文化遺產是璀璨的中華文明的物化承載和有力支撐，是國家和民族的精神象征。西北大學“文化遺產數字化國家地方聯合工程研究中心”的科研團隊充分利用數字技術，取得了五代文物掃描儀研發、文物虛擬修復、秦人樣貌復原、秦陵遺址建模重現等一系列創新性科研成果，使秦陵文化遺產在賡續傳承中煥新出彩，推動中華優秀文化創造性轉化、創新性發展。

走進西北大學信息科學與技術學院，由大雁塔、兵馬俑、駝隊，長城內外、高山大漠、絲綢之路等遺產要素構成的“文化遺產數字化國家地方聯合工程研究中心”的標志背景顯得格外厚重。“西北大學-故宮博物院青銅器虛擬修復聯合實驗室”“西北大學-國家博物館智慧博物館和聯合實驗室”“西北大學-秦始皇帝陵博物院虛擬考古聯合實驗室”“西北大學-陜西省文物保護院文化遺產數字化聯合實驗室”等標牌整齊排列于墻面上方。

走廊盡頭的會議室，一位氣度不凡的長者正拿著掃帚打掃，迎面而來的耿國華教授介紹道：“這是周教授。”原來，這位“掃地僧”正是大名鼎鼎的周明全教授。

風趣幽默的周教授，和藹可親的耿教授和科研團隊的青年教師許陽、博士任勇共同為記者講述了用數字技術“喚醒”沉睡軍團的故事……

大學校園里的虛擬考古實驗室

2013年，西北大學獲批設立國家發展改革委“文化遺產數字化國家地方聯合工程研究中心”，它的前身是1998年成立的陜西省計算機軟件工程研究中心。周明全、耿國華兩位教授帶領著科研團隊主要面向國家重大需求，結合陜西文化遺產資源優勢，依托文化遺產與計算機學科交叉平臺，利用西北大學學科實力和特色資源開展文化遺產數字化保護與應用合作研究，在文化遺產數字化保護及科技考古方面一直處于國內領先地位。

經過多年發展，這個團隊的科學研究取得累累碩果，“文化遺產數字化保護傳承文物虛擬修復和數字化保護技術的研究及應用項目”獲2009年度國家科學技術進步獎二等獎，“文化遺產考古資源數字化保護新技術研究及在秦俑等示范工程的應用項目”獲2015年度陜西省科學技術二等獎。

周明全、耿國華兩位教授從自掏腰包補貼科研經費，到獲得國家部委、省財政對項目的大力支持，見證了數字化考古和實體保護工作在我國的發展歷程。

談到文化遺產數字化傳承、保護與傳播，周教授更像是一位哲學家。他說，物質終究會消亡，這是世界發展與存在的客觀規律，但用什么方法能夠把尚未消失消亡的事物保護起來，并在此基礎上加以研究和利用，這是需要我們深思和探究的。“對秦始皇陵兵馬俑而言，就是既要利用數字技術將其保存，又要利用數字技術探索未知，還要利用數字技術傳播傳遞，而這一切都離不開現代信息技術。”

周明全（右）教授和耿國華（左）教授介紹相關科研成果

文化遺產數字化國家地方聯合工程研究中心

傳統文物保護主要采用拍照或畫圖的方式進行文物信息記錄，這種記錄手段存在著方式單一、占用空間大且不易檢索等先天缺陷。“秦始皇陵兵馬俑規模宏大，發掘現場碎片數量巨大，人工比對、手工復原周期長、誤差大，且打磨粘接實體式拼合極易對文物造成二次破壞，這些現實情況決定了急需對傳統的保護及修復方式進行改進和創新。”周教授說。兵馬俑一號坑是最早發現并開始陶俑修復的俑坑，通過三十多年的接續努力，已人工修復秦俑1000余件，但這也僅占發現秦俑數的八分之一，以此速度估算，二號坑、三號坑完成修復還需100年。因此，利用數字化手段對其進行保護和修復具有十分重大的意義。

