我國有著悠久的歷史、燦爛的文明，文物、古跡眾多，是中華文明的重要載體。博物館是收集、保存、展示文物的重要場所。山東大學(xué)博物館幾十年來共收藏了泗水尹家城遺址、龍山文化城址、春秋仙人臺(tái)遺址出土的考古文物萬余件，其中不乏文物精品，如蛋殼陶高柄杯、龍山文化陶書文字等，具有極高的藝術(shù)和歷史價(jià)值。然而，由于受空間、經(jīng)費(fèi)等因素的制約，博物館中展示的內(nèi)容和方式有限，大量文物常藏于庫房，無法展出。與實(shí)體博物館相比，數(shù)字博物館可擺脫時(shí)空等因素的限制，極大提高了博物館資源的利用效率。

2001年起，在國家教育部《面向21世紀(jì)教育振興行動(dòng)計(jì)劃》之“現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程”中央財(cái)政專項(xiàng)資助下，山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、考古系、博物館經(jīng)過多年的合作，采用網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字水印等眾多計(jì)算機(jī)技術(shù)，研發(fā)了文物信息管理系統(tǒng)、網(wǎng)站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、虛擬博物館協(xié)同設(shè)計(jì)與漫游系統(tǒng)等系列軟件，實(shí)現(xiàn)了1萬余件文物的數(shù)字化，生成文字、圖像、音頻、視頻以及三維模型和場景等多媒體內(nèi)容，建立了“山東大學(xué)考古數(shù)字博物館”。

下面主要圍繞建設(shè)山東大學(xué)考古數(shù)字博物館所涉及的數(shù)字內(nèi)容生成、內(nèi)容管理、內(nèi)容展示及內(nèi)容安全四方面介紹所用到的部分計(jì)算機(jī)技術(shù)。

1數(shù)字內(nèi)容生成

山東大學(xué)數(shù)字博物館的文物標(biāo)本延續(xù)時(shí)間長，質(zhì)地多樣，涉及文獻(xiàn)資料眾多。根據(jù)以上特點(diǎn)，在數(shù)字化工作過程中，首先由考古學(xué)及博物館專家對藏品進(jìn)行以遺址、質(zhì)料、年代等為單位的分類編目與文字資料撰寫；同時(shí)對古代遺址資料及考古學(xué)相關(guān)信息，包括考古學(xué)小辭典、考古過程、考古名家等加以整理，使數(shù)字博物館瀏覽者全面了解考古博物館的內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上對博物館資源進(jìn)行數(shù)字化。考古數(shù)字博物館的數(shù)字內(nèi)容式豐富，包括了文字錄入、拍照、錄像與錄音、三維建模等。

(1)文物的三維建模技術(shù)

采用三維掃描技術(shù)重構(gòu)高分辨率的三維虛擬文物。三維掃描的基本過程包括將物理物體的形狀和表面特征加以數(shù)字化，將多個(gè)部分模型融合成一個(gè)完整的模型并為模型貼上相應(yīng)的材質(zhì)，構(gòu)建出高分辨率的虛擬物體。由于山東大學(xué)考古數(shù)字化博物館重構(gòu)的都是珍貴文物，因此采用了加拿大InSpeck公司的InSpeck3D-DF(非接觸式的結(jié)構(gòu)光技術(shù))三維掃描儀對文物進(jìn)行三維掃描，完成了100余件文物珍品的三維建模。

(2)文物的復(fù)原技術(shù)

考古挖掘現(xiàn)場通常出土成千上萬的文物碎片，考古人員需要將其拼接成一個(gè)個(gè)完整的文物。這一工作主要靠手工完成，既耗費(fèi)時(shí)間，又容易破壞文物，因此我們研究采用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助完成文物修復(fù)。計(jì)算機(jī)輔助修復(fù)一般需要以下幾個(gè)主要步驟：①文物碎片的獲取，通過三維掃描技術(shù)獲取文物碎片的三維模型并進(jìn)行去噪等處理；②文物碎片分類，根據(jù)幾何特征和顏色紋理等信息，把來自同一文物的大量碎片歸為一類；③文物碎片拼接，在分類的基礎(chǔ)上對碎片進(jìn)行局部匹配和全局匹配；④文物修補(bǔ)，補(bǔ)全丟失的幾何和紋理信息。其中分類是拼接和修補(bǔ)的基礎(chǔ)。我們研究了修復(fù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提取旋轉(zhuǎn)體文物(很多文物一般都在旋轉(zhuǎn)盤上手工制成)的幾何特征和拼接方法，為考古人員拼接修復(fù)文物提供幫助。

