发布时间: 2010-11-15

场景一：想看到圆明园未被毁坏前的景象吗？站在圆明园西洋楼景区大水法的废墟前，通过一架定点观察仪器，或是透视式头盔显示器，你将实时看到经过科学考证、3D重建、虚实结合的立体图景，而且在一定范围内可以移步换景。

场景二：在一块奇妙的显示屏前，你可以用手势或者身体动作凌空操纵显示屏里的虚拟世界，譬如点看不同类型的恐龙，打开或闭合一个笔记本电脑，修复一尊残破的佛像。如果有兴趣，你还可以试一试“换头术”，只要站在显示屏前，手持一张恐龙图片，显示屏中的你就拥有了一个恐龙的头。

场景三：与我们平时看到的二维空间里的3D图形不同，这朵“花”是真实空间中的3D图形，逼真得让人忍不住要摸一下。如果用镜子把它投影到半空，你确实可以戴上数据手套去触摸，效果会让你感到有些意外。在这里，捕风捉影并非戏言。

追求真实的虚拟

以上场景并非气功师的“意念移物”或魔术师的“障眼术”，而是数字信息科技带给我们的奇妙体验。

三维动画、虚拟漫游、互动投影、触摸屏……这些基于虚拟现实技术（简称VR）的展示手段已为很多人所了解，而近年来由VR技术更新升级的增强现实技术（简称AR）正成为国际研究的热点。增强现实，也称混合现实，它通过电脑技术，将虚拟信息应用到真实世界，使真实环境和虚拟物体实时叠加到同一个画面或空间内。在沉浸感、虚实结合、交互的自然性方面，AR都比VR更进了一步。以互动方式为例，传统意义的人机互动都是通过键盘、鼠标、手柄、方向盘等介质来实现的，而AR的互动更接近人们在生活中的行为方式，有的可进行非接触互动。上述几个场景正是综合运用VR和AR技术的前沿性成果。

“整体来说，我国的VR和AR技术在国际上还是落后了一些，但在某些方面我们也形成了自己的特色和优势。比如大分辨率（超高清晰），我们可以达到8K×8K”。中国科学院计算机技术研究所的张俊介绍说，他是该所影视动漫创新技术事业部的主任。

张俊现场演示了与敦煌研究院合作拍摄的球幕电影《敦煌》片段。该电影通过并行渲染控制技术，球幕成像分辨率达到了8000×8000（即8K×8K），是国外最高水平的4倍，避免了分辨率不足易造成的头晕，并可展示毛孔级的特写细节。

VR和AR技术的精神实质是在虚拟世界中不懈地追求真实，这比纯粹的虚构更具难度。这种追求与文物的真实性正好吻合。严格忠实于原作成为文物3D重建的一个要求。张俊展示的“春水玉人”（藏品）高保真高精度的3D模型甚至可以逼真地实时还原物体的材质和光泽。参观者可以在虚拟环境中根据材质选择理想的光照效果，对文物进行全维度地观赏。

与有形文物相比，对业已消失或残缺不全的文物进行3D重建更具挑战性。

2002年，北京理工大学教授王涌天提出用数字技术再现圆明园全貌的建议。2004年，在北京市、海淀区政府和圆明园管理处的支持下，数字圆明园项目启动。该项目利用AR技术，对西洋楼景区的部分重点区域进行3D重建。2010年，该项目的最终产品已经安装在圆明园西洋楼景区。现场参观者通过定点观察系统，能看到准确叠加在真实废墟上的3D模型。本项目技术上的最大特点是实时渲染，从渲染到最后看见虚实叠加的景象最多只需要几十毫秒，肉眼几乎觉察不到。

建模过程遇到的较大困难是怎样才能最大程度地符合历史的真实。圆明园鼎盛时期并没有留下一张图片，能够作为参考的只有当年传教士设计图纸的铜版画、一些废墟的老照片以及现存废墟的情况。

“我们先做版，然后请圆明园的有关专家看，再根据他们的意见修改。有的数据和图样可以从现存废墟和图片中提取，有的没有依据，只能依靠假设了。”王涌天举例说，大水法后面有一个建筑叫远瀛观，前面原有两座狮子，第一版将它们做成中国式狮子，后来专家说应该是西洋式狮子，他们就换成了西洋式狮子。“大的格局和造型没有什么问题，但一些细节就需要假设了，因为现在谁也没有看到过。”

