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　千年萬年前的古人只有顱骨尚存，他們的面貌如何復(fù)原？

　　秦兵馬俑基本都是由考古發(fā)掘現(xiàn)場的碎片拼對而成，不僅非常耗時，一旦拼錯還可能造成差錯的累積效應(yīng)，怎樣才能更好解決這些問題？

　　考古發(fā)掘過程是不可逆的，但博物館展示又希望將這個過程變得可隨時“倒帶重看”，有沒有好辦法？

　　西北大學(xué)科研團隊利用自己研制的掃描設(shè)備和文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原技術(shù)，不僅解決了古人顱面相貌復(fù)原、破碎文物虛擬復(fù)原等問題，還在考古發(fā)掘現(xiàn)場大遺址掃描基礎(chǔ)上發(fā)展出了大遺址虛擬復(fù)原技術(shù)，以及數(shù)字博物館等文博展示新技術(shù)，讓文物在數(shù)字化技術(shù)加持下真正“活”起來。

△兩位教授和科研團隊成員在一起探討問題

　　  研制三代三維掃描設(shè)備

　　  解決文物遺址數(shù)字化問題

　　10月14日，帶著強烈的好奇心，華商報大風(fēng)新聞記者來到西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，學(xué)院的七樓便是“文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心”。

　　“復(fù)原”古人面貌當然是指通過數(shù)字化技術(shù)來復(fù)原。而要實現(xiàn)數(shù)字化，就必須要對文物或遺址進行數(shù)字化掃描采集。

　　兩位教授——中國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟（中國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)學(xué)研研發(fā)平臺）理事長、西北大學(xué)陜西省千人特聘專家周明全教授，中心主任、西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院耿國華教授，首先向記者介紹了為實現(xiàn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化而研制的三代掃描設(shè)備。

　　據(jù)介紹，掃描設(shè)備的研制1996年啟動，1997年便成功研制出第一代——基于點狀激光進行采集建模的三維掃描儀，“這也是國內(nèi)第一臺三維激光掃描設(shè)備，被應(yīng)用于公安部物證鑒定中心，主要用于顱骨面貌虛擬復(fù)原，也被用于文物三維建模。”

　　第二代是2002年研制的，基于線激光進行采集建模，它是復(fù)曝光真彩色線激光三維掃描設(shè)備，較好地解決了陶瓷器物表面高反光問題，研制出后被應(yīng)用于西北大學(xué)數(shù)字考古博物館建設(shè)。

△第三代掃描設(shè)備演示對跪射俑（3D打印模型）進行數(shù)字化掃描

　　第三代2020年研制成功，基于結(jié)構(gòu)光進行采集建模，使用了機械臂與機器視覺技術(shù)，文物結(jié)構(gòu)建模與紋理貼圖同步完成，可將掃描時間從小時級降為分鐘級，使博物館海量文物快速數(shù)字化成為現(xiàn)實。

　　在遺址場景方面，還研制了無人機大場景三維成像掃描系統(tǒng)，極大方便了不可移動文物數(shù)字化建模，使遺址大場景建模更加真實直觀，已相繼完成了秦始皇帝陵、布達拉宮、塔爾寺等大遺址的建模作業(yè)。

　　目前正在研制機器人智能文物掃描設(shè)備，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可在文物個體識別、屬性提取上取得新突破，已被應(yīng)用石窟寺等文物的三維掃描。

　　建立中國人顱面數(shù)據(jù)庫

　　  應(yīng)用它復(fù)原古人面貌

　　使用三維掃描設(shè)備實現(xiàn)顱骨面貌虛擬復(fù)原，具體是如何做到的呢？

　　周明全教授介紹，三維激光掃描儀最初用于刑事案件身份認證。以前在僅存顱骨、缺失面貌時，需要根據(jù)受害者顱骨形態(tài)采用類似雕塑的形式來復(fù)原其生前面貌以確定身份，但這種形式的復(fù)原結(jié)果受雕塑者的主觀影響較大。通過激光三維掃描，首先可以把顱骨精準地數(shù)字化到計算機里，實現(xiàn)三維建模，然后再在計算機里“長出”這個人的面皮來。

