耿國華（左）與許陽進行技術探讨。

耿國華向學生講解交互互動技術。

“我們把像兵馬俑這樣的大件文物放置在圓盤固定區域上，在圓盤兩側安裝了兩個帶有文物外觀數據采集模塊的機械臂，通過讓兩個機械臂各自繞文物旋轉180度，實現文物外觀數據的完整采集和快速建模。完成這項工作傳統手工方式需要10個小時以上，采用這種裝置時間可縮短至10分鐘左右，大大提升了館藏文物數字化的效率。”7月22日，在西北大學文化遺産數字化國家地方聯合工程中心實驗室，中心主任、西北大學信息科學與技術學院教授耿國華向記者介紹了團隊的最新科研成果——文物外觀快速采集建模裝置。

耿國華長期從事智能信息處理、模式識别等領域的創新性研究。結合陝西文物大省的實際，她及她的團隊努力促進計算機技術與文化遺産保護深度融合，在文物數字化保護、虛拟修複及打造秦腔智媒融合全息展現平台等領域取得了豐碩成果。

文物有了全方位數字化檔案

統計數據顯示，我國現有館藏文物超過1億件，而文物數字化被視為文物保護的重要手段。“隻有用現代探測技術把文物的外部幾何形狀、色彩、圖案，以及制作材料、質量等信息采集到，才能更好更長久地保護文物。上述信息既是文物數字化展示的基礎數據，也是文物傳承和修複的重要依據。”耿國華說。

據介紹，耿國華團隊新研發的文物外觀快速采集建模裝置由圓盤、兩個1.5米長的機械臂、文物外觀數據采集模塊及計算機處理軟件等組成，具備了智能化、協同化、安全性高、精度高四大特色優勢。

“文物外觀數據采集模塊由結構光三維掃描儀與高分辨率彩色相機構成，安裝在機械臂上。數據采集時，通過掃描儀向文物表面投射結構光，并借助相機拍攝結構光圖像，對結構光進行解碼，從而完成對文物表面三維形貌的完整采集。”團隊成員、西北大學信息科學與技術學院青年教師許陽說。

許陽介紹，采集過程中，文物被放置在圓盤中間的非旋轉區域，始終保持靜止狀态，确保了文物安全。機械臂隔空進行掃描、拍攝，相比傳統人工掃描方式，最大限度地減少了對文物的幹擾和破壞，同時大幅提升了采集的速度和精度。

“以兵馬俑為例，使用傳統方法幾何形狀與紋理是獨立采集的，還需要大量的後處理時間，可能需要10個小時以上。”許陽說，“使用文物外觀快速采集建模裝置，幾何形狀與紋理是同步采集，約5分鐘就能自動完成整個掃描步驟，再通過計算機處理軟件，能夠自動計算出文物表面的三維數據，全程10分鐘不到，就可實現文物幾何形狀與紋理數據的自動采集與合成。同時，采集的數據最小間距可達0.1毫米，數據精度大大提升。”許陽說。

“我們的文物外觀快速采集建模裝置将逐步在中國國家博物館等機構投入應用，為文物建立包括尺寸、形狀、紋飾等在内的全方位數字化檔案，提高相關博物館館藏文物數字化效率。”耿國華說，“下一步，我們将進行新一代采集建模裝置的研發，争取解決遺址坑、石窟寺等不可移動文物的數字化需求，為文物的傳承、研究與展示作出新貢獻。”

計算機技術讓公主“重生”

與文物外觀采集一樣，文物修複長期以來采用傳統手工方法。但傳統方法修複周期長、效率較低，萬一出現誤差，易對文物造成傷害。如何用計算機技術輔助解決修複問題，讓科技助力文化傳承，耿國華和團隊成員率先在國内開展了陶質文物數字化和文物虛拟修複相關技術研究。

21世紀初，唐李倕公主墓在西安被發現。當時棺材早已腐朽，雖然公主的屍骨尚存，但整個下颌部分已經缺失。據史料記載，李倕在開元二十四年（公元736年）病逝，時年25歲，至今已有1200餘年。為完整再現李倕公主容貌，耿國華決定使用計算機顱面複原技術讓公主“重生”。

“我們先對公主顱骨進行CT掃描、完成顱骨數字化信息采集，再用計算機軟件将缺損的下颌部分進行修補，重構其三維顱骨。最後，通過查閱顱面數據庫，根據20歲到25歲年齡段的女性顱面數據均值，确定李倕的軟組織厚度，建立顱面完整三維模型，從而讓公主‘真容’再現。”耿國華告訴記者。

耿國華團隊征集了3000餘名不同年齡、不同性别的志願者進行顱面CT掃描，建成了世界上最大的中國人顱面數據庫，為計算機顱面複原技術的應用提供了有力支撐。除了再現李倕公主容貌，團隊還實現了對秦代、漢代、唐代等近百名古人的面貌複原。目前，團隊的顱面複原技術研究和應用已處于國際領先水平。

除了顱面複原，耿國華團隊還用計算機技術助力文物修複。以兵馬俑為例，團隊通過掃描兵馬俑坑内碎片，掌握碎片大小、形狀，形成數據庫，利用數字化技術精準建模，将複原方案和步驟在電腦上完整呈現，指導兵馬俑修複工作，從而提高效率。

目前，耿國華團隊已完成了泡釘俑、右骖馬等一批兵馬俑出土文物的虛拟修複。2009年，團隊的數字化保護研究成果被正式列入考古修複工作規程中，和傳統保護方式并軌實施，得到了行業高度認可。

信息手段讓觀衆“登台”表演秦腔

秦腔是我國最古老的劇種之一，2006年被列入第一批國家級非物質文化遺産名錄，但秦腔的發展壯大也存在排練周期長、舞台展演形式比較單一、劇目展演能力受限等問題。“面對這種情況，我們決定嘗試将信息技術與秦腔藝術相結合，打造秦腔智媒融合全息展現平台，讓秦腔藝術好聽又好看，既保持傳統藝術魅力，又融入信息時代元素，讓老戲迷喜歡、年輕人愛看。”耿國華說。

經過1年多的打磨，耿國華團隊綜合運用人工智能、VR/AR、全息投影技術，成功研制出了智媒融合的秦腔全息劇場。“我們以傳統的戲曲劇場為基礎，運用3D全息投影技術，打造出虛拟時空，讓觀衆有視覺上的沉浸感，其最大的優勢就是觀衆不需要佩戴3D眼鏡，便可多角度浏覽三維立體影像。”團隊成員、西北大學文化遺産數字化國家地方聯合工程中心學術帶頭人周明全教授說。

周明全介紹，單獨設置的綠幕區還可為觀衆提供交互服務，讓觀衆和舞台、演員交互，實現了虛拟演員和觀衆同台演出。而通過增強現實技術，還可以讓觀衆體驗吹火、變臉等秦腔“絕活”。

目前，耿國華團隊依托全息媒體服務計算新技術，已經制作了《三滴血》《扈家莊》《花亭相會》等觀衆喜愛的劇目，下一步還将研發移動劇場和交互互動系統，打造國内領先的戲曲藝術全息展演新途徑。

“以移動劇場為例，就像電影放映一樣，我們打造的小劇場可以便捷走進城市社區和廣大農村地區，讓老百姓在家門口就能夠聽戲、‘演戲’，方便更多愛好者參與進來，為秦腔藝術發展創造機遇、提升活力，讓古老的秦腔藝術煥發出新的光彩。”耿國華說。(記者　霍強)

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