穿越時空的視覺盛宴基于可視化技術的文化遺產(chǎn)

文 圖/熊葉洲 趙惠杰

穿越時空的視覺盛宴基于可視化技術的文化遺產(chǎn)

文 圖/熊葉洲 趙惠杰

“計算機之父” 馮·諾依曼

可視化是指網(wǎng)絡技術和虛擬現(xiàn)實的結合。通過高分辨率數(shù)字圖像采集、圖像處理、智能拼接、定位與測量、三維建模等一系列科技手段，賦予信息“故事情節(jié)”，把信息以更生動的形式和可互動的方式表現(xiàn)出來，讓數(shù)據(jù)“活起來”。

1946年，由馮·諾依曼等科學家組成的科研小組成功研制出了人類歷史上第一臺通用電子計算機——“ENIAC”。ENIAC體積龐大，耗電驚人，研發(fā)的最初目的只是為解決龐雜的大型數(shù)據(jù)計算，從而滿足戰(zhàn)爭發(fā)展的需要。但在接下來的半個多世紀，迅猛發(fā)展的計算機技術領導了“第三次科技革命”。21世紀，在計算機、互聯(lián)網(wǎng)走進千家萬戶的同時，人們不再滿足于單一的信息傳送，而是在滿足信息需求的基礎上，最大限度地追求信息的可讀性與可視性。清晰明了的視覺感受對于過濾龐雜信息有著事半功倍的效果，信息可視化技術為高效查找信息、分析信息以及理解信息提供了一種新途徑。

第一臺通用電子計算機 ENIAC

信息可視化的產(chǎn)生與發(fā)展

1989年，帕羅奧多研究中心（PARC，Palo Alto Research Center Incorporated）的信息可視化專家Roberston、Card和Mackinlay發(fā)表的《用于交互性用戶界面的認知協(xié)處理器》一文中第一次出現(xiàn)“信息可視化”這一概念，并將其定義為：“計算機支撐的、面向抽象數(shù)據(jù)的、具有交互性的可視化表示法，用以增強人們對抽象信息的認知。簡單來說，信息可視化就是依靠數(shù)字化技術將抽象的、復雜的數(shù)據(jù)賦以直觀的視覺表達形式，從而增強讀者對信息本質(zhì)的認識。信息可視化是一個多學科交叉領域，它涉及計算機圖形學、圖像處理技術、傳感技術、顯示技術、人工智能等多個學科領域。

航線星云（圓點代表航空公司；連線的粗細和遠近反映兩個航空公司之間的相似性；連線越粗或越短則代表兩家航空公司服務的城市越相似。圖片顯示出了各航空公司間的競爭以及不同區(qū)域間的潛在合作）

歐美國家的信息可視化技術研究起步較早、發(fā)展較快，應用范圍也越來越廣泛。早在1992年，聯(lián)合國教科文組織就啟動了“世界記憶”計劃。1995年，美國建成博物館互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了博物館藏品的跨時空展示。1997年，世界第一個虛擬現(xiàn)實環(huán)球網(wǎng)在英國誕生，用戶只需滑動鼠標即可漫游于虛擬現(xiàn)實世界中。此后，越來越多的項目投入到實際應用中，如犯罪地圖，數(shù)字圖書館等。

亞洲地區(qū)，以日本的信息可視化技術研究最具代表性。2014年，日本筑波大學等組成的科研小組宣布觀測核反應堆內(nèi)部狀況的可視化實驗成功。2015年，日本大阪大學教授石井優(yōu)領導的科研小組成功研發(fā)癌細胞可視化技術。

我國的信息可視化技術研究始于20世紀90年代，初期發(fā)展相對

較緩慢。近年來，隨著計算機硬件設備的持續(xù)升級和各種可視化軟件的不斷研發(fā)更新，極大地推動了我國信息可視化技術的發(fā)展與創(chuàng)新。1992年，浙江大學計算機輔助設計與圖形學（CAD&CG）國家重點實驗室建成，重點研究虛擬環(huán)境的高效構建和呈現(xiàn)、自然人機交互技術、增強現(xiàn)實技術以及虛擬現(xiàn)實應用技術。2008年，北京航空航天大學虛擬現(xiàn)實技術與系統(tǒng)國家重點實驗室建成，實驗室主要研究虛擬現(xiàn)實中的建模理論與方法、增強現(xiàn)實與人機交互機制、分布式虛擬現(xiàn)實方法與技術、虛擬現(xiàn)實的平臺工具與系統(tǒng)；開發(fā)了一批應用系統(tǒng)，如北京奧運會開幕式演示環(huán)境、多種虛擬飛機座艙系統(tǒng)、數(shù)字博物館等。目前，信息可視化技術的應用已擴展到科研、軍工、醫(yī)學、經(jīng)濟、民生等各個領域。

