文化遗产数字化与云计算技术应用

黄健铭　苗禾

摘要：现阶段，考古及文物保护行业大部分仍为传统的工作手段，但随着现代信息化技术水平的不断提高，传统的考古及文物保护行业对于数字化的技术需求也越来越高，其中较重要的方向是云计算技术的引入。云计算在考古及文物保护数字化中具体有什么用处？目前其在保护、修复和传承分享文化遗产等方面的应用案例，说明云计算可以在文化遗产行业发展出非常多的不同的应用；借助先进的云计算技术对我国的文化遗产进行数字化、三维展示和信息保护，具有重要的现实意义。

关键词：文物保护；云计算；文物展示；协同会议；文化遗产数字化

一、云计算应用于遗产保护的背景

现在，文物考古专家们正在思考，能否通过现代技术，让普通公众既能了解历史，也能对文化遗产有更直观的认识。

文物属于不可再生资源，并且有一部分文物在出土后也难于长久保存。文物数字化保护技术的出现，为文物的保护展示开辟了新的途径。在文物的数字模型基础上，可以进行虚拟展示、文物修复、文物检索等研究，为文物的共享、传播与研究提供便利方式。其中较重要的方向是云计算技术的引入。

在图1中，技术人员对洛阳博物馆的镇馆之宝东汉石辟邪进行三维扫描，然后形成文物的三维模型。在文物的三维模型基础上，可以利用云计算技术进行虚拟展示、文物修复、文物管理等研究，由此可为文物的共享、传播与研究提供便利方式。

目前，云计算技术已经对各行各业产生了变革性的影响，是当前信息领域的一大热点。随着最近几年云计算技术的快速发展，数字化在考古及文物保护行业中的应用也有了新的进展。在“云计算”的影响下，数字信息获取、文化遗产数据库的建设，以及数据永久存储、大数据价值挖掘、分析和可视化研究、人工智能技术应用等高科技手段，为文化遗产的永久保存提供了可能，也让历经千年风雨的文化遗产凭借数字技术而“青春永驻”。

云计算技术在文化遗产保护中具体有什么用处？“能全方位、多角度体现文物的细节，减少实体文物的使用次数，从而达到文物保护的目的。同时它为文物保存了一份完整的数据，在文物意外受损时能根据这些数据进行修复，甚至还能在计算机中虚拟修复文物，避免直接不当修复造成的本体损害。文物研究者还可以运用现有的三维文物模型进行辅助研究。”正是因为数字三维技术的诸多优点，近年来，云计算、3D打印等先进科技已经广泛应用于文博领域。

二、云计算的技术特点

云计算（cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。因此，云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力。其具体的技术特点如下：

其一，无限的存储能力。云计算无限的存储能力为庞大复杂的文化遗产的数字化提供了可能。文化遗产的相关信息资料或程序都可上传至云端，使用者可以在任何时间、任何地方，通过任何可连网的设备连接到云端方便地存取信息资料或程序。

其二，无限的运算能力。当你将云计算真正用起来的时候，不要忽略它强大的运算能力。譬如我国的天河超级计算中心，就是利用了云计算技术强大的运算能力，所以可以做到世界第一的位置。天河超级计算中心在天津拥有几千台服务器，通过用CPU串联，来做一些庞大的数据运算。譬如在石油行业中，为了了解和模拟出地下数千米的地质构造，云计算中心会通过地震波反射方式来收集海量数据，一般二维数据可达1-2TB，三维数据更是高达几百TB甚至PB级，然后进行大量的密集计算和模拟，计算结果出来后还要转换成直观的可视画面，方便专家对数据进行解释，为油气钻井定位提供参考。所以，它基于此做了很多大数据的运算。

其三，按需付费。按需付费的原理就像人们日常用水一样，使用多少水资源便付多少相应的费用，同理，使用者仅需少量的费用便可使用到云计算技术。在中国，大部分的云计算中心是把中心空间租用给使用者，并按月结算，实际上这并不是真正意义的按需使用。为何按需使用非常重要？因为按需使用可以扶植很多的微小企业，其可以用非常低的价格，来使企业拥有云计算的能力。

三、云计算在文化遗产数字化上的应用分析

所谓文化遗产数字化，是指使用3D扫描设备或者是高精密的摄影器材等去完成不可移动文物或可移动文物的还原，或以其它技术手段来获取文物三维形体、纹理、质地、材料等数据信息，并将其存入到计算机当中，作为相应专业人员的研究资料。通过云计算技术可以实现永久地保存这些文物信息，减少人为因素对文物的损坏。更可以通过互联网快速地实现三维展示，使普通大众都能欣赏到文化遗产的魅力，并可有效地保证文物数据不泄露。

