“我希望有一天人們來到西安，能夠通過信息科學(xué)技術(shù)成果，穿越時(shí)空身臨其境地感受到漢唐長(zhǎng)安的盛世輝煌。”

耿國(guó)華，文化遺產(chǎn)數(shù)字化國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心主任，西北大學(xué)教授。研究方向涉及智能信息處理、模式識(shí)別、圖像處理等。

唐公主李倕頭像修復(fù)圖現(xiàn)世

▲ 唐公主李倕顱骨面貌復(fù)原圖（左）

唐公主李倕棺槨頭顱遺骸（右）

2010年，中德兩國(guó)專家利用出土的佩飾實(shí)物修復(fù)了公主精美絕倫的頭冠。但這頭冠究竟戴在什么模樣的美人頭上，更讓所有人倍感好奇。史料上對(duì)這位早逝的公主并無多少圖文記載，留存在世的也僅有棺槨中的遺骸。

為解開這個(gè)千年之謎，陜西省考古研究院找到了國(guó)內(nèi)非常權(quán)威的文物虛擬修復(fù)專家，來自北京師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的院長(zhǎng)周明全教授以及擁有多年陜西文物數(shù)字保護(hù)經(jīng)驗(yàn)的耿國(guó)華教授。

來自兩所大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，通過他們自己研制出的軟件，重構(gòu)出公主的三維顱骨，并利用“計(jì)算機(jī)顱面復(fù)原軟件”技術(shù)復(fù)原了三維頭像。隨后，他們又根據(jù)中國(guó)古代頭飾禮儀，對(duì)已經(jīng)復(fù)原的頭冠進(jìn)行數(shù)字化修復(fù)。

經(jīng)過一年多的努力，唐公主李倕的容顏終于得以完整再現(xiàn)，其華冠鋪紅疊翠，雍容華貴，其容貌秀麗端莊，恬靜賢淑，甚至還有一絲桀驁不馴的勁頭，一個(gè)帝王之家的公主形象，栩栩如生，呼之欲出。

實(shí)際上，“顱面復(fù)原”并不是考古學(xué)中的新鮮事物，耿教授介紹說，早在1895年德國(guó)科學(xué)家就提出了根據(jù)遺存顱骨復(fù)原其生前面貌的可能性并付諸實(shí)踐。但樣本尸骨量極少，專家才能復(fù)原，這種傳統(tǒng)復(fù)原方法并不具備推廣價(jià)值。

隨著CT、三維掃描設(shè)備的普及應(yīng)用，提供了獲取現(xiàn)代人顱面軟組織厚度的途徑。計(jì)算機(jī)顱面復(fù)原技術(shù)是利用CT或三維掃描設(shè)備對(duì)顱骨數(shù)字化，然后基于顱面數(shù)據(jù)庫來復(fù)原未知面貌。

從1996年開始，周明全和耿國(guó)華教授就帶領(lǐng)西北大學(xué)的科研人員建起了“中國(guó)人顱面數(shù)據(jù)庫”，這不僅開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域的先河，數(shù)據(jù)庫中收集的2000多例現(xiàn)代人顱面數(shù)據(jù)信息，也是中國(guó)乃至世界最豐富最有代表性的顱面數(shù)據(jù)庫。

以“顱面數(shù)據(jù)庫”的建立為支撐，以自主研發(fā)的“顱面復(fù)原軟件”為抓手，逐步形成了“顱面形態(tài)信息學(xué)”的體系。這種技術(shù)的進(jìn)步在于基于科學(xué)數(shù)據(jù)揭示規(guī)律，將其應(yīng)用在古人顱骨面貌復(fù)原上，基于現(xiàn)代人軟組織厚度精準(zhǔn)地復(fù)原著名古代人物的容貌。精準(zhǔn)是科學(xué)家們的準(zhǔn)繩。

“數(shù)字考古”由理想邁入現(xiàn)實(shí)

“文化遺產(chǎn)數(shù)字化”的重要意義在于保護(hù)文物和傳承文化，支持考古學(xué)家進(jìn)行更深入的研究。

考古連接著過去與現(xiàn)在，耿教授告訴我們，考古發(fā)掘本身就是遺跡不斷被損毀的過程，但有了計(jì)算機(jī)三維保存與展示，首先是考古專家可以從不同角度觀察遺跡的局部或整體，后期的研究和分析也可以在虛擬的三維模型上進(jìn)行，而不用直接接觸文物。

