文化遺產(chǎn)數(shù)字化與云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用

黃健銘　苗禾

摘要：現(xiàn)階段，考古及文物保護(hù)行業(yè)大部分仍為傳統(tǒng)的工作手段，但隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)水平的不斷提高，傳統(tǒng)的考古及文物保護(hù)行業(yè)對(duì)于數(shù)字化的技術(shù)需求也越來(lái)越高，其中較重要的方向是云計(jì)算技術(shù)的引入。云計(jì)算在考古及文物保護(hù)數(shù)字化中具體有什么用處？目前其在保護(hù)、修復(fù)和傳承分享文化遺產(chǎn)等方面的應(yīng)用案例，說(shuō)明云計(jì)算可以在文化遺產(chǎn)行業(yè)發(fā)展出非常多的不同的應(yīng)用；借助先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)對(duì)我國(guó)的文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化、三維展示和信息保護(hù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：文物保護(hù)；云計(jì)算；文物展示；協(xié)同會(huì)議；文化遺產(chǎn)數(shù)字化

一、云計(jì)算應(yīng)用于遺產(chǎn)保護(hù)的背景

現(xiàn)在，文物考古專家們正在思考，能否通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)，讓普通公眾既能了解歷史，也能對(duì)文化遺產(chǎn)有更直觀的認(rèn)識(shí)。

文物屬于不可再生資源，并且有一部分文物在出土后也難于長(zhǎng)久保存。文物數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的出現(xiàn)，為文物的保護(hù)展示開辟了新的途徑。在文物的數(shù)字模型基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行虛擬展示、文物修復(fù)、文物檢索等研究，為文物的共享、傳播與研究提供便利方式。其中較重要的方向是云計(jì)算技術(shù)的引入。

在圖1中，技術(shù)人員對(duì)洛陽(yáng)博物館的鎮(zhèn)館之寶東漢石辟邪進(jìn)行三維掃描，然后形成文物的三維模型。在文物的三維模型基礎(chǔ)上，可以利用云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行虛擬展示、文物修復(fù)、文物管理等研究，由此可為文物的共享、傳播與研究提供便利方式。

目前，云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)對(duì)各行各業(yè)產(chǎn)生了變革性的影響，是當(dāng)前信息領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。隨著最近幾年云計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化在考古及文物保護(hù)行業(yè)中的應(yīng)用也有了新的進(jìn)展。在“云計(jì)算”的影響下，數(shù)字信息獲取、文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，以及數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘、分析和可視化研究、人工智能技術(shù)應(yīng)用等高科技手段，為文化遺產(chǎn)的永久保存提供了可能，也讓歷經(jīng)千年風(fēng)雨的文化遺產(chǎn)憑借數(shù)字技術(shù)而“青春永駐”。

云計(jì)算技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)中具體有什么用處？“能全方位、多角度體現(xiàn)文物的細(xì)節(jié)，減少實(shí)體文物的使用次數(shù)，從而達(dá)到文物保護(hù)的目的。同時(shí)它為文物保存了一份完整的數(shù)據(jù)，在文物意外受損時(shí)能根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)，甚至還能在計(jì)算機(jī)中虛擬修復(fù)文物，避免直接不當(dāng)修復(fù)造成的本體損害。文物研究者還可以運(yùn)用現(xiàn)有的三維文物模型進(jìn)行輔助研究?！闭且?yàn)閿?shù)字三維技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，云計(jì)算、3D打印等先進(jìn)科技已經(jīng)廣泛應(yīng)用于文博領(lǐng)域。

二、云計(jì)算的技術(shù)特點(diǎn)

云計(jì)算（cloud computing）是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云是網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)的一種比喻說(shuō)法。過(guò)去在圖中往往用云來(lái)表示電信網(wǎng)，后來(lái)也用來(lái)表示互聯(lián)網(wǎng)和底層基礎(chǔ)設(shè)施的抽象。因此，云計(jì)算甚至可以讓你體驗(yàn)每秒10萬(wàn)億次的運(yùn)算能力。其具體的技術(shù)特點(diǎn)如下：

其一，無(wú)限的存儲(chǔ)能力。云計(jì)算無(wú)限的存儲(chǔ)能力為龐大復(fù)雜的文化遺產(chǎn)的數(shù)字化提供了可能。文化遺產(chǎn)的相關(guān)信息資料或程序都可上傳至云端，使用者可以在任何時(shí)間、任何地方，通過(guò)任何可連網(wǎng)的設(shè)備連接到云端方便地存取信息資料或程序。