故宮端門數(shù)字館

在考古學中的應用——詮釋數(shù)據(jù)立體美

新時代的考古學不再局限在學術“象牙塔”中，而是主動走向公眾，與人們切實的社會生活接軌。正是這種融入社會大眾的需求，要求考古學必須緊跟科技的步伐。考古學與信息可視化技術相結合，簡潔明朗地解釋考古學中晦澀難懂的專業(yè)術語，增強了考古信息的可讀性，為大眾理解考古信息提供了重要支持。通過信息可視化技術逼真還原不可再生的遺跡遺物，把豐富的文明遺跡和深遠的文化積淀再現(xiàn)于虛擬世界中，讓文化遺產(chǎn)近在眼前，同時實現(xiàn)了實物遺存最強化的保護和最優(yōu)化的展示。

基于信息可視化技術的文化遺產(chǎn)展示

如今，一地一處館藏品的被動觀賞模式已無法滿足博物館觀眾的需求，人們對全球文化遺產(chǎn)的傳承、科普教育以及研討交流等方面都提出了新的要求。在這種形勢下，信息可視化技術與傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)展示與保護相結合，真正實現(xiàn)了沉浸式博物館構想。2015年12月22日，故宮博物院端門數(shù)字館終于揭開了神秘面紗，首度亮相。

歷時十余年高精度數(shù)據(jù)采集，端門數(shù)字館真切展示了中國深厚的歷史文化內(nèi)涵。端門數(shù)字館打破了時空的束縛，使參觀者置身于那些塵封的歷史記憶中，享受一場穿越時空的視覺盛宴。在數(shù)字書法模塊中，觀眾可以模擬毛筆書寫，所寫的字就會融入原作中，并與古文對比。這種交互式的參觀模式，不僅為博物館帶來全新的經(jīng)營理念和結構框架，豐富了觀眾的感官體驗，更是實現(xiàn)了對文物藏品和文物建筑的完整保護。

2001年3月，塔利班不顧國際社會強烈反對，炸毀了位于阿富汗中部巴米揚地區(qū)的兩尊古老佛像，1700年歷史文物毀于一旦，令人痛心。不僅僅是戰(zhàn)爭、城市擴建等人為原因，洪水、地震、泥石流、氣候變化等自然因素也正在威脅著那些歷經(jīng)輝煌的文化遺產(chǎn)。文化遺產(chǎn)蘊涵了特有的精神價值，更是文明傳承的物質(zhì)載體，為了讓人類的文明遺跡永久傳承，CyArk（數(shù)字方舟）項目應運而生。

CyArk是在美國加利福尼亞州的非營利慈善機構，宗旨是依靠激光掃描和3D建模技術來收集、保存文化遺產(chǎn)的數(shù)字數(shù)據(jù)，并將其提供給公眾。依靠由“光”（light）和“雷達”（radar）組合而成的“激光雷達”技術（Lidar）開發(fā)出一種便攜式護眼型激光器，它用一種類似雷達的裝置，使用激光可以精確勘測建筑物的外觀。項目創(chuàng)始人本·凱薩拉表示：“我們的激光器功能非常強大，每秒可以發(fā)射五萬次光脈沖，這意味著從光脈沖發(fā)射到被反射回的時間里，它可以收集前方物體的五萬個坐標。并且通過光脈沖的來回循環(huán)，繪制出周邊物體的幾何形狀?！币谎砸员沃癈yArk給世界帶來了3D激光掃描技術，徹底改變了我們捕捉真實事物的方式”。人們可通過其門戶網(wǎng)，欣賞全球文明古跡。

2012年，浙江大學文化遺產(chǎn)研究院和寧夏文物考古研究所聯(lián)合對固原須彌山石窟進行田野調(diào)查。圓光寺區(qū)45、46號窟所在的須彌山東南麓主要由紅色砂巖構成，石質(zhì)疏松，常年的風力和雨水侵蝕，令石窟極易風化剝落。因此，浙江大學文化遺產(chǎn)研究院副教授刁常宇領銜開發(fā)了一套計算機軟件，這套軟件可以利用多角度的照片提取石窟的“特征點”，進而生成逼真的三維模型，這就是“基于多圖像的三維重構系統(tǒng)”。工作流程是首先進行數(shù)據(jù)采集，在適當?shù)墓饩€條件下，使用數(shù)碼照相機多角度拍攝照片完成數(shù)據(jù)采集工作；接下來使用軟件對采集到的信息進行分析和重建。這樣做，不觸碰石窟，就能得到更準確的數(shù)據(jù)。信息可視化技術成功改變了遺跡退化的不可逆轉性，所謂精確的記錄就是對遺跡最好的保存。