從保護方式看，傳統的實體保護僅能延緩本體消亡時間，而數字化文物保護技術（記載、修復、展示、管理）卻能有效重現文物的生命。自1996年起，周、耿兩位教授帶領科研團隊與秦陵文物數字化保護工作結緣已近三十年，從單純的研究、到參與考古挖掘、再到數字化保護，他們不僅參與了兵馬俑的現場挖掘，還想方設法地將信息技術運用到兵馬俑的保存、修復和傳承之中。利用計算機圖形圖像處理、計算機視覺、人工智能及虛擬現實等信息學科前沿技術提供新的思路、技術和方法，助力文化遺產數字化保護研究并推動相關技術的應用和落地，不斷推動秦陵數字化保護工作的創新發展，這在我國文物保護與修復領域具有開創性意義。神奇的掃描儀文物數字化，通俗地講就是通過激光掃描技術對文物進行建模，而要掃描文物，就必須先有設備。周教授說：“當時國家科技攻關計劃中對顱骨三維掃描和建模的需求直接下達到我們項目組，1996年我們就啟動了掃描設備研制，1997年便成功研制出第一代點狀激光三維掃描儀，直到后來知道，這在當時是一件了不得的大事，是國內第一臺三維激光掃描設備。”

第三代掃描儀展示掃描跪射俑的過程

而2012年投入使用的第四代三維掃描儀（XD-scanner4）是無人機大場景三維成像掃描系統，它的問世極大方便了不可移動文物數字化建模，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、塔爾寺等遺址的建模作業。第五代三維掃描儀（XD-scanner5）則是于2022年研制出的機器人智能文物掃描設備，通過結合人工智能和大數據技術，可在文物的個體識別、屬性提取上取得新突破，已被應用于兵馬俑、石窟寺等文物的三維掃描。

復原“泡釘俑”

在兵馬俑發掘過程中，陶俑破碎非常嚴重，而只有將這些碎片拼合起來，使秦俑站立起來，賦予其外在形象，兵馬俑才能擁有最大價值。

“千萬個兵馬俑都被打碎了，碎片都混雜在一起。”周教授說，“修復工作要干的第一件事就是分類，需要判斷這些碎片分別屬于哪些俑，也就是說要從數以萬計的碎片中找到屬于同一個俑的碎片，這是個大難題。”

以前全人工拼接兵馬俑碎片是一個極為復雜的過程，而現在利用三維虛擬可視化技術，通過觀察文物碎片的紋理特征和邊緣特征，使碎片分類變得精確、簡單、直觀，為后續的順利拼接打下基礎。

周教授解釋說：“三維虛擬可視化技術，簡而言之就是三個步驟：第一步，把每個碎片通過三維掃描儀進行數字化；第二步，通過計算機對所有被數字化的碎片進行計算，并找出相互相鄰的碎片；第三步，進行完整拼接，形成完整的兵馬俑模型。”基于三維虛擬技術形成的文物虛擬修復，即運用激光三維掃描儀對破碎文物進行精確數字化，將秦俑碎片及出土信息進行數字化管理，保存每個碎片的線劃圖及其三維模型，并以此為基礎進行自動化虛擬拼接，對缺失碎片進行數字化修復，形成虛擬復原兵馬俑。

超高還原度3D打印泡釘俑

超高還原度3D打印將軍俑

2009年，兵馬俑一號坑進行了舉世矚目的第三次發掘，在K9901陪葬坑百戲俑坑中，考古專家們發現了此前從未見過的新俑種。與以前出土的上身赤裸下身著裳的百戲俑不同，新俑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，泡釘周圍還有彩繪紋樣，而其著衣方式與常見古人的右開襟也大不相同，開襟位于后方，專家們將其命名為“泡釘俑”。