其二，無(wú)限的運(yùn)算能力。當(dāng)你將云計(jì)算真正用起來(lái)的時(shí)候，不要忽略它強(qiáng)大的運(yùn)算能力。譬如我國(guó)的天河超級(jí)計(jì)算中心，就是利用了云計(jì)算技術(shù)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，所以可以做到世界第一的位置。天河超級(jí)計(jì)算中心在天津擁有幾千臺(tái)服務(wù)器，通過(guò)用CPU串聯(lián)，來(lái)做一些龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算。譬如在石油行業(yè)中，為了了解和模擬出地下數(shù)千米的地質(zhì)構(gòu)造，云計(jì)算中心會(huì)通過(guò)地震波反射方式來(lái)收集海量數(shù)據(jù)，一般二維數(shù)據(jù)可達(dá)1-2TB，三維數(shù)據(jù)更是高達(dá)幾百TB甚至PB級(jí)，然后進(jìn)行大量的密集計(jì)算和模擬，計(jì)算結(jié)果出來(lái)后還要轉(zhuǎn)換成直觀的可視畫面，方便專家對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，為油氣鉆井定位提供參考。所以，它基于此做了很多大數(shù)據(jù)的運(yùn)算。

其三，按需付費(fèi)。按需付費(fèi)的原理就像人們?nèi)粘Ｓ盟粯樱褂枚嗌偎Y源便付多少相應(yīng)的費(fèi)用，同理，使用者僅需少量的費(fèi)用便可使用到云計(jì)算技術(shù)。在中國(guó)，大部分的云計(jì)算中心是把中心空間租用給使用者，并按月結(jié)算，實(shí)際上這并不是真正意義的按需使用。為何按需使用非常重要？因?yàn)榘葱枋褂每梢苑鲋埠芏嗟奈⑿∑髽I(yè)，其可以用非常低的價(jià)格，來(lái)使企業(yè)擁有云計(jì)算的能力。

三、云計(jì)算在文化遺產(chǎn)數(shù)字化上的應(yīng)用分析

所謂文化遺產(chǎn)數(shù)字化，是指使用3D掃描設(shè)備或者是高精密的攝影器材等去完成不可移動(dòng)文物或可移動(dòng)文物的還原，或以其它技術(shù)手段來(lái)獲取文物三維形體、紋理、質(zhì)地、材料等數(shù)據(jù)信息，并將其存入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，作為相應(yīng)專業(yè)人員的研究資料。通過(guò)云計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)永久地保存這些文物信息，減少人為因素對(duì)文物的損壞。更可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)快速地實(shí)現(xiàn)三維展示，使普通大眾都能欣賞到文化遺產(chǎn)的魅力，并可有效地保證文物數(shù)據(jù)不泄露。

在研究文化遺產(chǎn)數(shù)字化的時(shí)候，我們?cè)谒伎家粋€(gè)問(wèn)題：如何讓這些文物數(shù)據(jù)在受保護(hù)的狀態(tài)下，在互聯(lián)網(wǎng)上分享？于是我們基于云計(jì)算，搭建了一個(gè)全部在云端的渲染引擎，然后利用這個(gè)引擎，我們可以把所有的文物可視化。這其中很重要的一點(diǎn)是，我們把需要進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)全部放在云端，其中包括最為復(fù)雜的渲染運(yùn)算，所以理論上不管文物的三維模型有多大，不管你的點(diǎn)云有多大，我們都可以將其放在云端來(lái)進(jìn)行展示，所以無(wú)論多大的模型都可以在手機(jī)上進(jìn)行瀏覽。

渲染引擎指通過(guò)云計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上搭建的一套可以把三維模型進(jìn)行材質(zhì)、燈光、陰影模擬的實(shí)時(shí)云渲染系統(tǒng)。用戶通過(guò)終端發(fā)出控制指令，服務(wù)器在收到用戶發(fā)出的指令后即時(shí)完成三維模型的渲染任務(wù)，渲染結(jié)果畫面實(shí)時(shí)傳送回用戶終端（手機(jī)、平板電腦、PC電腦）中并加以顯示。云渲染系統(tǒng)要求服務(wù)器具備驚人的圖形處理能力，否則無(wú)法滿足大量用戶同時(shí)的服務(wù)請(qǐng)求。