对失去真实依据的物体进行3D重建，不可避免会带有假设和不确定的成分，这也是虚拟复原最具争议的地方。来自德国勃兰登堡科技大学的克劳斯和多米尼克教授指出，由于我们不可能了解古代文物的全部信息，所以要慎重应用虚拟复原技术，在构建3D模型时应把假说和真实信息区分开。

全面采集文化遗产信息

“尽管我们可以采取多种技术手段延长文化遗产本体的寿命，但是文化遗产本体的消失是绝对的，其保存是相对的。如果一旦文化遗产本体因自然衰变等原因不复存在，那么我们留存下来的文化遗产信息就显得弥足珍贵。”西安文物保护修复中心副主任张颖岚由此提出了“文化遗产的数字化生存”的概念。他认为，在可预见的未来，数字化将会成为文化遗产信息留存的主要方式。

目前，数据采集技术有的已经很先进，如激光扫描、GPS定位测量、航空摄影测量、遥感探测等。而张俊展示的数字采集技术因工具的相对简单，操作方式的简便灵活而引人注目。

2005年，中国科学院计算机技术研究所与国家文物局合作开展“春水玉人”3D重建项目。由于激光扫描仪无法直接扫描玉器，传统的做法是在玉器表面喷粉，然后再进行扫描。然而喷粉会使采集数据的精确性受到影响，事后也不便清除。而采用张俊他们的方法，事情就变得简单得多。只要借助专业相机，在自然光下对“春水玉人”进行各个角度的拍摄，然后在电脑里采集它的各项数据就行了。据此制作的3D模型还实现了羊脂玉半凝固半通透质感的生成和温润光泽的实时计算。

这项技术可适用于各种复杂的采集环境，相机的位置、角度、焦距、拍摄路线等不再成为拍摄时的必要条件，均可通过计算反求出来。基于此项技术，中国科学院计算机技术研究所与敦煌研究院合作开展三维数字敦煌制作。目前已为3个窟采集了数据。

相对于状态稳定的文物，那些倏尔而逝的考古发掘现场信息的采集就困难得多。

浙江大学计算机学院的鲁东明教授介绍的“考古遗址信息的采集与重建技术”引起了不少人的兴趣。该项技术的预设目标包括：全方位记录考古发掘过程中的探方空间信息；便捷快速地完整记录文物分布与遗迹现象；高保真记录出土文物的形制与色彩信息；不间断、无干扰、全方位记录大遗址发掘全过程。

由该项技术转化的田野考古发掘现场全方位信息记录系统装置2009年已经在浙江海宁小兜里等遗址进行了现场实践和示范应用，目前正在进行产品化包装，预计2010年底可形成供考古领域人员使用的成熟设备并进行推广试用。鲁东明介绍了几个遗址信息记录的案例，并用ppt重现了虚拟发掘的过程。人们在投影上看到，发掘现场的遗物、遗迹模型根据堆积关系被层层剥离，计算机可自动测算各种数据。据介绍，该套设备的系统功能可支持考古发掘过程完整重现、虚拟考古发掘，精确测量与多角度测绘图生成、考古研究信息分类统计、遗址虚拟复原研究及成果可视化、建立遗址考古发掘全方位信息资源库等。

根据设想，考古遗址信息采集与重建的综合解决方案应该集成多种信息采集设备，采集测绘、空间、纹理、环境等各方面的信息。而支持这套系统的除现已研制出的田野考古发掘现场信息记录系统装置外，还应有出土文物信息记录与测量技术及装置、面向大型遗址考古发掘信息记录技术及装置。这两个项目的研发正在顺利进行。目前它们的预研子项目“基于多相机考古发掘场景空间信息全方位采集技术应用测试”已经先后在陕西长安凤栖原两汉家族墓地、山西大河口村西周墓地进行了田野考古工作现场的实践应用，并获取了多组行之有效的三维点与数据。鲁东明说：“通过在田野考古发掘现场的不断实践证明，‘出土文物信息记录与测量技术及装置’和‘面向大型遗址考古发掘信息记录技术及装置’在技术上完全是能实现的，将于2010年底前形成产品化样机并在领域内进行小范围试用。”