在研究文化遗产数字化的时候，我们在思考一个问题：如何让这些文物数据在受保护的状态下，在互联网上分享？于是我们基于云计算，搭建了一个全部在云端的渲染引擎，然后利用这个引擎，我们可以把所有的文物可视化。这其中很重要的一点是，我们把需要进行运算的数据全部放在云端，其中包括最为复杂的渲染运算，所以理论上不管文物的三维模型有多大，不管你的点云有多大，我们都可以将其放在云端来进行展示，所以无论多大的模型都可以在手机上进行浏览。

渲染引擎指通过云计算技术的基础上搭建的一套可以把三维模型进行材质、灯光、阴影模拟的实时云渲染系统。用户通过终端发出控制指令，服务器在收到用户发出的指令后即时完成三维模型的渲染任务，渲染结果画面实时传送回用户终端（手机、平板电脑、PC电脑）中并加以显示。云渲染系统要求服务器具备惊人的图形处理能力，否则无法满足大量用户同时的服务请求。

这里所指的三维模型显示的物体，可以是现实世界的实体，也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。利用建立好、或扫描文物的三维模型进行物体的材质、灯光、阴影等的模拟，最终输出至显示端。

1.文化遗产的三维数据分享

文化遗产的三维数据分享，能全方位、多角度体现文物的细节，减少实体文物的使用次数，从而达到保护文物的目的。同时它为文物保存了一份完整的数据，并可在互联网上进行公众分享。

在互联网上推出文物三维展示体验栏目，为文化遗产领域开辟了一个新的发展思路。虽然通过各种技术手段对文物信息、展览现场的数字化展示方式不能取代实体博物馆，但互联网打破时间、空间的局限实现更广泛的宣传和公众教育，是实体博物馆无法比拟的。网络展示手段多种多样，相对于其他多媒体技术，三维数字技术对于文物的表现力更为逼真。对于一些不宜长期向公众开放的文物或景点，可以将三维模型发布于网上，满足公众的网上虚拟浏览的需求。

图3中展示的是嵩山少室阙扫描后将文物的三维模型放至互联网上供游客、爱好者参观的成果，使用者可以在电脑/移动端上转动它，将它放大或缩小来观看细节部位。浏览者所看到的展示好像是在其电脑/移动端上面完成的，实际上并不是。浏览者看到的所有东西都只是一张张图片而已，云端根据浏览者的操作来进行图片回传分析，浏览者进行什么样的操作动作，云端便传回执行操作动作之后的图片。在三维模型上面，我们也可以做更多不同的运算，譬如画一下来进行标注，或者动态地剖切文物来浏览内部细节。所有的这些运算全部都是在服务器端完成的，并非在浏览者的电脑/移动端完成。

2.文化遗产数据的安全保护

智慧产权的保护对于我们来说是一件非常重要的事情。通过云计算技术，我们可以任意地分享三维数据，而不用担心三维数据被别人拿走。三维数据存储于云平台，非数据的所有者就只能在线浏览，无法通过各种途径私自下载或修改三维数据，这样便起到了对文化遗产知识产权的安全保护作用。

3.云计算技术的跨平台应用

由于三维数据的展示其本身仅是传递影像，也就是说对浏览者的硬件没有任何要求，只要能看照片、看电影，就能够看文物的三维数据。用户可在电脑、手机、平板等终端设备上轻松展示浏览三维数据，无需任何插件。

4.文化遗产的大模型浏览

图4是一个860兆的泰国雕塑群，我们通过手机在上面进行旋转、剖切等操作都没有任何问题，十分流畅。如果我们用传统的方法将其下载到本地读取的话，860兆的泰国雕塑群就相当于下载一个时长两小时的电影一样，会花费非常多的时间，并占用终端内存。现在一般互联网用户的习惯是，只要用户想获取的内容打开时间超过5秒钟，用户便对其失去兴趣了，所以这是一个最重要的关键技术。

5.合理利用计算机资源

在文物考古成果研究展示过程中，往往会有很多的相关资料需要添加，例如文字、视频、音频等内容，当这些内容结合三维模型之后，相关的数据量就会变得庞大起来。在过去云计算的使用过程中，一般都会以CPU作为处理核心，CPU在计算速度方面可以保证，但在处理资料量庞大而简单的运算时，GPU加速非常明显，可为CPU的数十倍甚至数百倍。如图5所示。

四、云计算的在文化遗产中的更多应用研究

基于云计算的技术特点，我们还可以在文化遗产行业中发展出非常多的不同的应用，这些应用可以为文物的数字化提供更加丰富的内容。

1.考古绘图

传统的考古调查、发掘和研究，都必须借助于绘图、照相、测量等技术手段，来编写简报、报告和撰写论文。考古绘图阶段往往需要大量专业人才来绘制，绘图过程中，对于尺寸比例、真实样貌还原等都有着极高的约束条件。往往一幅内容复杂的图可能需要绘制2-3天或者更久的时间，这样便不利于考古研究工作的快速进行以及出土文物的及时整理和保护。