這里所指的三維模型顯示的物體，可以是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，也可以是虛構(gòu)的物體。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。利用建立好、或掃描文物的三維模型進(jìn)行物體的材質(zhì)、燈光、陰影等的模擬，最終輸出至顯示端。

1.文化遺產(chǎn)的三維數(shù)據(jù)分享

文化遺產(chǎn)的三維數(shù)據(jù)分享，能全方位、多角度體現(xiàn)文物的細(xì)節(jié)，減少實(shí)體文物的使用次數(shù)，從而達(dá)到保護(hù)文物的目的。同時(shí)它為文物保存了一份完整的數(shù)據(jù)，并可在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行公眾分享。

在互聯(lián)網(wǎng)上推出文物三維展示體驗(yàn)欄目，為文化遺產(chǎn)領(lǐng)域開辟了一個(gè)新的發(fā)展思路。雖然通過(guò)各種技術(shù)手段對(duì)文物信息、展覽現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化展示方式不能取代實(shí)體博物館，但互聯(lián)網(wǎng)打破時(shí)間、空間的局限實(shí)現(xiàn)更廣泛的宣傳和公眾教育，是實(shí)體博物館無(wú)法比擬的。網(wǎng)絡(luò)展示手段多種多樣，相對(duì)于其他多媒體技術(shù)，三維數(shù)字技術(shù)對(duì)于文物的表現(xiàn)力更為逼真。對(duì)于一些不宜長(zhǎng)期向公眾開放的文物或景點(diǎn)，可以將三維模型發(fā)布于網(wǎng)上，滿足公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽的需求。

圖3中展示的是嵩山少室闕掃描后將文物的三維模型放至互聯(lián)網(wǎng)上供游客、愛好者參觀的成果，使用者可以在電腦/移動(dòng)端上轉(zhuǎn)動(dòng)它，將它放大或縮小來(lái)觀看細(xì)節(jié)部位。瀏覽者所看到的展示好像是在其電腦/移動(dòng)端上面完成的，實(shí)際上并不是。瀏覽者看到的所有東西都只是一張張圖片而已，云端根據(jù)瀏覽者的操作來(lái)進(jìn)行圖片回傳分析，瀏覽者進(jìn)行什么樣的操作動(dòng)作，云端便傳回執(zhí)行操作動(dòng)作之后的圖片。在三維模型上面，我們也可以做更多不同的運(yùn)算，譬如畫一下來(lái)進(jìn)行標(biāo)注，或者動(dòng)態(tài)地剖切文物來(lái)瀏覽內(nèi)部細(xì)節(jié)。所有的這些運(yùn)算全部都是在服務(wù)器端完成的，并非在瀏覽者的電腦/移動(dòng)端完成。

2.文化遺產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全保護(hù)

智慧產(chǎn)權(quán)的保護(hù)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一件非常重要的事情。通過(guò)云計(jì)算技術(shù)，我們可以任意地分享三維數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心三維數(shù)據(jù)被別人拿走。三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云平臺(tái)，非數(shù)據(jù)的所有者就只能在線瀏覽，無(wú)法通過(guò)各種途徑私自下載或修改三維數(shù)據(jù)，這樣便起到了對(duì)文化遺產(chǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的安全保護(hù)作用。

3.云計(jì)算技術(shù)的跨平臺(tái)應(yīng)用

由于三維數(shù)據(jù)的展示其本身僅是傳遞影像，也就是說(shuō)對(duì)瀏覽者的硬件沒有任何要求，只要能看照片、看電影，就能夠看文物的三維數(shù)據(jù)。用戶可在電腦、手機(jī)、平板等終端設(shè)備上輕松展示瀏覽三維數(shù)據(jù)，無(wú)需任何插件。

4.文化遺產(chǎn)的大模型瀏覽

圖4是一個(gè)860兆的泰國(guó)雕塑群，我們通過(guò)手機(jī)在上面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、剖切等操作都沒有任何問(wèn)題，十分流暢。如果我們用傳統(tǒng)的方法將其下載到本地讀取的話，860兆的泰國(guó)雕塑群就相當(dāng)于下載一個(gè)時(shí)長(zhǎng)兩小時(shí)的電影一樣，會(huì)花費(fèi)非常多的時(shí)間，并占用終端內(nèi)存?，F(xiàn)在一般互聯(lián)網(wǎng)用戶的習(xí)慣是，只要用戶想獲取的內(nèi)容打開時(shí)間超過(guò)5秒鐘，用戶便對(duì)其失去興趣了，所以這是一個(gè)最重要的關(guān)鍵技術(shù)。