為了盡早呈現“泡釘俑”的“廬山真容”，科研團隊首先用三維掃描技術獲得文物碎片的輪廓曲面數據，并利用軟件將散亂的數據點進行網格化，得到三角網格數據，再在大量無規則的破損碎片中尋找碎片間的拓撲關系，同步利用空間曲線匹配搜索匹配確定匹配結果，最后進行拼接。通過使用這些技術手段，具有極大考古價值的“泡釘俑”虛擬復原模型鮮活地呈現在世人面前。

周教授告訴記者，“泡釘虛擬俑”先于實體復原，并能指導其后的實體復原過程，使實體修復更科學、更容易、更安全、更可靠。利用計算機這種超高的數據處理能力，一個破裂成數百塊碎片的陶俑完成虛擬拼接只需一小時，再用虛擬復原結果指導人工實體修復，理論上能夠達到一天修復一個秦俑的速度。

除成功復原“泡釘俑”實體外，科研團隊還于2011年成功虛擬復原了一號坑的珍貴文物“右驂馬”。雖然“右驂馬”至今并未進行實體復原，但“虛擬右驂馬”已被用于研究與展示。

虛擬復原的另一重要作用就是替代實體修復，以完成修復的兵馬俑模型為基礎，通過輸入正視、定量尺寸標注等數據信息，計算機程序就能完整地對文物剖面和三維效果進行輸出，這樣一來，文物碎片無需進行實體修復也能為考古研究工作提供清晰、全面的參考與幫助。

虛擬修復的意義，就在于擺脫了實體文物復原限制，支撐高效的研究和傳承。即使實體文物當下并未進行修復，它卻依然能夠被研究、被展示、被流傳，而文物背后的故事也能留給未來去解答，使未知往事逐漸成為已知故事。“對我們團隊而言，通過虛擬現實技術讓兵馬俑等文物活起來，就是落實習近平總書記對文物工作指示的行動實踐。”耿教授說。

復原古人容貌

從1996年開始，周明全、耿國華兩位教授就帶領科研團隊建立起了“中國人顱面數據庫”，數據庫中收集了2000多例現代人顱面數據信息，這不僅開創了該領域的國內先河，更成為亞洲乃至世界最豐富、最有代表性的顱面數據庫。隨著數據庫采集信息的不斷豐富、地域覆蓋的不斷擴大，顱面復原將越來越準確，復原未知的真容成為可能。

有了現代人的顱面數據庫，但如何比對并復原古人容貌呢？耿教授介紹說，“通過對古人顱骨的‘碳-14’鑒定和人類學分析，我們就能夠推斷出其入葬時的年齡范圍，再從現有的現代人顱面數據庫中提取出與其相同年齡段人的軟組織厚度，并以此為依據復原古人面貌。”

科研團隊通過使用手持式激光三維掃描儀對出土人類顱骨進行掃描，從而獲取能夠準確反映顱骨表面幾何形態的三維點云和表面顏色數據，經后期封裝和虛擬拼接，就能完成顱骨三維建模，并以此為基礎對該顱骨生前樣貌進行復原。他們運用此項技術，已成功完成對秦陵出土的疑似秦代王子和秦代嬪妃的顱骨進行了顱面復原。

秦男秦女顱面復原

在談到顱面復原技術的突破和意義時，耿教授耐心解釋道：“顱面復原技術突破的關鍵是三維建模和處理過程，以往的顱面復原一般是用針扎方式在尸體樣本上獲取顱面軟組織厚度，再通過泥塑得到復原面貌，多依賴于專家經驗制作而成，似乎成為了一種藝術家的創造行為。現在，我們則利用CT或三維掃描設備對顱骨數字化，基于現代人數據庫來復原面貌，這不僅是一種技術進步，更是一定程度上的技術解放，通過以大量人面科學數據為基礎構建成統計模型，對顱骨對應面貌進行復原，復原后的樣貌相較傳統人工復原而言更加科學和準確。”

