——北京师范大学文物虚拟修复与数字化保护技术研究与应用成果记
背景：北京师范大学周明全教授建立了利用信息技术保护文化遗产的新方法，解决了文物数字化保护与传承的关键技术，实现了文物的精准建模和虚拟修复，形成了一系列文化资源数字化保护的技术标准，开拓了计算机应用的新领域，为文化遗产的保护与传承做出了新的贡献。
文物承载着灿烂文明，传承着历史文化，维系着民族精神，是祖先留给我们的宝贵遗产，保护好文物，利在当代，利在千秋。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视文物工作，习近平总书记、李克强总理、刘延东副总理多次就文化传承和文物保护作出重要指示批示，充分体现了党和国家对文物工作的高度重视。人类已进入信息时代，文物保护已不再是一个“挖坟的职业”，将文物保护与现代信息技术结合起来，是文物保护、开发利用的新方向。周明全教授紧密结合考古工作者，紧跟时代步伐，改革创新，开拓进取，在文物修复保护工作中取得了新的丰硕成果。
2009年度国家科学技术奖励大会上，北京师范大学信息科学技术学院院长周明全教授的“文物虚拟修复与数字化保护技术研究与应用”项目荣获国家科技进步奖二等奖。项目组针对中国文化遗产的保护需求，提出了文物“虚拟修复”的概念，利用信息技术，建立了文化遗产保护的新方法，解决了文物数字化保护与传承的关键技术，实现了文物的精确建模和虚拟修复，形成了一系列文化资源数字化保护的技术标准，开辟了计算机应用的新领域，为文化遗产的保护与传承做出了新的贡献。
中国文物种类繁多，形态各异，性质各异。这些古老的历史文化遗产随着时间的流逝，都遭受了不同程度的损伤和破坏，如金属文物生锈、陶器瓷器破碎、石雕崩塌、木竹器开裂收缩、出土纺织品和纸质文物腐朽等。所有这些历史文物都必须抢救修复，才能保存和展出。在中国，对受损文物的修复，长期以来主要采取物理修复，即所谓“修旧如旧”。然而，在距离历史文物几千年的今天，“修旧如旧”几乎是一个不切实际的梦想，我们的材料、工艺、方法都很难和古时候一模一样，这样的修复其实就是现代制造，有时甚至是破坏性的修复。 周明全教授所倡导的“虚拟修复”，利用信息技术，将文化遗产的原有保护情况记录下来，用数字几何的方法建模，让它们在数字世界中再生，尽可能真实地展现在人们面前。在虚拟世界中所做的一切都利用了从现实文物中可以获得的一切信息，通过信息技术展示文物的过去和现在，包括样貌和内容，以及相关知识。而现实中的文物则保持了它应有的样子，避免了可能出现的误操作和错误识别，为今后的研究和修复打下了坚实的基础。
文物虚拟修复以数字采样、微分几何、智能处理、虚拟展示等现代技术为基础。中国文物的多样性使得其建模和处理难度和复杂度极高。但周明全教授及其团队经过20年的研究，通过模型空间数据驱动的方法，终于实现了遗址、遗迹、遗物的精确建模和虚拟修复。该技术已在秦始皇兵马俑、故宫博物院以及陕西、河南等省考古研究单位得到应用，虚拟修复了100余件重要文物，其中有的曾在中央电视台播出，有的参加了“故宫博物院重大修复成果展”，效果显著。
破损文物虚拟修复：秦兵马俑“复活”
图1 G9发掘现场陶层数字建模
兵马俑代表了很高的造型艺术水平，是世界独一无二的文化艺术宝库。1987年，秦始皇陵及兵马俑坑被联合国教科文组织批准列入《世界遗产名录》。然而，兵马俑出土时，只是几万块碎石，“体量大”的人工拼合不可避免，拼合不准后的可逆性较差。从兵马俑发现到现在已经45年了，准确、快速修复兵马俑的问题已经成为百年难题。为此，周明全教授独创了破损文物虚拟修复系统，将修复破损文物的复杂问题转化为数字模型计算，突破了碎片大、拼合效率低的瓶颈。
周明全教授设计了一系列实体造型的新方法。基于几何特征空间深度数据建模，于20世纪90年代设计出国内领先的实物激光三维扫描仪，用于头骨、兵马俑的造型；发明了多尺度双曝光真彩扫描技术，针对文物的透光与反射问题设计制作了专利数字化仪；基于机器视觉序列图像与深度图像融合方法，生成精准逼真的物体模型，解决了大型遗址模型高效制作的关键问题；利用创新体数据精准造型关键技术，完成了重要文物内部细节画像。
周明全教授创新了模型匹配优化计算体系，通过策略优化和智能分类缩小候选集规模，以模板目标为引导解决穷举拼接的盲目性；再通过算法优化，提出基于显著特征、群体智能和模板引导的匹配算法，解决拼接的NP-困难，提高匹配效率；再通过引导优化，通过度量、知识和关系进行效果评估与反馈，并进行迭代求精，提高匹配质量。