5.合理利用計(jì)算機(jī)資源

在文物考古成果研究展示過(guò)程中，往往會(huì)有很多的相關(guān)資料需要添加，例如文字、視頻、音頻等內(nèi)容，當(dāng)這些內(nèi)容結(jié)合三維模型之后，相關(guān)的數(shù)據(jù)量就會(huì)變得龐大起來(lái)。在過(guò)去云計(jì)算的使用過(guò)程中，一般都會(huì)以CPU作為處理核心，CPU在計(jì)算速度方面可以保證，但在處理資料量龐大而簡(jiǎn)單的運(yùn)算時(shí)，GPU加速非常明顯，可為CPU的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍。如圖5所示。

四、云計(jì)算的在文化遺產(chǎn)中的更多應(yīng)用研究

基于云計(jì)算的技術(shù)特點(diǎn)，我們還可以在文化遺產(chǎn)行業(yè)中發(fā)展出非常多的不同的應(yīng)用，這些應(yīng)用可以為文物的數(shù)字化提供更加豐富的內(nèi)容。

1.考古繪圖

傳統(tǒng)的考古調(diào)查、發(fā)掘和研究，都必須借助于繪圖、照相、測(cè)量等技術(shù)手段，來(lái)編寫簡(jiǎn)報(bào)、報(bào)告和撰寫論文。考古繪圖階段往往需要大量專業(yè)人才來(lái)繪制，繪圖過(guò)程中，對(duì)于尺寸比例、真實(shí)樣貌還原等都有著極高的約束條件。往往一幅內(nèi)容復(fù)雜的圖可能需要繪制2-3天或者更久的時(shí)間，這樣便不利于考古研究工作的快速進(jìn)行以及出土文物的及時(shí)整理和保護(hù)。

利用云計(jì)算技術(shù)，我們開發(fā)了相應(yīng)的考古繪圖功能，可依據(jù)文物出土?xí)r掃描的三維模型快速出圖，并真實(shí)地反映出土文物的大小形狀、花紋和質(zhì)地等。達(dá)到見圖如見物的效果，為后續(xù)的科學(xué)研究提供可靠的資料（圖6）。

2.六面視圖功能

在考古發(fā)掘過(guò)程中，一處遺址/墓地往往會(huì)出土數(shù)百乃至數(shù)萬(wàn)件文物。工作人員一般會(huì)在文物出土之后，將文物和遺跡進(jìn)行三維掃描，并存人數(shù)據(jù)庫(kù)之中，然后由相應(yīng)人員進(jìn)行整理、修復(fù)等工作。但由于掃描存入數(shù)據(jù)庫(kù)且需要處理的文物模型數(shù)量過(guò)多，導(dǎo)致工作人員會(huì)在拖動(dòng)文物的三維模型查看細(xì)節(jié)時(shí)浪費(fèi)大量時(shí)間，因此，使用六面視圖功能可使工作人員快速進(jìn)行工作（圖7）。

3.文物遺產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)

文化遺產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)以3D文物為核心貫穿整個(gè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于3D文物的模型管理、文檔管理、版本管理、流程管理等功能。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，用戶的程序和數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)自身的程序和數(shù)據(jù)，甚至各種輸出輸入設(shè)備，都是以二維的、簡(jiǎn)單的文件形式出現(xiàn)，如文本文件，圖片文件，音、視頻文件等。但文化遺產(chǎn)內(nèi)容的復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)內(nèi)容，文物的三維模型數(shù)據(jù)可承載文物更多的歷史資料，并可通過(guò)文物模型的細(xì)節(jié)來(lái)展現(xiàn)文物之美，讓文物得以更好、更久的留存。在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域可視化、數(shù)字化管理，意味著管理者可以更好的掌控文件資料，例如，將掃描好的三維文物模型存入管理系統(tǒng)之中，管理者可以很快地了解出土文物的細(xì)節(jié)及價(jià)值，并可根據(jù)三維模型細(xì)節(jié)判斷是否需要進(jìn)行修復(fù)等工作。