(3)場景的三維建模技術(shù)

博物館建筑、古代墓葬遺址等場景需要采用合適的技術(shù)構(gòu)建三維模型。在建模過程中，像樓宇等較規(guī)則模型主要采用的是簡單幾何體并拼貼紋理的方法。為了加快構(gòu)建速度，我們采用計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)了虛擬博物館協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，支持不同知識(shí)背景的專家共同參與虛擬博物館的建設(shè)，對不同展廳進(jìn)行主題布展，在布展過程中也可使用協(xié)同工具交流、討論。

2數(shù)字內(nèi)容管理

文物信息管理系統(tǒng)是山東大學(xué)考古數(shù)字博物館的數(shù)字內(nèi)容管理軟件，可提供博物館多媒體信息(主要是文物信息)的錄入、檢索、修改以及輸出、系統(tǒng)安全管理，為文物展示、虛擬場景漫游以及博物館網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)支持。這些系統(tǒng)主要采用Sql Server數(shù)據(jù)庫后臺(tái)存儲(chǔ)相關(guān)信息，利用VB開發(fā)相應(yīng)的前臺(tái)管理程序。

(1)基于自然語言理解的檢索技術(shù)

系統(tǒng)主要提供兩種文物檢索方式：文字查詢和樹形檢索。文字查詢提供多種靈活的檢索方式，包括對文物不同字段信息的單獨(dú)或聯(lián)合檢索、模糊檢索等功能。還研究開發(fā)了基于自然語言理解的檢索技術(shù)，支持用戶輸入自然語言方式的查詢命令，通過一定的算法把用戶的輸入轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)SQL語句，從數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，也可在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行相關(guān)信息檢索。

(2)基于XML的數(shù)字博物館數(shù)據(jù)集成技術(shù)

海量數(shù)字化內(nèi)容在互聯(lián)網(wǎng)上的展示，不同數(shù)字博物館系統(tǒng)之間大量的數(shù)據(jù)交換，都要求對交換數(shù)據(jù)的內(nèi)容和表現(xiàn)方式有所說明。目前還沒有形成數(shù)字博物館的數(shù)據(jù)表示標(biāo)準(zhǔn)，基本的文物信息描述都還沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；各數(shù)字博物館之間缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約定，博物館間信息交互效率低下，資源共享困難。我們基于XML實(shí)現(xiàn)了數(shù)字博物館數(shù)據(jù)的集成，開展了文物數(shù)字信息的元數(shù)據(jù)模型及其XML表示、XML與數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)映射等工作?；谖奈镌獢?shù)據(jù)模型和XML文檔結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)庫中抽取對應(yīng)字段編寫成XML文檔，配合應(yīng)用樣式信息文件(XSL文件)，方便地實(shí)現(xiàn)了文檔網(wǎng)上發(fā)布；通過借助DTD識(shí)別XML文檔中的標(biāo)記，可以從標(biāo)準(zhǔn)格式的XML文檔中獲得需要的信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

3數(shù)字內(nèi)容展示

對于眾多的文物數(shù)字化內(nèi)容，我們采用了多種展示方式，如采用Flash動(dòng)畫演示文物的演變；采用VRML、全景圖等技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上顯示三維模型和場景；使用虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬博物館的漫游；使用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備上博物館數(shù)字內(nèi)容的展示等。

(1)基于多通道交互技術(shù)的博物館漫游

我們設(shè)計(jì)的虛擬場景漫游系統(tǒng)提供了基于VRML技術(shù)的網(wǎng)上三維展示與漫游和具有沉浸感的虛擬漫游兩種方式。在后者的設(shè)計(jì)中，我們采用了多通道交互技術(shù)加強(qiáng)沉浸感。虛擬場景建立后，在環(huán)境漫游過程中采用多通道人機(jī)界面增強(qiáng)沉浸感和交互的自然性。系統(tǒng)既支持固定路徑虛擬漫游，又支持用戶指定路徑的漫游。觀眾使用頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，在三維虛擬博物館漫游瀏覽、觀賞三維虛擬文物，也可利用手勢指定漫游路線、操縱文物模型。我們還建立了雙乳山漢墓虛擬漫游系統(tǒng)，觀眾也可使用頭盔、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，在雙乳山漢墓周圍及其內(nèi)部漫游。

