秦始皇的嬪妃和兒子（疑似）、唐高祖李淵五世孫女李倕，還有距今五萬年的柳江人等，這些古人的面貌是如何復(fù)原的？
秦俑坑的兵馬俑基本都是由考古發(fā)掘現(xiàn)場的碎片拼對而成，手工拼對不僅非常耗費時間，一旦拼錯還可能造成差錯的累積效應(yīng)，怎樣才能更好地解決這些問題？
西北大學(xué)科研團隊利用自己研制的掃描設(shè)備和文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原技術(shù)，不僅解決了古人顱面相貌復(fù)原、破碎文物虛擬復(fù)原等問題，還在考古發(fā)掘現(xiàn)場大遺址掃描基礎(chǔ)上發(fā)展出了大遺址虛擬復(fù)原技術(shù)，以及數(shù)字博物館、碗形巨幕歷史場景立體化呈現(xiàn)等文博展示新技術(shù)，讓文物在數(shù)字化技術(shù)加持下真正活起來。
三維掃描設(shè)備解決文化遺產(chǎn)數(shù)字化問題
10月14日，帶著好奇心，記者來到西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院“西北大學(xué)文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心”。
中國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟（中國虛擬現(xiàn)實產(chǎn)學(xué)研研發(fā)平臺）理事長、西北大學(xué)陜西省千人特聘專家周明全教授介紹，要實現(xiàn)數(shù)字化就必須要對文物或遺址進行數(shù)字化掃描采集。三維激光掃描儀最初是用于刑事案件偵破的，以前在案件偵破中，需要根據(jù)受害者顱骨形態(tài)采用類似雕塑的形式來復(fù)原其生前面貌以確定身份，但這種形式的復(fù)原結(jié)果受雕塑者的主觀影響較大。通過激光三維掃描，首先可以把顱骨精準(zhǔn)地數(shù)字化到計算機里，實現(xiàn)三維建模，然后再在計算機里“長出”這個人的面皮來，這便是軟組織的復(fù)原。
周明全教授說：“一個人的長相首先是由顱骨決定的，顱骨在18歲就基本定型。人的面部有變的地方，但眼角、鼻子中線等部位是不會變的，只要顱骨和眼睛重合，基本就可以確定一個人。除了顱骨，影響人相貌的就是軟組織。而影響人臉軟組織的因素，首先是年齡，不同年齡段面部脂肪和軟組織分布特點不一樣；其次是營養(yǎng)狀況，即胖與瘦的不同?！?/p>
從1996年開始，周明全、耿國華兩位教授帶領(lǐng)科研團隊建立起了“中國人顱面數(shù)據(jù)庫”（主要是蒙古人種，即黃種人），收集了2000多例現(xiàn)代人顱面數(shù)據(jù)信息，從20歲到70多歲，這不僅開創(chuàng)了該領(lǐng)域的國內(nèi)先河，更成為亞洲乃至世界最豐富、最有代表性的顱面數(shù)據(jù)庫。
“在這個基礎(chǔ)上我們做概率統(tǒng)計、做智能分析，對一些聚焦點——即哪些地方是變化最大的劇烈點、哪些地方基本上不太變，形成一個模型。然后根據(jù)顱骨牙齒等情況，可以判斷其屬于哪個年齡段，將其這個年齡段的面部軟組織模型關(guān)聯(lián)起來，再參考營養(yǎng)狀況等信息，將這幾個參數(shù)輸進去后，就可以生成與這個人生前最相近的面貌，相似度可以達到九成?！?/p>
據(jù)介紹，這種顱骨面貌復(fù)原技術(shù)現(xiàn)在主要用于古人類學(xué)和考古學(xué)。