听了鲁东明的介绍，北京联合大学应用文理学院历史系教师冯小波有种抑制不住的兴奋。“如果这项技术能应用到实际工作中，对考古发掘现场信息采集会是一个很大的推动”。

发掘现场信息采集是考古工作的基础，直接关系到考古报告编写质量和今后的研究水平。从某种角度来说，考古也是对遗址现状的干扰和变相破坏，一旦保存条件发生变化，一些遗物遗迹因碳化氧化或其他原因瞬间就会变质、消失，给今后的研究造成无法弥补的遗憾，几乎每个考古工作者都经历过这样的遗憾。因此，及时、全面地记录、采集发掘现场信息对考古具有重要意义。

冯小波从事考古工作已有20多年，而且曾到法国留学并参与考古发掘。法国同行采集发掘现场信息严谨细致的态度和工作方式给他留下了深刻印象。“他们虽然还是采用一些传统的采集方法，但采集的信息非常多，取样非常严谨，达到了目前所能做到的最客观精确的效果。”他举例说，法国同行对地层土色的判断要依据法国地理学会编撰的一种《土色表》。这份表收集了上百种土色，每种土色都编了号。发掘时，考古人员要取土样与《土色表》进行比照，然后标号保存。这样就避免了主观臆断的因素。相比较而言，国内考古发掘现场信息的采集就粗放得多。这种粗放使得很多信息在考古人员有意无意间就丢失了。

这一令人担忧的现状有可能因为“考古遗址信息的采集与重建技术”而改变。

“如果这项技术能投入使用，而且真能发挥作用，我们在这方面就能超过欧美发达国家的水平”。冯小波希望在不久自己主持考古发掘时能尝试一下这项技术。

数字资源的深度开发

搭建系统化的数字资源平台是对数字信息科技更高层次的应用。

故宫的数字信息体系除文化展示平台外，还包括管理决策支持平台、信息化办公平台、数字资源平台和计算机硬件平台；京杭大运河地理信息系统则包含了基本空间分析、遗址分析评估、遗址监测管理、河道演变分析等8个子系统。尽管有的平台尚处于框架构建阶段，但其应用前景不可低估。

在数字信息资源系统构建和开发利用方面陕西走在了全国前列。

2007年，由秦始皇兵马俑博物馆承担的“GIS（地理信息系统）在秦始皇陵区文化遗产资源管理中的应用研究”项目通过了专家验收。该项目以文化遗产地的文化资源管理、考古、文物保护、科学研究、陈列展示与公众服务等业务为核心，综合采用GPS和RS（遥感的简称）以及其他的物探、化探、测绘、监测等数据采集手段，最终搭建成进行文化遗产地规划、管理、保护和战略发展决策的大型文化资源综合管理GIS信息平台。张颖岚在PPT上展示了这个结构复杂的信息系统模型。其大大小小的数据库有10多个，涉及大遗址保护、管理、研究、展示的方方面面。目前整个系统运行正常，馆方还在进一步完善和充实。

“陕西省文物保存环境实时监测系统”建设也是近年由陕西省文物局主推的一项重点工作。该系统在对文物保存环境参数进行实时采集、监测的同时，建立环境参数历史数据库，为文物预防性保护提供技术支撑，并为保护措施的制定提供科学依据。该系统可以实现包括大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤水分含量、表面温度、大气二氧化碳浓度、紫外线强度、光照度、风速、风向、降雨量等不同环境参数的远程实时监测。其工作原理是远程数据传感器将有关参数通过数据中继装置传输至中心机房，工作人员就可以了解到各个参数的数据，如果设置一个警戒值，就能实现实时报警。

目前这套监测系统已在汉阳陵博物馆和陕西省历史博物馆基本建成，可以实现博物馆展厅文物保存环境、博物馆库房文物保存环境、室外遗址文物保存环境、考古挖掘现场环境的监测。按照规划目标，该系统还应具有对安全保障和辅助配套系统进行监测预警的功能。这都将在今后的建设中逐渐完备。

“现在先在几个重点区域建立监测系统，将来会把数据汇总到我们修复中心，在这里建一个全省的监控平台。未来5年，陕西省会选择一些不同类别的重点区域进行监测系统的建设，等技术成熟后，就要考虑在全省铺开了”张颖岚介绍说。

以现有经验看，从设想到实际应用并不会太遥远。