文 圖/熊葉洲 趙惠杰

穿越時空的視覺盛宴基于可視化技術(shù)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(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實的結(jié)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(xué)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(shù)領(lǐng)導(dǎo)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(chǔ)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(shù)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(shù)將抽象的、復(fù)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(xué)科交叉領(lǐng)域，它涉及計算機圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、人工智能等多個學(xué)科領(lǐng)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(wù)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(shù)研究起步較早、發(fā)展較快，應(yīng)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(yīng)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(shù)研究最具代表性。2014年，日本筑波大學(xué)等組成的科研小組宣布觀測核反應(yīng)堆內(nèi)部狀況的可視化實驗成功。2015年，日本大阪大學(xué)教授石井優(yōu)領(lǐng)導(dǎo)的科研小組成功研發(fā)癌細胞可視化技術(shù)。

我國的信息可視化技術(shù)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(shè)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(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。1992年，浙江大學(xué)計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)（CAD&CG）國家重點實驗室建成，重點研究虛擬環(huán)境的高效構(gòu)建和呈現(xiàn)、自然人機交互技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)。2008年，北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(shù)、虛擬現(xiàn)實的平臺工具與系統(tǒng)；開發(fā)了一批應(yīng)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(shù)的應(yīng)用已擴展到科研、軍工、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟、民生等各個領(lǐng)域。

故宮端門數(shù)字館

在考古學(xué)中的應(yīng)用——詮釋數(shù)據(jù)立體美

新時代的考古學(xué)不再局限在學(xué)術(shù)“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(xué)必須緊跟科技的步伐?？脊艑W(xué)與信息可視化技術(shù)相結(jié)合，簡潔明朗地解釋考古學(xué)中晦澀難懂的專業(yè)術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)與傳統(tǒng)文化遺產(chǎn)展示與保護相結(jié)合，真正實現(xiàn)了沉浸式博物館構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)運而生。

CyArk是在美國加利福尼亞州的非營利慈善機構(gòu)，宗旨是依靠激光掃描和3D建模技術(shù)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(shù)（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。”一言以蔽之，“CyArk給世界帶來了3D激光掃描技術(shù)，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(xué)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(gòu)成，石質(zhì)疏松，常年的風(fēng)力和雨水侵蝕，令石窟極易風(fēng)化剝落。因此，浙江大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院副教授刁常宇領(lǐng)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(gòu)系統(tǒng)”。工作流程是首先進行數(shù)據(jù)采集，在適當(dāng)?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(shù)成功改變了遺跡退化的不可逆轉(zhuǎn)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(shù)復(fù)原的蒂卡爾寺

信息可視化技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(shù)在考古學(xué)的應(yīng)用中也存在一些問題。首先，傳統(tǒng)的考古團隊缺少相關(guān)的技術(shù)知識和技術(shù)培訓(xùn)，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(shù)人員也同樣缺少相關(guān)的考古學(xué)知識，這使得復(fù)原的遺物遺跡不能完全體現(xiàn)其背后隱藏的考古學(xué)意義。再次，我國的信息可視化進程起步較晚，在考古學(xué)中的應(yīng)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(dǎo)向的多學(xué)科協(xié)同合作缺乏系統(tǒng)的操作模式和操作原則?？梢暬幕z產(chǎn)作為一個新興的文化領(lǐng)域，其中各個子域（包括計算機技術(shù)領(lǐng)域、信息設(shè)計領(lǐng)域、文博領(lǐng)域）策劃缺乏整體性。文化遺產(chǎn)的可視化保護，不僅關(guān)系到國家經(jīng)濟的發(fā)展，更關(guān)系到中華文明的傳承和社會穩(wěn)定。我們應(yīng)當(dāng)揚長避短，不斷開發(fā)新信息可視化技術(shù)，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(xué)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(xué)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(shù)所碰撞出的花火，可以照亮未來考古學(xué)發(fā)展的道路，促使考古學(xué)走向社會大眾，真正實現(xiàn)考古學(xué)公共化。文化遺產(chǎn)是全世界人民智慧的結(jié)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(fù)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(shè)。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(shè)及共享”項目的中期成果，特此感謝。

（作者均為吉林大學(xué)邊疆考古研究中心碩士研究生）