其次，三維模型數(shù)據(jù)可以全面記錄文物的空間信息，幫助將考古信息進(jìn)行綜合整理和歸類。而對(duì)于普通觀眾來說，逼真的三維模型更易于理解和接受，便于公眾對(duì)文化遺產(chǎn)的認(rèn)知和關(guān)注。

盡管在人們傳統(tǒng)的印象中，信息科技未來感十足，而考古學(xué)充滿了歷史的灰塵，但舉著信息技術(shù)的火把進(jìn)入歷史的秘境，用計(jì)算機(jī)的語言在時(shí)光的隧道中自由穿梭，這樣的“穿越”工作，耿國(guó)華教授已經(jīng)從事了三十余年。

上個(gè)世紀(jì)九十年代，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的迅猛發(fā)展，“數(shù)字考古”的概念逐漸引起了考古學(xué)界的重視，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來展示文物、進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔，開始被考古學(xué)者們所接納和采用。

1996年，陜西省兵馬俑博物館積極擁抱“數(shù)字化”浪潮，希望西北大學(xué)的專家能夠?qū)Σ┪镳^中的文字資料進(jìn)行數(shù)字化管理。走進(jìn)博物館的遺址現(xiàn)場(chǎng)，看到散落在地的文物碎片和缺胳膊少腿的兵馬俑，長(zhǎng)期從事信息技術(shù)研究的耿國(guó)華敏銳地捕捉到三維技術(shù)在考古領(lǐng)域的應(yīng)用前景。她與周教授一起嘗試對(duì)兵馬俑遺址進(jìn)行三維建模和文物的虛擬修復(fù)。

▲ 唐公主李倕顱骨面貌復(fù)原圖（左）

唐公主李倕棺槨頭顱遺骸（右）

想法很美好，但現(xiàn)實(shí)卻很“骨感”。首先，三維技術(shù)在當(dāng)時(shí)也屬于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中的新興門類，技術(shù)上的薄弱是耿國(guó)華首先要攻克的對(duì)象。其次，經(jīng)費(fèi)上的不足也讓他們常常捉襟見肘，只能從其他項(xiàng)目中擠擠牙縫。但文物遺跡就在那里，耿國(guó)華心里只有一個(gè)想法，堅(jiān)持做下去，讓這些歷史文物重現(xiàn)它們本來的面貌。

成功虛擬復(fù)原“泡釘俑”

2009年，兵馬俑一號(hào)坑進(jìn)行了舉世矚目的第三次發(fā)掘。在K9901陪葬坑百戲俑坑中，考古專家們發(fā)現(xiàn)了此前從未見過的新俑種。與以前出土的百戲俑都是上身赤裸下身著裳不同，這件俑身著式樣獨(dú)特的上衣。其上面布滿了排列有序且直徑在3.5厘米左右的圓泡，泡釘周圍還有彩繪紋樣，而且其穿衣方式與古人一般的右開襟不同，它的開襟是在后面，專家們將其命名為“泡釘俑”。

新俑種的發(fā)現(xiàn)讓考古學(xué)家們欣喜不已，但要讓殘破成數(shù)百上千塊的陶俑復(fù)原成本來的樣貌，“就像把一百個(gè)碗摔到地上，碎成碎片，再撿起來把它拼接完整”，是一件極其耗費(fèi)人力和時(shí)間的事情，檢驗(yàn)耿國(guó)華虛擬復(fù)原方案的時(shí)候到了。

耿國(guó)華和她的團(tuán)隊(duì)首先采用三維掃描技術(shù)獲得文物碎片的輪廓曲面數(shù)據(jù)，利用軟件將這些散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格化，得到三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。通過在大量無規(guī)則的破損碎片中尋找碎片之間的拓?fù)潢P(guān)系，利用空間曲線匹配技術(shù)，進(jìn)行搜索匹配，從而確定匹配結(jié)果，然后再進(jìn)行拼接。

利用計(jì)算機(jī)超高的數(shù)據(jù)處理能力，一個(gè)破裂成數(shù)百塊碎片的陶俑完成虛擬拼接只需要1小時(shí)。用虛擬復(fù)原結(jié)果指導(dǎo)人工實(shí)體修復(fù)，理論上能夠達(dá)到1天修復(fù)1個(gè)秦俑的速度。具有極大考古價(jià)值的“泡釘俑”的虛擬復(fù)原模型鮮活地呈現(xiàn)在人們面前，它先于實(shí)體復(fù)原，指導(dǎo)其后的“泡釘俑”實(shí)體復(fù)原過程。

