文化遺產數字化與云計算技術應用

黃健銘　苗禾

摘要：現階段，考古及文物保護行業大部分仍為傳統的工作手段，但隨著現代信息化技術水平的不斷提高，傳統的考古及文物保護行業對于數字化的技術需求也越來越高，其中較重要的方向是云計算技術的引入。云計算在考古及文物保護數字化中具體有什么用處？目前其在保護、修復和傳承分享文化遺產等方面的應用案例，說明云計算可以在文化遺產行業發展出非常多的不同的應用；借助先進的云計算技術對我國的文化遺產進行數字化、三維展示和信息保護，具有重要的現實意義。

關鍵詞：文物保護；云計算；文物展示；協同會議；文化遺產數字化

一、云計算應用于遺產保護的背景

現在，文物考古專家們正在思考，能否通過現代技術，讓普通公眾既能了解歷史，也能對文化遺產有更直觀的認識。

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久保存。文物數字化保護技術的出現，為文物的保護展示開辟了新的途徑。在文物的數字模型基礎上，可以進行虛擬展示、文物修復、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算技術的引入。

在圖1中，技術人員對洛陽博物館的鎮館之寶東漢石辟邪進行三維掃描，然后形成文物的三維模型。在文物的三維模型基礎上，可以利用云計算技術進行虛擬展示、文物修復、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，云計算技術已經對各行各業產生了變革性的影響，是當前信息領域的一大熱點。隨著最近幾年云計算技術的快速發展，數字化在考古及文物保護行業中的應用也有了新的進展。在“云計算”的影響下，數字信息獲取、文化遺產數據庫的建設，以及數據永久存儲、大數據價值挖掘、分析和可視化研究、人工智能技術應用等高科技手段，為文化遺產的永久保存提供了可能，也讓歷經千年風雨的文化遺產憑借數字技術而“青春永駐”。

云計算技術在文化遺產保護中具體有什么用處？“能全方位、多角度體現文物的細節，減少實體文物的使用次數，從而達到文物保護的目的。同時它為文物保存了一份完整的數據，在文物意外受損時能根據這些數據進行修復，甚至還能在計算機中虛擬修復文物，避免直接不當修復造成的本體損害。文物研究者還可以運用現有的三維文物模型進行輔助研究。”正是因為數字三維技術的諸多優點，近年來，云計算、3D打印等先進科技已經廣泛應用于文博領域。

二、云計算的技術特點

云計算（cloud computing）是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云是網絡、互聯網的一種比喻說法。過去在圖中往往用云來表示電信網，后來也用來表示互聯網和底層基礎設施的抽象。因此，云計算甚至可以讓你體驗每秒10萬億次的運算能力。其具體的技術特點如下：

其一，無限的存儲能力。云計算無限的存儲能力為龐大復雜的文化遺產的數字化提供了可能。文化遺產的相關信息資料或程序都可上傳至云端，使用者可以在任何時間、任何地方，通過任何可連網的設備連接到云端方便地存取信息資料或程序。

其二，無限的運算能力。當你將云計算真正用起來的時候，不要忽略它強大的運算能力。譬如我國的天河超級計算中心，就是利用了云計算技術強大的運算能力，所以可以做到世界第一的位置。天河超級計算中心在天津擁有幾千臺服務器，通過用CPU串聯，來做一些龐大的數據運算。譬如在石油行業中，為了了解和模擬出地下數千米的地質構造，云計算中心會通過地震波反射方式來收集海量數據，一般二維數據可達1-2TB，三維數據更是高達幾百TB甚至PB級，然后進行大量的密集計算和模擬，計算結果出來后還要轉換成直觀的可視畫面，方便專家對數據進行解釋，為油氣鉆井定位提供參考。所以，它基于此做了很多大數據的運算。

其三，按需付費。按需付費的原理就像人們日常用水一樣，使用多少水資源便付多少相應的費用，同理，使用者僅需少量的費用便可使用到云計算技術。在中國，大部分的云計算中心是把中心空間租用給使用者，并按月結算，實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？因為按需使用可以扶植很多的微小企業，其可以用非常低的價格，來使企業擁有云計算的能力。