　　“一個人的長相首先是由顱骨決定的，顱骨在18歲時就基本定型了。人的面部有變的地方，但眼角、鼻子中線等部位是不會變的，只要顱相重合，即顱骨和眼睛重合，基本就可以確定一個人。除了顱骨，影響人相貌的就是軟組織。而影響人臉軟組織的因素，首先是年齡，不同年齡段面部脂肪和軟組織分布特點不一樣；其次是營養(yǎng)狀況，即胖與瘦的不同。”

　　從1996年開始，周明全、耿國華兩位教授就帶領(lǐng)科研團隊建立起了“中國人顱面數(shù)據(jù)庫”（主要是蒙古人種，即黃種人），數(shù)據(jù)庫中收集了3000多例現(xiàn)代人顱面數(shù)據(jù)信息，年齡從20歲到70多歲，這不僅開創(chuàng)了該領(lǐng)域的國內(nèi)先河，更成為亞洲乃至世界最豐富、最有代表性的顱面數(shù)據(jù)庫。

　　“在這個基礎(chǔ)上我們做概率統(tǒng)計、做智能分析，對一些聚焦點——即哪些地方是變化最大的劇烈點、哪些地方基本上不太變，形成一個模型。然后根據(jù)專家意見判斷其年齡段，將其與這個年齡段的面部軟組織模型關(guān)聯(lián)起來，再參考營養(yǎng)狀況等信息，將這幾個參數(shù)輸進去后，就可以生成與這個人生前最相近的面貌，相似度可達到九成。”

　　據(jù)介紹，這種基于顱骨的面貌復(fù)原技術(shù)現(xiàn)在主要被用于古人類學(xué)和考古學(xué)。

　　唐高祖李淵五世孫女李倕、

　　疑似秦始皇的王子和嬪妃，

　　被復(fù)原后長這樣

△耿國華教授介紹李倕和疑似秦始皇王子與嬪妃顱骨面貌復(fù)原過程

　　2001年11月至2002年8月，陜西省考古研究院在西安理工大學(xué)曲江校區(qū)配合基本建設(shè)開展考古工作時，在施工區(qū)域內(nèi)發(fā)掘清理古墓葬186座，其中規(guī)模最大的一座唐墓，主人叫李倕。根據(jù)出土墓志，其五代祖為“圣唐神堯皇帝”，即唐高祖李淵，祖為豫章王李亶，父為嗣舒王李津，她是李津的第二女。根據(jù)兩唐書記載，可知其曾祖為李淵的第十八子舒王李元名。李倕與時任皇帝李隆基應(yīng)為平輩遠親。李倕雖出身于貴族，但去世埋葬時已不是貴族了，因為她沒有爵位。其身份只是一個七品小官的夫人，因難產(chǎn)而去世。她的陪葬明器規(guī)格較低，而陪葬的實用器卻非常奢華，下葬時不僅頭戴“金花冠”，身上還佩戴著三組佩飾。

　　△唐高祖李淵五世孫女李倕顱骨面貌復(fù)原3D打印模型及3D打印顱骨模型

　　耿國華教授介紹，唐高祖李淵五世孫女李倕的面貌復(fù)原，就是先把顱骨掃描后輸入計算機里建立顱骨模型，然后在顱面數(shù)據(jù)庫取出20到25歲現(xiàn)代女性顱面軟組織的均值給她“長出”軟組織，再附著上相應(yīng)的發(fā)型等，復(fù)原其相貌。“這是基于科學(xué)數(shù)據(jù)的復(fù)原方法，可信度高。我們不僅復(fù)原了她睜著眼的面貌，也復(fù)原了她閉著眼的樣子，因為我們覺得軟組織厚度只能影響眼瞼的大小，無法知曉其是單眼皮還是雙眼皮，所以選擇了閉著眼的形象，給大家以想象空間。這種基于科學(xué)數(shù)據(jù)的顱面復(fù)原是我們率先研究出來的，也是具有國際水平的。”