不僅有“泡釘俑”的成功復(fù)原，耿國(guó)華和團(tuán)隊(duì)成員還虛擬復(fù)原了一號(hào)坑的一批珍貴文物。其中一號(hào)坑的右驂馬雖有百余片，2011年就已建有虛擬復(fù)原模型供研究與展示，但截止2017年還未實(shí)體復(fù)原。他們參與到秦始皇帝陵博物院數(shù)字化建模和三維全景掃描等項(xiàng)目中，用數(shù)字化的手段輔助考古挖掘和文物研究。

▲ 兵馬俑一號(hào)坑右驂馬虛擬復(fù)原模型

（至今未實(shí)體復(fù)原，100余片）

二十多年堅(jiān)持“文物數(shù)字化”的交叉研究，從自掏腰包做項(xiàng)目，到承擔(dān)博物館行業(yè)單位的重要項(xiàng)目，到獲得國(guó)家部委項(xiàng)目的大力支持，耿國(guó)華見證著數(shù)字化考古和實(shí)體保護(hù)工作的并軌實(shí)施在我國(guó)發(fā)展歷程。

2014年，“文化遺產(chǎn)數(shù)字化國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心”正式在西北大學(xué)掛牌成立。作為文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)領(lǐng)域的唯一國(guó)家級(jí)別的工程研究中心，擔(dān)任中心主任的耿國(guó)華深感前路廣闊，責(zé)任重大。

“不是所有人都需要成為歷史學(xué)家、考古專家，但對(duì)于歷史的了解，對(duì)于優(yōu)秀的中華文化，我們每一個(gè)人都有需求，也有責(zé)任去傳承。”在耿國(guó)華看來，作為一種技術(shù)手段的信息科學(xué)，就正是這樣一個(gè)人人都能觸及的工具和平臺(tái)。

目前，耿國(guó)華的團(tuán)隊(duì)正在致力于研究長(zhǎng)安古城的復(fù)原，他們將綜合運(yùn)用GPS、VR等科技來幫助人們判斷其在長(zhǎng)安城中所處的位置和古人有怎樣的淵源，從而能讓人們更深入地感受歷史，體驗(yàn)歷史，傳承文化。未來，他們的研究目標(biāo)還將覆蓋古絲綢之路沿線的諸多歷史遺址。

從教38年，碩果累累

回顧自己的研究生涯，耿國(guó)華感慨人生的際遇就像文物修復(fù)工作一樣，實(shí)際上充滿了未知。耿國(guó)華對(duì)學(xué)生們說，“我們這一代人在求學(xué)和工作時(shí)，實(shí)際上是沒有什么選擇的，國(guó)家利益高于一切。”但也許正是別無選擇，她便選擇熱愛當(dāng)下的事業(yè)和研究，唯有專注和堅(jiān)持，才能不負(fù)青春，不負(fù)這份事業(yè)的重托。

從西北大學(xué)數(shù)學(xué)系畢業(yè)的耿國(guó)華，教授計(jì)算機(jī)課程38年。盡管計(jì)算機(jī)學(xué)科需要數(shù)學(xué)思維的指導(dǎo)，但更注重技術(shù)性和構(gòu)造性，耿國(guó)華憑著一股鉆研的韌勁兒和全身心地投入，不斷琢磨新的教學(xué)方法和教學(xué)理念。

她提出并實(shí)施了“指導(dǎo)-大運(yùn)動(dòng)量實(shí)踐-反饋”教學(xué)法，在軟件人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用，主持帶領(lǐng)的“計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)核心課程”國(guó)家教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)，主持獲得3項(xiàng)國(guó)家教學(xué)成果獎(jiǎng)，在國(guó)內(nèi)產(chǎn)生了重要影響，所主持的“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”兩門課程均獲國(guó)家精品課程、國(guó)家精品資源共享課程，她本人也榮獲“國(guó)家教學(xué)名師”、“萬人計(jì)劃領(lǐng)軍人才”的稱號(hào)。

和當(dāng)初“別無選擇”的自己相比，耿國(guó)華教授對(duì)于自己的學(xué)生們寬容很多。在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)成為熱門學(xué)科的今天，她并不苛求學(xué)生們都像她一樣埋首科研潛心教學(xué)，但她常常告誡他們，不管今后從事什么職業(yè)，“任何事情都不是一蹴而就，都需要明確目標(biāo)，下定決心，持之以恒。既然選擇了遠(yuǎn)方，便只顧風(fēng)雨兼程。而做科學(xué)研究，尤其如此。”用信息之手助力文化遺產(chǎn)保護(hù)傳承，耿教授和同行們正在奮力前行。

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