文物虛擬修復：歷史的數位化傳承
- 專家檔案
周明全，教授，博士生導師。北京師範大學信息科學與技術學院院長，教育部虛擬實境應用工程研究中心主任，教育部計算機科學與技術委員會軟體工程教學指導委員會委員。北京師範大學虛擬實境與可視化技術研究中心主任。中國計算機學會理事，中國中文信息學會理事，中國計算機教育學會常務理事，陝西省計算機學會副理事長。
科技是這個時代的最好特徵，也是傳承文化的最好載體
- 新聞緣起
2009年度國家科學技術獎勵頒獎大會上，北京師範大學信息科學與技術學院院長周明全教授獲得國家科技進步二等獎，獲獎的項目是「文化遺產數位化與保護新技術的研究及應用」。該項目組針對中華文化遺產的保護需求，採用虛擬實境、圖形圖像處理等信息科學新技術，完成了多項文物數位化、文物虛擬復原修復、數字博物館、數字考古方面的科研項目，解決了文物的三維數位化真彩色信息的採集、基於網絡的虛擬實境瀏覽技術等關鍵技術問題，形成了系列的文化遺產數位化處理與保護的方法與科技成果，為文物保護、考古、古人類學的研究開闢了新的途徑。
一邊是資訊時代的先進計算機技術，一邊是時間長河裡磨損破碎的歷史文物。經過多年的嘗試，二者在科研人員的手中巧妙結合。
於是，穿越了時間的壁壘，歷史得以數位化再現，文化得以信息化傳承，這就是奇妙的「文物虛擬修復和數位化保護技術的研究與應用」。
—— 案例 ——
破碎的兵馬俑：計算機輔助修復
看個體，每尊兵馬俑都富有極強的藝術感染力；看整體，8000餘件陶俑構成了龐大的軍陣體系，再現2000餘年前秦軍「奮擊百萬」氣吞山河的氣勢。
但有很多的參觀者可能並不知道，兵馬俑出土時，絕大部分就已支離破碎，我們所看到的大都是文物修復師的勞動成果。三十多年來，他們已經整理修復了一千多尊陶俑。這個數字聽起來不免讓人心生擔憂，因為據此推算，全部修復完兵馬俑至少需要100年。很多小學生都可能，等不到這支龐大的地下軍團呈現全貌的那一刻了。
當然這是在計算機輔助文物修復系統出現之前的事。藉助於該系統，文物的修復效率可提高數十倍。
通過三維掃描的方式，研究人員把碎片的外形曲線、以及斷裂面凹凸起伏的特徵輸入計算機。然後計算機會以一塊較大的碎片為基礎，對採集到的其他碎片樣品逐一分析，直到找到吻合最完美的另一塊碎片。這樣不斷比較下去，當一個陶俑各個部位的所有碎片都被找齊後，一個完整的陶俑排列圖也就產生了。
不止於秦俑。幾片殘片經過掃描，幾分鐘後，電腦屏幕上就會「生長」出一隻青花八寶葵形碗。同樣是經過掃描，一幅被油漆刷子「糟蹋」過的古代字畫在電腦裡重獲新生。
—— 理念 ——
數位技術：當今文化傳承的載體
在周明全的辦公室，除了滿是書籍的柜子，你還能看到部分唐彩宋瓷的殘片安靜地躺在暖氣旁。來自古都西安的周明全愛好文物，但這並不是他投身文物數位化事業的主因，「歷史的記錄，文化的傳承」，這份厚重的歷史使命才是裝在周明全心裡的大事。推動人類文化遺產保護的科學化、現代化進程，是周明全長久以來的奮鬥目標。
「老祖先給我們留下了如此多的文化遺產，都是前人智慧的結晶。理論上，不論我們怎麼保護，隨著歲月的流逝，它們還是會損壞。」周明全說。
例如某些周代石鼓上的銘文，在石頭上刻字是試圖流傳百世，但是從分別攝於上世紀二三十年代，五六十年代，與現在照片來看，歲月的刀斧不言自明。
「如果把文物的特性、形狀、歷史沿革統統保存下來，永遠流傳下去，這樣即使它不存在了，後人還是看得到，而不是像現代人那樣，只能抱著化石想像著恐龍的模樣。」周明全說，不論是可移動還是不可移動文物，都可以數位化展現，比如鐘鼓樓、大小雁塔，形狀、環境皆可復原，非物質文化遺產同樣也可被數位化後記錄下來。
所謂文物數位化就是指以某種技術手段獲取文物形體、紋理、質地、材料等數據信息，將其存入到計算機當中，作為相應專業人員的研究資料。藉助先進的多媒體和虛擬實境技術來對我國古代文化遺產進行數位化、展示和有效保護，具有重要的現實意義。通過非接觸式的數據採集及光學測量技術，可以永久地保存文物信息，減少人為因素對文物的損壞，如果藉助於網際網路，可以快速地實現資源共享，提高工作效率。
周明全說：「每個時代都有自己的特徵，基於這個時代的科技就是這個時代的最好特徵，也是傳承文化的最好載體。青銅時代，用青銅作為藝術的載體，石器時代是石器，鐵器時代亦如此。當今是資訊時代，數位技術就是文化傳承的載體。」
—— 技術 ——
文物保護的革命