現(xiàn)階段，鄭州考古研究院一直在使用這一套系統(tǒng)來(lái)管理他們計(jì)劃進(jìn)行數(shù)字化的全部發(fā)掘品。

4.文物三維數(shù)字修復(fù)及3D打印

很多的歷史文物愛好者可能并不知道，秦始皇陵兵馬俑和銅車馬出土?xí)r，絕大部分已碎裂成片，我們所看到的完整文物陳列大都是文物修復(fù)師的勞動(dòng)成果。30多年來(lái)，他們已經(jīng)整理修復(fù)了1000多尊陶俑和2座銅車馬。這個(gè)數(shù)字聽起來(lái)不免讓人心生擔(dān)憂，因?yàn)閾?jù)此推算，全部修復(fù)完兵馬俑至少需要100年。很多小學(xué)生可能都等不到這支龐大的地下軍團(tuán)呈現(xiàn)全貌的那一刻了。

當(dāng)然這是在計(jì)算機(jī)輔助文物修復(fù)系統(tǒng)出現(xiàn)之前的事。借助于該系統(tǒng)，文物的修復(fù)效率可提高數(shù)十倍。

通過(guò)三維掃描的方式，研究人員把碎片的外形曲線以及斷裂面凹凸起伏的特征輸入計(jì)算機(jī)。然后計(jì)算機(jī)會(huì)以一塊較大的碎片為基礎(chǔ)，對(duì)采集到的其他碎片樣品逐一分析，直到找到吻合最完美的另一塊碎片。這樣不斷比較下去，當(dāng)一個(gè)陶俑各個(gè)部位的所有碎片都被找齊后，一個(gè)完整的陶俑排列圖也就產(chǎn)生了。

不止于秦俑。幾片瓷器殘片經(jīng)過(guò)掃描，幾分鐘后，電腦屏幕上就會(huì)“生長(zhǎng)”出一只青花八寶葵形碗。同樣是經(jīng)過(guò)掃描，一幅被油漆刷子“糟蹋”過(guò)的古代字畫在電腦里重獲新生（圖8）。

采用三維修復(fù)技術(shù)進(jìn)行文物補(bǔ)全，是對(duì)物體空間外形、結(jié)構(gòu)、色彩、缺失部位進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序的測(cè)算，獲取精確的損失部位三維數(shù)據(jù)，從而復(fù)原得到完整的三維數(shù)字模型。并通文物材質(zhì)分析，借助3D打印機(jī)，制作出損失部位，達(dá)成科學(xué)化的文物修復(fù)方式，不僅速度快，精度高，而且大大避免的文物的二次傷害（圖9）。

5.文化遺產(chǎn)數(shù)字化協(xié)同會(huì)議

數(shù)字化協(xié)同會(huì)議是以文物三維模型為核心內(nèi)容，可支持瀏覽各種資料文件，任何人可直接在平臺(tái)之上基于文物的三維模型來(lái)和其他人交流討論。在這個(gè)會(huì)議平臺(tái)上你可以和美國(guó)、日本的專家學(xué)者開會(huì)，這樣便可打破時(shí)間和空間的壁壘，為更加快捷高效的工作提供條件。在會(huì)議進(jìn)行中，與會(huì)者可以任意操作/讀取文物三維模型或其相關(guān)資料，系統(tǒng)會(huì)在與會(huì)者之間實(shí)時(shí)同步模型或資料狀態(tài)，當(dāng)任一與會(huì)者對(duì)模型或文檔進(jìn)行信息點(diǎn)標(biāo)注時(shí)，其他與會(huì)者隨時(shí)看到相應(yīng)更新?；诖诵畔Ⅻc(diǎn)，與會(huì)者可以使用視頻、語(yǔ)音、文字、圖片等方式進(jìn)行討論。另外會(huì)議中，大家可以用文字和語(yǔ)音進(jìn)行交流。會(huì)議對(duì)話內(nèi)容會(huì)在結(jié)束會(huì)議后自動(dòng)保存，并可編輯。

結(jié)語(yǔ)

文化遺產(chǎn)是人類社會(huì)活動(dòng)中遺留下來(lái)的具有歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值的遺物和遺跡。各類文物從不同的側(cè)面反映了各個(gè)歷史時(shí)期人類的社會(huì)活動(dòng)、社會(huì)關(guān)系、意識(shí)形態(tài)以及利用自然、改造自然和當(dāng)時(shí)生態(tài)環(huán)境的狀況，是人類寶貴的歷史文化遺產(chǎn)。

云計(jì)算技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的高新技術(shù)，極大影響著信息服務(wù)的模式，也會(huì)影響到文化遺產(chǎn)的數(shù)字化前景。借助先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)來(lái)對(duì)我國(guó)的文化遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化、三維展示和信息保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（責(zé)任編輯：孫秀麗）