圖① CyArK創(chuàng)始人本·凱薩拉（Ben Kacyra）

圖② 蒂卡爾寺原貌

圖③ CyArk門戶網(wǎng)

圖④ 在CyArk門戶網(wǎng)中進行文化區(qū)域檢索

圖⑤ CyArk技術復原的蒂卡爾寺

信息可視化技術的問題與前景

利用視覺表征手段闡述自然演變和人類社會變遷已成大趨勢。通過信息可視化技術突破時空限制，將現(xiàn)代人引入浩如煙海的歷史長河中，實現(xiàn)時空轉換。這種沉浸式的體驗方式必將更有效地傳播中華文明，更有力地加強大眾的文化遺產(chǎn)保護意識，更全面地提高人民歷史文化素養(yǎng)。

但信息可視化技術在考古學的應用中也存在一些問題。首先，傳統(tǒng)的考古團隊缺少相關的技術知識和技術培訓，在考古發(fā)掘中可能會破壞掉一些原始數(shù)據(jù)，造成后期信息數(shù)據(jù)收集困難。其次，信息可視化技術人員也同樣缺少相關的考古學知識，這使得復原的遺物遺跡不能完全體現(xiàn)其背后隱藏的考古學意義。再次，我國的信息可視化進程起步較晚，在考古學中的應用更是處于前期探索階段，材料數(shù)據(jù)庫不全，對前期發(fā)掘的遺跡遺物數(shù)字化造成困難。最后，以可視化文化遺產(chǎn)為導向的多學科協(xié)同合作缺乏系統(tǒng)的操作模式和操作原則。可視化文化遺產(chǎn)作為一個新興的文化領域，其中各個子域（包括計算機技術領域、信息設計領域、文博領域）策劃缺乏整體性。文化遺產(chǎn)的可視化保護，不僅關系到國家經(jīng)濟的發(fā)展，更關系到中華文明的傳承和社會穩(wěn)定。我們應當揚長避短，不斷開發(fā)新信息可視化技術，在完善視覺體驗的同時，加強對觸覺、聽覺、嗅覺等方面體驗的研發(fā)，并且注重多重學科背景人才的培養(yǎng)。相信這些問題的解決，會為傳統(tǒng)考古學的發(fā)展注入新鮮血液。我們期待傳統(tǒng)考古與現(xiàn)代信息可視化技術所碰撞出的花火，可以照亮未來考古學發(fā)展的道路，促使考古學走向社會大眾，真正實現(xiàn)考古學公共化。文化遺產(chǎn)是全世界人民智慧的結晶，實現(xiàn)文物資源的全人類共享更是未來發(fā)展的必然趨勢。

復原的“須彌山石窟”

須彌山石窟位于寧夏固原縣西北55公里處的須彌山東麓。洞窟分散開鑿在山麓的東南向崖壁上。石窟群自南而北分八區(qū)：大佛樓區(qū)、子孫宮區(qū)、圓光寺區(qū)、相國寺區(qū)、桃花洞區(qū)、松樹洼區(qū)、三個窟區(qū)和黑石溝區(qū)。編號洞窟132個，造像保存較好的洞窟20個，佛龕113個，造像315身。

石窟初創(chuàng)于北魏，興盛于北周至唐，可分為前后兩期。前期北魏至隋，有洞窟56個。洞窟形制主要為方形窟、佛像方形窟和中心柱窟三種。方形窟主要用作禪窟、影窟、僧房窟等；佛像方形窟的雕像或開龕或不開龕；中心柱窟的中心塔柱皆方形，柱壁、窟壁均開龕造像。前期造像題材多以“一佛二菩薩”為基本組合，至隋出現(xiàn)了一佛二弟子二菩薩一鋪五身的題材。此時的洞窟以北周窟最具特點，其規(guī)模巨大、雕飾繁麗、題材豐富為其他地區(qū)的石窟所罕見。

后期洞窟主要為唐代開鑿，共61個。洞窟形制有大像窟、佛殿窟、僧房窟、中心柱窟、涅槃窟和影窟六種?？邇?nèi)或正壁或三壁起壇雕像，窟壁、中心柱壁皆開龕。各窟造像組合有一鋪七身、九身、十一身、十三身等多種形式。唐以后，須彌山不再有開窟造像活動，但西夏、宋、金、明各代仍有規(guī)模不等的裝修和寺院建設。以明代最為興盛，須彌山現(xiàn)存的三通明代碑刻對此多有記載。

本文是指南針計劃專項項目“中國古代人類骨骼遺存資源數(shù)據(jù)庫建設及共享”項目的中期成果，特此感謝。

（作者均為吉林大學邊疆考古研究中心碩士研究生）