性，增加古代遗存遗迹和现代人的互动性，交互式虚拟漫游技术应运而生。据周明全教授介绍，虚拟漫游技术是虚拟现实技术的一种，是一项计算机图形学、人机接口技术、传感技术、心理学、人类工程学及人工智能技术相结合的综合技术。它可以用计算机技术生成一个逼真的包括视觉、听觉、触觉甚至味觉等的三维感观世界，用户可以直接用人的技能和智慧对这个生成的虚拟实体进行考察和操纵。

运用该技术可以根据考古调查、发掘的数据对当时情况进行虚拟，通过计算机动态地重现当时的历史片段或考古发掘现场等场景，也能够根据考古学家的假设或推断进行虚拟，检验假设或推断的可靠性。目前，该技术已经运用于诸如西安大小雁塔、北京胡同等建筑遗存或考古学遗迹等场景的复原工作，尤其是对于北京胡同的虚拟场景复原则更具深远意义。

针对传统虚拟现实漫游系统缺乏真实感和沉浸感以及与用户互动不足等缺点，周明全教授及其团队提出并找到了改善虚拟环境真实感和互动性的方法，并基于这种技术开发了虚拟胡同漫游系统。用户可以在虚拟环境中以替身的形式出现，取代以往幽灵似的摄像机漫游；用户可以自由控制替身的行走、奔跑以及观察视角；其他的人物角色可以自主性漫游在虚拟场景中，并可与用户替身作简单的交互动作。

周明全教授说，不论是可移动还是不可移动的文物，都可以用数字化的形式来展现，比如钟鼓楼、大小雁塔，形状、环境皆可复原，非物质文化遗产同样也可被数字化后记录下来。这样一来，我们可以足不出户并充满无限遐想地畅游于古代遗迹遗存中。依偎在家中，品味着茗茶阵阵清香的同时，亦可细细品味历史带给我们的细微感悟。纵然在若干年后、由于种种不可抗力因素，古文化遗存消失殆尽，但虚拟场景漫游技术的存在，依旧可以带我们走进那些曾经纵横交错、鳞次栉比的北京胡同；依旧可以带我们领略曾经人头攒动、熙熙攘攘的繁华古都；同时也可以给那些正在为古代文化的逐渐消失而唏嘘叹息的人们，提供些许心灵上的慰藉。

突破专业壁垒是关键

对于数字考古技术未来在中国的发展，周明强教授表示，在科学技术日益更新的时代，使用前沿的计算机科学技术和传统的考古学理论方法相互结合，必将成为日后文物保护与修复领域发展的必然趋势和最佳选择。突破技术和考古的专业壁垒限制我国数字化考古技术发展所面临的一个重要问题，我国的数字考古领域的学科建设还存在着严重的不足，国内的现状是考古学家不懂技术，技术人才不懂考古。国内目前的文物保护还缺乏高科技的概念，考古学家应具备更加开放的眼光，融入到信息化潮流中，不能固守现有的以发掘为主的考古学。

这么多年来的数字考古工作带给周明全教授和他的同事们很多的荣誉，不过也有许多难题和挑战在等待着他们去破解：“曾经不止一次地有人找我们进行文物鉴定，这倒是真给我们出了一道难题。数字技术的确可以用来鉴定文物，每个时代的文物都有各自的特征，只要把这些文物相关特征的数据录入到计算机中，就可以进行文物的鉴定工作。然而，我们国家有着几千年的文明史，如果要建立健全各自时期文物特征的数据库，其难度可想而知。我们之前也做过相应的尝试，研制过一些软件，但效果不是很理想，这还需要文物鉴定专家的支持和配合。相信随着数字技术与考古发掘、文物鉴定等技术的不断融合，在不远的将来，用数字技术进行文物鉴定将不再是难事。” 周明全教授的话语中，充满了对数字考古技术未来的期待。

专家简介

周明全 教授、博士生导师，计算机图形学知名学者、国际文物虚拟修复和数字化保护应用的领军人，2009年度国家科技进步二等奖得主。现任北京师范大学信息科学与技术学院院长,中国图像图形学学会副理事长，教育部虚拟现实应用工程研究中心主任，文化遗产数字化保护与虚拟现实北京市重点实验室主任。长期从事计算机可视化技术、虚拟现实、中文信息处理等重要领域的基础理论及其应用工程的创新性研究工作。

近年来，带领科研团队主要从事文化遗产的数字化保护技术研究工作，即用计算机新技术解决文化遗产的数字化保存、修复、展示中的问题，将计算机信息科学的前沿研究成果创新性地应用于文物保护的主要过程，建立了一套数字化文化遗产保护方法，开拓了计算机应用新领域，为文化遗产的保存、保护和展现提供了新的技术手段。

对话

我们可以复原历史，但不能改变历史！

记者：

通过数字复原技术，您最希望达到什么目的？

周明全：

我们的目的是希望把文物的特性、形状、历史沿革统统保存下来，永远流传下去，这样即使它不存在了，后人还是看得到，而不是像现代人那样，只能抱着化石，想象着恐龙的模样。

记者：

相比于其他方式的文物复原，数字技术最突出的特点是什么？

周明全：

一般的文物复原必须由相应领域的专家来完成，需要具备一定的专业知识和技能；而用数字技术复原则不同，只要得到相应的数据，普通人也可以根据我们设计好的程序来实现复原。

记者：

据了解，目前还有数以千计破碎的秦兵马俑等待发掘和整理。可以想见，您的数字复原技术将来还会有很多用武之地。

周明全：

数字复原技术的确可以将兵马俑等古文物恢复到原来的样子，但我认为历史留给我们的就是破碎的兵马俑，如果将这些破碎的兵马俑修复成完整的兵马俑，这就不是历史了。我们可以复原历史，让民众了解那段过去，但我们不能改变历史。

记者：

您如何看待数字考古技术与传统考古技术之间的关系，随着时代的发展，传统考古技术是否会被数字考古技术所取代？

周明全：

这个观点是错误的。应该说，数字考古技术与传统考古技术是相辅相承的关系，没有传统的考古技术的发展就不可能有数字考古技术的今天。在信息时代高速发展的今天，只有两者有机融合，才能为人类的考古研究乃至文化遗产的保护做出重大贡献。

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