周明全:刮起文物虚拟数字花修复的旋风

　　周明全，教授，博士生导师。北京师范大学信息科学与技术学院院长，教育部虚拟现实应用工程研究中心主任，教育部计算机科学与技术委员会软件工程教学指导委员会委员。北京师范大学虚拟现实与可视化技术研究中心主任。中国计算机学会理事，中国中文信息学会理事，中国计算机教育学会常务理事，陕  
西省计算机学会副理事长。  

　　科技是这个时代的最好特征，也是传承文化的最好载体  

　　- 新闻缘起  
　　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“文化遗产数字化与保护新技术的研究及应用”。该项目组针对中华文化遗产的保护需求，采用虚拟现实、图形图像处理等信息科学新技术，完成了多项文物数字化、文物虚拟复原修复、数字博物馆、数字考古方面的科研项目，解决了文物的三维数字化真彩色信息的采集、基于网络的虚拟现实浏览技术等关键技术问题，形成了系列的文化遗产数字化处理与保护的方法与科技成果，为文物保护、考古、古人类学的研究开辟了新的途径。  
　　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”。  

　　—— 案例 ——  
　　破碎的兵马俑：计算机辅助修复  
　　看个体，每尊兵马俑都富有极强的艺术感染力；看整体，8000余件陶俑构成了庞大的军阵体系，再现2000余年前秦军“奋击百万”气吞山河的气势。  
　　但有很多的参观者可能并不知道，兵马俑出土时，绝大部分就已支离破碎，我们所看到的大都是文物修复师的劳动成果。三十多年来，他们已经整理修复了一千多尊陶俑。这个数字听起来不免让人心生担忧，因为据此推算，全部修复完兵马俑至少需要100年。很多小学生都可能，等不到这支庞大的地下军团呈现全貌的那一刻了。  
　　当然这是在计算机辅助文物修复系统出现之前的事。借助于该系统，文物的修复效率可提高数十倍。  
　　通过三维扫描的方式，研究人员把碎片的外形曲线、以及断裂面凹凸起伏的特征输入计算机。然后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另一块碎片。这样不断比较下去，当一个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。  
　　不止于秦俑。几片残片经过扫描，几分钟后，电脑屏幕上就会“生长”出一只青花八宝葵形碗。同样是经过扫描，一幅被油漆刷子“糟蹋”过的古代字画在电脑里重获新生。  

　　—— 理念 ——  
　　数字技术：当今文化传承的载体  
　　在周明全的办公室，除了满是书籍的柜子，你还能看到部分唐彩宋瓷的残片安静地躺在暖气旁。来自古都西安的周明全爱好文物，但这并不是他投身文物数字化事业的主因，“历史的记录，文化的传承”，这份厚重的历史使命才是装在周明全心里的大事。推动人类文化遗产保护的科学化、现代化进程，是周明全长久以来的奋斗目标。  
　　“老祖先给我们留下了如此多的文化遗产，都是前人智慧的结晶。理论上，不论我们怎么保护，随着岁月的流逝，它们还是会损坏。”周明全说。  
　　例如某些周代石鼓上的铭文，在石头上刻字是试图流传百世，但是从分别摄于上世纪二三十年代，五六十年代，与现在照片来看，岁月的刀斧不言自明。  
　　“如果把文物的特性、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。”周明全说，不论是可移动还是不可移动文物，都可以数字化展现，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录下来。  
　　所谓文物数字化就是指以某种技术手段获取文物形体、纹理、质地、材料等数据信息，将其存入到计算机当中，作为相应专业人员的研究资料。借助先进的多媒体和虚拟现实技术来对我国古代文化遗产进行数字化、展示和有效保护，具有重要的现实意义。通过非接触式的数据采集及光学测量技术，可以永久地保存文物信息，减少人为因素对文物的损坏，如果借助于互联网，可以快速地实现资源共享，提高工作效率。  
　　周明全说：“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。当今是信息时代，数字技术就是文化传承的载体。” 

文物保护的革命 
　　“这是对考古、博物馆、文物保护行业传统方法的一次革命。”有人这样评价周明全的工作。他带领的科研团队多年来致力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。 
　　“文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用”项目，就是利用计算机图形学、图像处理、虚拟现实等信息领域最新发展技术，结合传统的文物保护与修复工作，形成文化遗产的科学保护理念和程序。 