2001年11月至2002年8月，陜西省考古研究院配合西安理工大學(xué)曲江新校區(qū)基本建設(shè)，在施工區(qū)域內(nèi)發(fā)掘清理古墓葬186座，其中規(guī)模最大的一座唐墓主人叫李倕。根據(jù)出土墓志，其五代祖為“圣唐神堯皇帝”，即唐高祖李淵，祖為豫章王李亶，父為嗣舒王李津，她是李津的第二女。根據(jù)兩唐書記載，可知其曾祖為李淵的第十八子舒王李元名。李倕與時任皇帝李隆基應(yīng)為平輩遠親。李倕雖出身于貴族，但去世埋葬時已不是貴族了，因為她沒有爵位。其身份只是一個七品小官的夫人，因難產(chǎn)而去世。她的陪葬明器規(guī)格較低，而陪葬的實用器卻非常奢華，下葬時不僅頭戴“金花冠”，身上還佩戴著三組佩飾。
唐高祖李淵五世孫女李倕顱骨面貌復(fù)原3D打印模型
耿國華介紹，唐高祖李淵五世孫女李倕的面貌復(fù)原，就是先把顱骨掃描后輸入計算機里建立顱骨模型，然后在顱面數(shù)據(jù)庫取出20到25歲現(xiàn)代女性顱面軟組織的均值給她“長出”軟組織，再附著上相應(yīng)的發(fā)型等，復(fù)原其相貌?！斑@是基于科學(xué)數(shù)據(jù)的復(fù)原方法，可信度還是比較高的。我們不僅復(fù)原了她睜著眼的面貌，也復(fù)原了她閉著眼樣子，因為我們覺得軟組織厚度只能影響眼瞼的大小，無法知曉其是單眼皮還是雙眼皮，所以選擇了閉著眼的形象，給大家以想象的空間?！?/p>
秦二世胡亥稱帝登基后，將秦始皇的小王子和小公主們一一捕殺。在秦始皇帝陵陵園外城的上焦村，考古人員共發(fā)現(xiàn)了17座陪葬墓，他們?nèi)ナ罆r大多僅有一二十歲。其中出土的一個顱骨，右顳骨中發(fā)現(xiàn)一枚青銅箭頭，其身份很可能是一位王子。該顱骨的下頜骨向前凸出，表現(xiàn)出十分痛苦和驚恐的模樣，有可能是在玩耍時慘遭射殺。
疑似秦王子顱骨面貌復(fù)原3D打印模型
疑似秦始皇嬪妃顱骨面貌復(fù)原3D打印模型
而在秦始皇帝陵的另一個陪葬墓中，所有尸體均為年輕女性，考古學(xué)家根據(jù)墓葬等級和陪葬品推斷，這些女子可能是秦始皇的嬪妃及其仆從。在這座墓中出土的一個顱骨，也被進行了面貌復(fù)原。疑似秦始皇王子與嬪妃的3D打印顱面復(fù)原模型和3D打印顱骨模型，被標(biāo)注為“秦男秦女顱骨面貌復(fù)原”，疑似王子長臉、細目、高鼻；疑似嬪妃有一雙大眼睛，鼻子長而高。
據(jù)了解，除了以上古人外，該研究中心還復(fù)原了距今五萬年的柳江人、福建漳平新石器時代早期奇和洞人、秦俑坑等136例遺骸的古人的面貌，為考古研究工作縱深推進提供了技術(shù)支持。
大名鼎鼎“泡釘俑”是先完成虛擬修復(fù)再進行實際修復(fù)
除了復(fù)原古人面貌，破損文物虛擬修復(fù)也是西北大學(xué)文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心的一項重要工作內(nèi)容。
耿國華教授介紹，2009年6月13日，秦兵馬俑一號坑開始第三次發(fā)掘，遺跡、遺物大量暴露，傳統(tǒng)發(fā)掘資料的記錄手段愈顯捉襟見肘，僅按傳統(tǒng)方法無法完成本次發(fā)掘任務(wù)。
當(dāng)年9月25日，耿國華教授團隊與兵馬俑一號坑考古隊啟動一號坑三次發(fā)掘的數(shù)字化探索工作。共實現(xiàn)棚木層、陶俑層和底層三個發(fā)掘文化層共10次大場景掃描和建模，完成2200余個出土陶俑碎片、66個出土陶俑、2匹陶馬的高精度數(shù)字化掃描和建模，實現(xiàn)了23個陶俑和2匹陶馬的虛擬復(fù)原，并研發(fā)構(gòu)建了秦俑文化遺產(chǎn)多媒體數(shù)據(jù)庫和考古發(fā)掘數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。