　　秦二世胡亥稱帝登基后，將秦始皇的小王子和小公主們一一捕殺。在秦始皇帝陵陵園外城的上焦村，考古人員共發(fā)現(xiàn)了17座陪葬墓，這些墓主人都是秦朝慘遭殺害的王子和公主，他們?nèi)ナ罆r大多僅有一二十歲。其中出土的一個顱骨，右顳骨中發(fā)現(xiàn)一枚青銅箭頭，其身份很可能是一位王子。該顱骨的下頜骨向前凸出，表現(xiàn)出十分痛苦和驚恐的模樣，有可能是在玩耍時慘遭射殺。

　　而在秦始皇陵一個包含約100座墓葬的墓群中，發(fā)現(xiàn)了一名女子（死時約20歲）被肢解的尸體。墓中所有尸體均為年輕女性，考古學(xué)家根據(jù)墓葬等級和陪葬品推斷，這些女子可能是秦始皇的嬪妃及其仆從。據(jù)推斷，在秦始皇死后，作為陪葬的一部分，這些女子慘遭殺害。這名女子的顱骨也被進行了面貌復(fù)原。

△疑似秦王子顱骨面貌復(fù)原3D打印模型及3D打印顱骨模型

△疑似秦始皇嬪妃顱骨面貌復(fù)原3D打印模型

　　疑似秦始皇的王子與嬪妃的3D打印顱面復(fù)原模型和3D打印顱骨模型，被標注為“秦男秦女顱骨面貌復(fù)原”，與李倕的3D打印顱面復(fù)原模型及顱骨模型一起放在研究中心會議室的玻璃展柜上。疑似王子長臉、細目、高鼻；疑似嬪妃有一雙大眼睛，鼻子長而高。

　　耿國華教授說：“疑似秦王子的頭骨上有箭鏃，下巴是缺失的，我們將其下巴復(fù)原，恢復(fù)了顱骨的整體面貌。根據(jù)其年齡段，依托標本數(shù)據(jù)庫生成了其面部軟組織，然后又參照其時代特點生成了符合那個時代的發(fā)型特點。這種復(fù)原方法用的就是我們自己創(chuàng)建的顱面形態(tài)信息學(xué)的理論體系。王子與秦始皇必定有相似的地方，由此也可作為推想秦始皇模樣的依據(jù)吧。”

　　據(jù)了解，該研究中心還復(fù)原了距今五萬年的柳江人顱骨等古人類面貌，為考古研究工作縱深推進提供了技術(shù)支持。

　　大名鼎鼎“泡釘俑”

　　  是先完成虛擬修復(fù)再進行實體修復(fù)

　　除了復(fù)原古人面貌，破損文物虛擬修復(fù)也是該研究中心的一項重要成果。此技術(shù)被用于了秦俑坑兵馬俑和百戲俑的虛擬修復(fù)，這些陶俑在出土?xí)r幾乎都是散落一地的碎片。

　　耿國華教授介紹，2009年6月13日，秦兵馬俑一號坑開始第三次發(fā)掘，隨著發(fā)掘工作的進展，遺跡、遺物大量暴露，傳統(tǒng)發(fā)掘資料的記錄手段愈顯捉襟見肘。當年9月25日，他們科研團隊與兵馬俑一號坑考古隊啟動了一號坑三次發(fā)掘的數(shù)字化探索工作。項目實施過程中，他們對發(fā)掘現(xiàn)場的棚木層、陶俑層和底層三個發(fā)掘文化層，做了10次大場景掃描和建模，完成了出土陶俑碎片、陶俑、陶馬的高精度數(shù)字化掃描和建模虛擬復(fù)原，并研發(fā)構(gòu)建了秦俑文化遺產(chǎn)多媒體數(shù)據(jù)庫和考古發(fā)掘數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