在進(jìn)行復(fù)雜模型與場景的顯示時(shí)，利用LOD(levels of details)技術(shù)來提高顯示速度。LOD的基本原理是根據(jù)視點(diǎn)與物體之間的距離選擇繪制模型的精細(xì)程度，較遠(yuǎn)時(shí)選擇比較粗糙的模型，較近時(shí)選擇比較精細(xì)的模型，通過平滑過渡技術(shù)來顯示。在仿真管理器中，通過指定選擇模型的距離，根據(jù)視點(diǎn)離物體的遠(yuǎn)近自動(dòng)選擇要顯示的模型。

(2)基于全景圖技術(shù)的博物館漫游

基于照片的全景圖技術(shù)是一種快速生成、低成本的漫游手段。它通過全景照片的拼接，投影轉(zhuǎn)換到柱狀場景，實(shí)現(xiàn)真實(shí)感較強(qiáng)的瀏覽體驗(yàn)。在研究沉浸式交互的同時(shí)，我們用全景圖技術(shù)對博物館的真實(shí)內(nèi)部展覽場景(五個(gè)展廳)和校園外景實(shí)現(xiàn)了瀏覽，保證了全景展示的高質(zhì)量。

(3)基于RFID技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備的博物館內(nèi)容展示

我們還基于RFID技術(shù)，并利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器上的博物館內(nèi)容，支持用戶在實(shí)際博物館中通過移動(dòng)設(shè)備瀏覽當(dāng)前文物的數(shù)字內(nèi)容，了解更多的信息，可起到替代導(dǎo)游的作用。

4數(shù)字內(nèi)容安全

文物數(shù)字內(nèi)容包含文本、圖像、音頻、視頻、三維模型等多種媒體類型，需要進(jìn)行有效的數(shù)字版權(quán)保護(hù)。對此，我們研發(fā)了多種不同的數(shù)字水印技術(shù)，對圖像、三維模型等媒體信息進(jìn)行信息隱藏，以期達(dá)到數(shù)字版權(quán)保護(hù)的目的。

5其他

在考古數(shù)字博物館的建設(shè)中，我們還用到了其他一些技術(shù)。網(wǎng)站系統(tǒng)的可用性評估是其中之一。由于數(shù)字博物館的建設(shè)有其獨(dú)特性，博物館藏品眾多、資料豐富、形式多樣，如何使資源以最有效的形式展示給用戶，讓用戶在訪問中感到滿意，吸引更多的用戶來訪問，提高整個(gè)網(wǎng)站的可用性，都對數(shù)字博物館的建設(shè)有重要的影響。我們采用啟發(fā)式評估、放聲思考法及個(gè)別訪談法等工程研究方法對山東大學(xué)考古數(shù)字博物館網(wǎng)站的可用性、布局和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評估，對評估結(jié)果進(jìn)行分析，并根據(jù)評估結(jié)果不斷修改與完善。

6總結(jié)

在設(shè)計(jì)考古數(shù)字博物館時(shí)，我們充分考慮了文物數(shù)據(jù)數(shù)字化特點(diǎn)及當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，本著實(shí)用化原則，采用了網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字水印等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大量文物多媒體信息的數(shù)字化工作，并研發(fā)了多個(gè)系統(tǒng)軟件。到目前為止，山東大學(xué)考古數(shù)字博物館網(wǎng)站訪問量已超過7萬次，在實(shí)現(xiàn)資源共享、保護(hù)珍貴博物館資源、文化傳播與普及、考古教學(xué)與科研等方面都取得了很好的社會(huì)效益，受到廣泛贊譽(yù)。

目前，我們正在“中國數(shù)字科技館”子項(xiàng)目“數(shù)字上古科技信息博物館”項(xiàng)目資助下，在山東大學(xué)考古數(shù)字博物館的基礎(chǔ)上，基于部分已有的數(shù)字內(nèi)容，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)、游戲技術(shù)等，力爭再現(xiàn)上古時(shí)期的生產(chǎn)、生活場景，生動(dòng)地介紹上古時(shí)期的科技發(fā)展情況，更好地傳播、普及古代科技知識(shí)。