「這是對考古、博物館、文物保護行業傳統方法的一次革命。」有人這樣評價周明全的工作。他帶領的科研團隊多年來致力用計算機新技術解決文化遺產的數位化保存、修復、展示中的問題，將計算機信息科學的前沿研究成果創新性地應用於文物保護的主
要過程，建立了一套數位化文化遺產保護方法，開拓了計算機應用新領域，為文化遺產的保存、保護和展現提供了新的技術手段。
「文物虛擬修復和數位化保護技術的研究與應用」項目，就是利用計算機圖形學、圖像處理、虛擬實境等信息領域最新發展技術，結合傳統的文物保護與修復工作，形成文化遺產的科學保護理念和程序。
計算機技術的多層次應用
該項目的研究主要涵蓋了三維文物以及文物碎片進行虛擬修復，二維古字畫的修復， 數字博物館與文物數位化四個方面。
「有完整的文物當然有利於數位化，但打碎的看不到原貌的怎麼辦？這就需要利用計算機輔助修復。」該團隊突破了文物數位化、虛擬復原、虛擬場景、真實再現等關鍵技術，研製出了能夠對破損的二維古字畫、三維文物碎片進行虛擬修復、復原的「計算機輔助文物復原系統」。
他們還研製了適應文物三維色彩採集和紋理展示需要，便於實現高光文物紋理色彩信息真實再現的「三維雷射真彩掃描儀」(三維照相機)與配套軟體。
「高光是三位掃描的難點，對於表面反射能力不強的物體來說，掃描效果好，對於瓷器來說，大部分都具有很強的反射性，掃描結構不很理想，這個問題目前已經解決。」周明全解釋道，下一步亟待攻克的方向是玉器等透光器件的掃描。
眾所周知，我國大部分博物館都陷入資金嚴重不足、展出手段單一併導致惡性循環的困境，而虛擬實境技術的應用為文博單位提供了一個擺脫困境的契機。對此，項目組還研發了「數字博物館開發平臺」。平臺採用基於Web Service的四層分布式體系結構，應用XML描述虛擬數據源，以及基於圖像內容、三維模型的網絡檢索工具，實現了資料庫的高效、快速、安全使用。
值得一提的是，以上這些研究用到的軟硬體，基本上都是項目組自主開發的。
目前，周明全與其項目團隊的虛擬修復技術，已經在故宮博物院汙損書畫虛擬修復、河南青銅器修復、兵馬俑的數字復原修復等一系列「實戰」中接受了檢驗，有效地輔助了文物的修復過程，受到多方的好評與肯定。「數字博物館開發平臺」也已在西北大學數字博物館的建設中得到應用。
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文物修復師：超時空對話的「醫生」
文物修復師是個什麼樣的工作？在電影《古今大戰秦俑情》中，張藝謀扮演的男主角在影片最後，就幹起了修復兵馬俑文物修復師。文物修復技術人員就像外科醫生，用特殊的方法為破損的文物實施手術，從而讓他們恢復昔日的風採。參觀者看到的是精緻完美的文物，卻很少了解文物背後那默默的修復者，日復一日地與文物進行寂寞而清苦的超時空「對話」。
在新疆自治區博物館技術部副主任、研究館員姚書文表示，九成以上的出土泥塑、陶俑都存在不同程度的破損，因此修復時往往要實施一些特殊的「外科手術」，其中最常用的是「人工器官置換」手術。
姚書文修復的一件得意之作是阿斯塔那古墓出土的天王俑，送來時只有頭和軀幹，沒有四肢。姚書文比照著另一件天王俑為其安裝「假肢」，上下兩部分「對接」後，還要用合成材料將縫隙填平，然後還要用礦物原料進行著色。修天王俑的土是專門從交河故城運來的，而打磨用的沙子也是從沙漠深處採集的細沙。同時還要有創造性，他曾用一根芨芨草撐起一件斷裂的陶俑脊梁，從而「救活」這件瀕臨毀壞的文物。已經過了近10年，安裝的「假肢」依然與原件宛如一體。
古書畫的修復更多的是像為文物做「整容」。一般要用毛筆蘸著專門設備淨化過的蒸餾水，把原作品表面有汙漬的地方清洗乾淨，這相當於給文物「美容」，再把其覆背紙揭下，然後對畫面有殘缺的地方進行修補，這相當於用宣紙或者綾絹給文物做「面膜」，還要用糨糊當「護理液」重新託裱。
古書畫修復技術人員張素珍說，文物「整容」用的材料相當講究，修復人員要熟知各個朝代各個地域的紙質特點、裝裱材料的特點，這是一項歷經數十年實踐才能練就的本事。
《伏羲女媧圖》絹畫是該館的「鎮館之寶」之一。張素珍回憶，最破的一幅拿來時已成了一包碎片，她只是從一些碎片上的星宿圖案，隱約猜測這是伏羲女媧圖絹畫。藥物處理、浸泡、衝洗、去垢、重新裝裱，她幾乎將掌握的所有修復技術都用上了。三個多月後，《伏羲女媧圖》完好再現。
文·本報記者 滕繼濮