　　计算机技术的多层次应用 
　　该项目的研究主要涵盖了三维文物以及文物碎片进行虚拟修复，二维古字画的修复， 数字博物馆与文物数字化四个方面。 
　　“有完整的文物当然有利于数字化，但打碎的看不到原貌的怎么办？这就需要利用计算机辅助修复。”该团队突破了文物数字化、虚拟复原、虚拟场景、真实再现等关键技术，研制出了能够对破损的二维古字画、三维文物碎片进行虚拟修复、复原的“计算机辅助文物复原系统”。 
　　他们还研制了适应文物三维色彩采集和纹理展示需要，便于实现高光文物纹理色彩信息真实再现的“三维激光真彩扫描仪”(三维照相机)与配套软件。 
　　“高光是三位扫描的难点，对于表面反射能力不强的物体来说，扫描效果好，对于瓷器来说，大部分都具有很强的反射性，扫描结构不很理想，这个问题目前已经解决。”周明全解释道，下一步亟待攻克的方向是玉器等透光器件的扫描。 
　　众所周知，我国大部分博物馆都陷入资金严重不足、展出手段单一并导致恶性循环的困境，而虚拟现实技术的应用为文博单位提供了一个摆脱困境的契机。对此，项目组还研发了“数字博物馆开发平台”。平台采用基于Web Service的四层分布式体系结构，应用XML描述虚拟数据源，以及基于图像内容、三维模型的网络检索工具，实现了数据库的高效、快速、安全使用。 
　　值得一提的是，以上这些研究用到的软硬件，基本上都是项目组自主开发的。 
　　目前，周明全与其项目团队的虚拟修复技术，已经在故宫博物院污损书画虚拟修复、河南青铜器修复、兵马俑的数字复原修复等一系列“实战”中接受了检验，有效地辅助了文物的修复过程，受到多方的好评与肯定。“数字博物馆开发平台”也已在西北大学数字博物馆的建设中得到应用。 

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　　文物修复师：超时空对话的“医生” 
　　文物修复师是个什么样的工作？在电影《古今大战秦俑情》中，张艺谋扮演的男主角在影片最后，就干起了修复兵马俑文物修复师。文物修复技术人员就像外科医生，用特殊的方法为破损的文物实施手术，从而让他们恢复昔日的风采。参观者看到的是精致完美的文物，却很少了解文物背后那默默的修复者，日复一日地与文物进行寂寞而清苦的超时空“对话”。 
　　在新疆自治区博物馆技术部副主任、研究馆员姚书文表示，九成以上的出土泥塑、陶俑都存在不同程度的破损，因此修复时往往要实施一些特殊的“外科手术”，其中最常用的是“人工器官置换”手术。 
　　姚书文修复的一件得意之作是阿斯塔那古墓出土的天王俑，送来时只有头和躯干，没有四肢。姚书文比照着另一件天王俑为其安装“假肢”，上下两部分“对接”后，还要用合成材料将缝隙填平，然后还要用矿物原料进行着色。修天王俑的土是专门从交河故城运来的，而打磨用的沙子也是从沙漠深处采集的细沙。同时还要有创造性，他曾用一根芨芨草撑起一件断裂的陶俑脊梁，从而“救活”这件濒临毁坏的文物。已经过了近10年，安装的“假肢”依然与原件宛如一体。 
　　古书画的修复更多的是像为文物做“整容”。一般要用毛笔蘸着专门设备净化过的蒸馏水，把原作品表面有污渍的地方清洗干净，这相当于给文物“美容”，再把其覆背纸揭下，然后对画面有残缺的地方进行修补，这相当于用宣纸或者绫绢给文物做“面膜”，还要用糨糊当“护理液”重新托裱。 
　　古书画修复技术人员张素珍说，文物“整容”用的材料相当讲究，修复人员要熟知各个朝代各个地域的纸质特点、装裱材料的特点，这是一项历经数十年实践才能练就的本事。 
　　《伏羲女娲图》绢画是该馆的“镇馆之宝”之一。张素珍回忆，最破的一幅拿来时已成了一包碎片，她只是从一些碎片上的星宿图案，隐约猜测这是伏羲女娲图绢画。药物处理、浸泡、冲洗、去垢、重新装裱，她几乎将掌握的所有修复技术都用上了。三个多月后，《伏羲女娲图》完好再现。