　　考古隊還委托他們科研團隊對K9901百戲俑遺址坑發(fā)掘過程和出土遺存進行數(shù)字化建模，并對出土陶俑虛擬復(fù)原。這是國內(nèi)首次將數(shù)字化保護手段和方法應(yīng)用在考古發(fā)掘全過程。項目實施過程中完成了對K9901遺址坑棚木層、陶俑層和底層三個文化層10余次大場景掃描和數(shù)字化建模，完成了對于出土的所有陶俑碎片的高精度數(shù)字化建模。應(yīng)用基于斷裂面混合特征的匹配方法，科研團隊實現(xiàn)了對所有出土陶俑的虛擬復(fù)原。這項工作依托的關(guān)鍵方法獲得了2015年度陜西省科技進步二等獎。

△周明全教授介紹“泡釘俑”虛擬修復(fù)

　　在虛擬復(fù)原的陶俑中，出土于K9901的大名鼎鼎的“泡釘俑”便是其中之一。它與以前出土的上身赤裸下身著裳的百戲俑不同，身著式樣獨特的上衣，上面布滿了排列有序、直徑約3.5厘米左右的圓泡，專家們將其命名為“泡釘俑”。

　　為盡早呈現(xiàn)“泡釘俑”全貌，科研團隊首先用三維掃描技術(shù)獲得文物碎片的輪廓曲面數(shù)據(jù)，并利用軟件將散亂的數(shù)據(jù)點進行網(wǎng)格化，得到三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，再在大量無規(guī)則的破損碎片中尋找碎片間的拓撲關(guān)系，同步利用空間曲線匹配搜索匹配確定匹配結(jié)果，最后進行拼接。通過使用這些技術(shù)手段，具有極大考古價值的“泡釘俑”虛擬復(fù)原模型鮮活地呈現(xiàn)在世人面前。有了虛擬拼對成功的“泡釘俑”形象，有了碎片拼接的關(guān)系圖，科研團隊制定了復(fù)原指導(dǎo)手冊，這無疑對后來“泡釘俑”的實際修復(fù)工作具有重要指導(dǎo)意義。

△完成虛擬復(fù)原、尚未完成實際修復(fù)的一件右驂馬陶俑

　　耿國華教授介紹，虛擬修復(fù)完成的陶俑中，有些至今仍未完成實體修復(fù)，比如一號坑的右驂馬。在電腦中可以看到這件陶俑的完整形象，可以來回多個角度轉(zhuǎn)動欣賞，模型拼接關(guān)系圖中，各個碎片的編號也非常清楚，完全可以替代實體修復(fù)的效果。

　　周明全教授說，兵馬俑是高度寫實的，連馬嘴上顎里頭都抹得一綹一綹地很真實，感覺寫實到了極致。若實際修復(fù)完成后，里面的情況就不太看到了，虛擬復(fù)原就不存在這樣的問題。同時，虛擬修復(fù)也是數(shù)字化保護的過程，有了這份數(shù)字化文物，對于考古研究、博物館展陳來說也可以提供很大的幫助。另外，考古發(fā)掘現(xiàn)場的實際場景是不可逆的，而對考古發(fā)掘?qū)嵭腥�程�?shù)字化記錄后，考古發(fā)掘的過程也是可以分階段回溯展示的，這對于博物館展陳來說非常直觀。

　　根據(jù)現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)

　　  生成氣勢恢宏的秦俑方陣

　　不僅對一件件的文物可實現(xiàn)數(shù)字化，對于大遺址考古發(fā)掘現(xiàn)場，西大科研團隊研制的全視野裸眼沉浸式展示設(shè)備也可以排上大用場。這便是該科研團隊的另一成果：“遺跡與資料融合的歷史空間重現(xiàn)技術(shù)”。

　　在西北大學(xué)文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心的一塊全視野碗幕上，記者看到了根據(jù)大遺址現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)生成的秦俑一號坑氣勢恢宏的秦俑方陣。耿國華教授說，這是完全按照秦俑一號坑實際秦俑建模生成的模型。

　　據(jù)了解，這一科研成果的應(yīng)用還包括了對布達拉宮、塔爾寺等遺址的精準采集建模。

△研究中心一屏幕演示的秦陵地宮假想視頻

　　可以想象，在文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原技術(shù)的推動和加持下，“讓文物活起來”必將更加入眼、入心。

　　華商報大風(fēng)新聞記者 馬虎振 文/圖