经过一系列设计创新，利用三维扫描的方法，将文物残片的形状曲线、断口凹凸不平的特征输入计算机，让它记住不同残片的三维形状。计算机每秒可以比对上千个残片。因此，一件已碎成百余块的陶俑，仅需一个小时左右就能完成拼接。修复工作人员根据计算机给出的残片进行拼凑，大约一天时间，兵马俑就能快速修复。而在以往，这至少需要五个人花半个多月的时间，彻底改变了手工修复漫长、繁琐、错落有致的局面。
兵马俑数字化经历了残片复原、阵型编排、虚拟运动、阵法演练等阶段，经过陆续发掘、复原，一千多个身份、形态各异的兵马俑组成了雄伟的军阵。通过虚拟现实技术，将秦军百万大军、千车万车的磅礴气势再现得惟妙惟肖。这不仅是信息技术的成果，更是中华文明的骄傲。
实物模型计算：青铜器“苏醒”
青铜器是中华民族祖先制作的各种器皿，青铜器及其装饰品均采用陶瓷模具制成，每一件都有独特的模具，每件青铜器都具有极高的文化价值和历史价值。然而，埋藏在地下的青铜器在潮湿的环境中会受到腐蚀，在土压的作用下会变形或破碎成多个碎片，因此对破碎青铜器的修复研究迫在眉睫。周明全教授利用计算机技术开展青铜器数字化与虚拟修复研究，为保护青铜器提供了新的途径。文物工作者可以基于计算机提供的修复策略完成文物的实物修复，加快文物修复速度，避免文物受到二次破坏。
破碎铜器修复包括数据采集、模型预处理、残片变形复原、残片匹配和残片拼接等步骤：（1）铜器及其残片数字化。利用激光扫描仪从不同角度采集铜器深度图像，实现多视角数据配准建模。进一步引入非刚体配准算法，消除配准误差，提高模型细节建模精度。（2）模型预处理。利用激光扫描仪建模得到的铜器数字模型往往伴有噪声，需要进行数据平滑、去噪等预处理。为解决数字建模过程中大尺寸孔洞的修复问题，在已有的铜器标准数字模型基础上，利用模板配准技术对待修复模型的孔洞进行修复。（3）残片变形复原。由于铜器在受损时可能会发生变形，因此需要根据不同情况进行变形复原，为残片的匹配和拼接奠定基础。对于轻微变形，基于光滑区域曲率连续的原理引入隐式曲面函数进行修复。 对于严重变形，引入交互式编辑方法，利用分层样条函数和局部非刚体变形技术实现碎块变形恢复。（4）碎块匹配。基于碎块边缘轮廓信息，提取轮廓断裂线或断裂面的几何特征，定义特征匹配度量函数。计算每个碎块的特征匹配值，根据匹配值确定候选匹配碎块序列并按照匹配概率从高到低排序。在候选匹配集中确定需要匹配的正确碎块并计算碎块间的刚体变换。为保证匹配结果的正确性，引入人工交互对匹配结果进行调整。（5）碎块拼接。将匹配好的碎块进行拼接，完成碎块间裂纹的修复。
图2 青铜器虚拟修复
经过虚拟修复，青铜器在历经千年之后“苏醒”重生，恢复了昔日的独特魅力。一段尘封的历史再次浮出水面，我们仿佛看到了它所处的时代的繁华与辉煌。在青铜器修复中，可以采用先进的计算机手段，大大提高修复效率，增加青铜器修复的安全性和可靠性。
3D面部复原：唐朝公主“画像”
图3 唐代公主容貌复原
2001年11月至2003年6月，考古工作者在西安某大学工地发现一座唐代贵族墓葬，墓志铭完整展现，死者为唐朝开国皇帝李渊的第五代孙女李珏，死时年仅25岁。李珏墓棺椁当时已腐朽，但尸骨尚在，头骨残缺，但她所戴的王冠却非同凡响。考古专家发现，王冠就在头骨残骸上，虽然散落一地，但王冠上几乎用尽了唐代可能用到的所有装饰材料：绿松石、琥珀、珍珠、红宝石、贝壳、玛瑙、金、银、铜、铁等。不少金饰上还饰有翠鸟的鲜蓝色羽毛……色彩绚丽，奢华至极。为了重现这位唐代公主的面貌，考古专家向周明全教授团队寻求支持。 从1996年起，周明全教授与公安部法医鉴定中心合作完成“基于头骨的计算机面部复原研究”，并应用于公安刑侦领域近百起案件的面部复原，取得良好效果。如今，这一技术被运用到考古中。考古专家们根据积累的活体头骨数据，通过计算，复原了李珏的面容，让他的面容重新出现在世人的眼前。
项目负责人周明全教授介绍，在西北大学的支持下，北京师范大学信息科学与技术学院虚拟现实与可视化中心的研究人员对头骨进行了计算机断层CT扫描，将获得的数据输入计算机，通过他们开发的软件重建了公主的三维头骨，修复了缺失的部分，并根据现代人体头部数据，利用回归统计推断头骨与面貌之间的关系，利用“计算机颅面复原软件”技术对三维人像进行了复原。
一边是信息时代先进的计算机技术，一边是随着时间流逝而磨损、破损的历史文物，经过多年的实验，二者在研究人员的手中被巧妙地结合在一起。
从而跨越时间的屏障，以数字化的方式再现历史，以信息化的方式传承文化，这就是精彩的“文物虚拟修复与数字化保护技术研究与应用”。