利用云计算技术，我们开发了相应的考古绘图功能，可依据文物出土时扫描的三维模型快速出图，并真实地反映出土文物的大小形状、花纹和质地等。达到见图如见物的效果，为后续的科学研究提供可靠的资料（图6）。

2.六面视图功能

在考古发掘过程中，一处遗址/墓地往往会出土数百乃至数万件文物。工作人员一般会在文物出土之后，将文物和遗迹进行三维扫描，并存人数据库之中，然后由相应人员进行整理、修复等工作。但由于扫描存入数据库且需要处理的文物模型数量过多，导致工作人员会在拖动文物的三维模型查看细节时浪费大量时间，因此，使用六面视图功能可使工作人员快速进行工作（图7）。

3.文物遗产数字化管理系统

文化遗产数字化管理系统以3D文物为核心贯穿整个管理系统，实现基于3D文物的模型管理、文档管理、版本管理、流程管理等功能。在现代计算机系统中，用户的程序和数据，操作系统自身的程序和数据，甚至各种输出输入设备，都是以二维的、简单的文件形式出现，如文本文件，图片文件，音、视频文件等。但文化遗产内容的复杂度要远远高于现阶段的数据内容，文物的三维模型数据可承载文物更多的历史资料，并可通过文物模型的细节来展现文物之美，让文物得以更好、更久的留存。在文化遗产领域可视化、数字化管理，意味着管理者可以更好的掌控文件资料，例如，将扫描好的三维文物模型存入管理系统之中，管理者可以很快地了解出土文物的细节及价值，并可根据三维模型细节判断是否需要进行修复等工作。

现阶段，郑州考古研究院一直在使用这一套系统来管理他们计划进行数字化的全部发掘品。

4.文物三维数字修复及3D打印

很多的历史文物爱好者可能并不知道，秦始皇陵兵马俑和铜车马出土时，绝大部分已碎裂成片，我们所看到的完整文物陈列大都是文物修复师的劳动成果。30多年来，他们已经整理修复了1000多尊陶俑和2座铜车马。这个数字听起来不免让人心生担忧，因为据此推算，全部修复完兵马俑至少需要100年。很多小学生可能都等不到这支庞大的地下军团呈现全貌的那一刻了。

当然这是在计算机辅助文物修复系统出现之前的事。借助于该系统，文物的修复效率可提高数十倍。

通过三维扫描的方式，研究人员把碎片的外形曲线以及断裂面凹凸起伏的特征输入计算机。然后计算机会以一块较大的碎片为基础，对采集到的其他碎片样品逐一分析，直到找到吻合最完美的另一块碎片。这样不断比较下去，当一个陶俑各个部位的所有碎片都被找齐后，一个完整的陶俑排列图也就产生了。

不止于秦俑。几片瓷器残片经过扫描，几分钟后，电脑屏幕上就会“生长”出一只青花八宝葵形碗。同样是经过扫描，一幅被油漆刷子“糟蹋”过的古代字画在电脑里重获新生（图8）。

采用三维修复技术进行文物补全，是对物体空间外形、结构、色彩、缺失部位进行扫描，实现非接触测量。通过计算机程序的测算，获取精确的损失部位三维数据，从而复原得到完整的三维数字模型。并通文物材质分析，借助3D打印机，制作出损失部位，达成科学化的文物修复方式，不仅速度快，精度高，而且大大避免的文物的二次伤害（图9）。

5.文化遗产数字化协同会议

数字化协同会议是以文物三维模型为核心内容，可支持浏览各种资料文件，任何人可直接在平台之上基于文物的三维模型来和其他人交流讨论。在这个会议平台上你可以和美国、日本的专家学者开会，这样便可打破时间和空间的壁垒，为更加快捷高效的工作提供条件。在会议进行中，与会者可以任意操作/读取文物三维模型或其相关资料，系统会在与会者之间实时同步模型或资料状态，当任一与会者对模型或文档进行信息点标注时，其他与会者随时看到相应更新。基于此信息点，与会者可以使用视频、语音、文字、图片等方式进行讨论。另外会议中，大家可以用文字和语音进行交流。会议对话内容会在结束会议后自动保存，并可编辑。

结语

文化遗产是人类社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹。各类文物从不同的侧面反映了各个历史时期人类的社会活动、社会关系、意识形态以及利用自然、改造自然和当时生态环境的状况，是人类宝贵的历史文化遗产。

云计算技术是计算机网络中的高新技术，极大影响着信息服务的模式，也会影响到文化遗产的数字化前景。借助先进的云计算技术来对我国的文化遗产进行数字化、三维展示和信息保护具有重要的现实意义。

（责任编辑：孙秀丽）