此外，耿國華教授團隊對K9901(百戲俑)遺址坑發(fā)掘過程和出土遺存進行數(shù)字化建模，并對出土陶俑虛擬復(fù)原，這是國內(nèi)首次將數(shù)字化保護手段和方法應(yīng)用在考古發(fā)掘全過程。
在虛擬復(fù)原的陶俑中，出土于K9901的大名鼎鼎的“泡釘俑”便是其中之一。它與以前出土的上身赤裸下身著裳的百戲俑不同，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，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”。
超高還原度3D打印泡釘俑
為了盡早呈現(xiàn)“泡釘俑”的“廬山真容”，科研團隊首先用三維掃描技術(shù)獲得文物碎片的輪廓曲面數(shù)據(jù)，并利用軟件將散亂的數(shù)據(jù)點進行網(wǎng)格化，得到三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，再在大量無規(guī)則的破損碎片中尋找碎片間的拓?fù)潢P(guān)系，同步利用空間曲線匹配搜索匹配確定匹配結(jié)果，最后進行拼接。通過使用這些技術(shù)手段，具有極大考古價值的“泡釘俑”虛擬復(fù)原模型鮮活地呈現(xiàn)在世人面前。有了虛擬拼對成功的“泡釘俑”，科研團隊制定了復(fù)原指導(dǎo)手冊，這無疑對后來“泡釘俑”的實際修復(fù)工作具有重要意義。
耿國華教授介紹，虛擬修復(fù)完成的陶俑中，有些至今仍未完成實際修復(fù)，比如一件右驂馬。在電腦中可以看到這件陶俑的完整形象，可以來回多個角度轉(zhuǎn)動欣賞，模型拼接關(guān)系圖中，各個碎片的編號也非常清楚。
周明全說，兵馬俑不僅外面看起來漂亮，里面也很漂亮，它是高度寫實的，連馬嘴上顎里頭都抹得一綹一綹地很真實，感覺寫實到極致了。但一旦修復(fù)完成后，里面的情況就看不到了。虛擬修復(fù)同時也是數(shù)字化保護的過程，有了這份數(shù)字化文物，對于考古研究來說也可以提供很大的幫助。另外，考古發(fā)掘現(xiàn)場的實際場景是不可逆的，而對考古發(fā)掘?qū)嵭腥虜?shù)字化記錄后，考古發(fā)掘的過程中也是可以分階段回溯展示的，這對于博物館展陳來說非常直觀。
不僅對一件件的文物可以實現(xiàn)數(shù)字化，對于大遺址考古發(fā)掘現(xiàn)場，科研團隊研制的三維掃描設(shè)備也可以派上大用場。這便是該科研團隊的另一成果：“遺跡與資料融合的歷史空間重現(xiàn)”。
在西北大學(xué)文化遺產(chǎn)數(shù)字化國家地方聯(lián)合工程研究中心的一塊巨幕上，記者看到了根據(jù)大遺址現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)生成的秦俑一號坑氣勢恢宏的秦俑方陣，耿國華教授介紹，前幾排秦俑是完全按照秦俑坑實際秦俑的數(shù)字信息生成的。
據(jù)了解，這一科研成果的應(yīng)用還包括了對布達拉宮、塔爾寺、秦陵等遺址精準(zhǔn)采集建模。
可以想象，在文化遺產(chǎn)數(shù)字化復(fù)原技術(shù)的推動和加持下，“讓文物活起來”必將更加入眼、入心。
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