按照文物處理規范程序，文物在出土后，經過基本的修復和保護，就會進行展出或入庫保管，因在實驗室留置的時間十分有限，使研究工作無法深入開展。而三維數字化技術能夠有效解決這一困境，它可以幫助考古學家在計算機中保留一個與真實文物完全一致的高精度三維虛擬實體，即使不接觸實體文物，后期的研究分析工作也能順利完成，三維打印技術還可將研究的數據成果直觀地呈現出來。

科學家利用數字技術還原兵馬俑

耿教授告訴記者，為了便于專家對“秦陵顱骨面貌”的進一步分析和研究，科研團隊使用真彩色三維打印機對顱骨進行了1∶0.75實體重現，雖然與真實大小不同，但它們的表面結構及相對比例與真實實體是完全一致的，該項技術可靠性也得到了最好的驗證。“秦陵顱骨面貌復原”也僅是其團隊“顱面形態信息學”研究在考古領域中的一個簡單應用，目的不單是為復原著名古人顱面，更是為考古研究工作縱深推進提供更加先進、更加可靠的技術支持。

讓秦陵遺址數字化

2010年秦俑一號坑三次發掘、2011年秦陵K9901坑發掘及2018年秦陵遺址數字化重建，這些在國內文物考古界首屈一指的大事件，周、耿教授團隊都全程數字化跟進，他們用信息技術手段支持遺跡挖掘、保存、傳承全過程，助力遺跡歷史風華重現。

相較于單個文物，遺址遺存因體積大、三維掃描儀無法直接獲取數字化模型，且經掃描獲取的數字化模型占用內存大等原因使得計算處理復雜度顯著提升。為此，科研團隊利用傾斜攝影和激光掃描雙模式對秦始皇帝陵博物院一號坑進行了大場景高精度三維建模，通過設備的優勢互補不斷提升了數據應用范圍，通過獲取高精度圖像建立了數字化資源，通過勘測遺址空間再現了秦陵地面歷史場景，通過考古勘探、史料研究，重建了秦陵九層臺三維結構，揭示了秦陵修建方式等歷史事實。最終，秦陵保護區56平方公里三維建模完成，實現了秦陵遺址的全場景數字化。

周明全教授說，“考古連接著過去與現在，考古發掘是遺跡不斷被損毀的過程，但有了數字技術的助力，使得我們可以把文化遺產更好地保存起來，傳承下去，傳播出去。”

耿國華教授也表示，“不是所有人都要成為歷史學家、考古專家，但了解歷史，特別是熟知優秀的中華文化，則是我們每一個人的必需，更肩負著責任去傳承。”

信息技術作為一種新技術手段，成為每個人都能觸及使用的工具和平臺，助力著文化遺產被認知關注、廣泛傳播。

一面是充滿歷史灰塵的文化遺產，一面是科技感十足的數字技術，傳統與現代的有機融合將使歷史文化遺產保護與利用迸發新的時代活力。作為中華優秀傳統文化重要載體的文化遺產，因數字化技術的賦能，在“守正”與“創新”中又煥發了新的活力，成為推動中華優秀傳統文化創造性轉化、創新性發展的新質生產力。

秦兵馬俑的神秘源于他們千人千面、形態各異、服飾絢麗、似曾相識，兩千多年來似乎從來都沒有離開過我們。如果說千年前的能工巧匠以栩栩如生的技藝賦予了他們“生命”，那么當今的科學家利用數字技術還原兵馬俑，則是讓他們獲得“新生”。

數字技術“喚醒”了深埋于地下兩千兩百多年的兵馬俑軍團，我們仿佛穿越了千年，在“九層之臺，始于壘土”氣勢恢宏的秦陵中漫步，在“不動如山，動則如火掠林”橫掃六國的虎狼之師中檢視。不難想象，倘若將這一軍團“喚醒”，使他們穿越兩千兩百年的歷史，活靈活現、完完整整地列隊于當代人的面前，將是何種氣勢！

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