三、云計算在文化遺產數字化上的應用分析

所謂文化遺產數字化，是指使用3D掃描設備或者是高精密的攝影器材等去完成不可移動文物或可移動文物的還原，或以其它技術手段來獲取文物三維形體、紋理、質地、材料等數據信息，并將其存入到計算機當中，作為相應專業人員的研究資料。通過云計算技術可以實現永久地保存這些文物信息，減少人為因素對文物的損壞。更可以通過互聯網快速地實現三維展示，使普通大眾都能欣賞到文化遺產的魅力，并可有效地保證文物數據不泄露。

在研究文化遺產數字化的時候，我們在思考一個問題：如何讓這些文物數據在受保護的狀態下，在互聯網上分享？于是我們基于云計算，搭建了一個全部在云端的渲染引擎，然后利用這個引擎，我們可以把所有的文物可視化。這其中很重要的一點是，我們把需要進行運算的數據全部放在云端，其中包括最為復雜的渲染運算，所以理論上不管文物的三維模型有多大，不管你的點云有多大，我們都可以將其放在云端來進行展示，所以無論多大的模型都可以在手機上進行瀏覽。

渲染引擎指通過云計算技術的基礎上搭建的一套可以把三維模型進行材質、燈光、陰影模擬的實時云渲染系統。用戶通過終端發出控制指令，服務器在收到用戶發出的指令后即時完成三維模型的渲染任務，渲染結果畫面實時傳送回用戶終端（手機、平板電腦、PC電腦）中并加以顯示。云渲染系統要求服務器具備驚人的圖形處理能力，否則無法滿足大量用戶同時的服務請求。

這里所指的三維模型顯示的物體，可以是現實世界的實體，也可以是虛構的物體。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行物體的材質、燈光、陰影等的模擬，最終輸出至顯示端。

1.文化遺產的三維數據分享

文化遺產的三維數據分享，能全方位、多角度體現文物的細節，減少實體文物的使用次數，從而達到保護文物的目的。同時它為文物保存了一份完整的數據，并可在互聯網上進行公眾分享。

在互聯網上推出文物三維展示體驗欄目，為文化遺產領域開辟了一個新的發展思路。雖然通過各種技術手段對文物信息、展覽現場的數字化展示方式不能取代實體博物館，但互聯網打破時間、空間的局限實現更廣泛的宣傳和公眾教育，是實體博物館無法比擬的。網絡展示手段多種多樣，相對于其他多媒體技術，三維數字技術對于文物的表現力更為逼真。對于一些不宜長期向公眾開放的文物或景點，可以將三維模型發布于網上，滿足公眾的網上虛擬瀏覽的需求。

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網上供游客、愛好者參觀的成果，使用者可以在電腦/移動端上轉動它，將它放大或縮小來觀看細節部位。瀏覽者所看到的展示好像是在其電腦/移動端上面完成的，實際上并不是。瀏覽者看到的所有東西都只是一張張圖片而已，云端根據瀏覽者的操作來進行圖片回傳分析，瀏覽者進行什么樣的操作動作，云端便傳回執行操作動作之后的圖片。在三維模型上面，我們也可以做更多不同的運算，譬如畫一下來進行標注，或者動態地剖切文物來瀏覽內部細節。所有的這些運算全部都是在服務器端完成的，并非在瀏覽者的電腦/移動端完成。

2.文化遺產數據的安全保護

智慧產權的保護對于我們來說是一件非常重要的事情。通過云計算技術，我們可以任意地分享三維數據，而不用擔心三維數據被別人拿走。三維數據存儲于云平臺，非數據的所有者就只能在線瀏覽，無法通過各種途徑私自下載或修改三維數據，這樣便起到了對文化遺產知識產權的安全保護作用。

3.云計算技術的跨平臺應用

由于三維數據的展示其本身僅是傳遞影像，也就是說對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據。用戶可在電腦、手機、平板等終端設備上輕松展示瀏覽三維數據，無需任何插件。

4.文化遺產的大模型瀏覽

圖4是一個860兆的泰國雕塑群，我們通過手機在上面進行旋轉、剖切等操作都沒有任何問題，十分流暢。如果我們用傳統的方法將其下載到本地讀取的話，860兆的泰國雕塑群就相當于下載一個時長兩小時的電影一樣，會花費非常多的時間，并占用終端內存。現在一般互聯網用戶的習慣是，只要用戶想獲取的內容打開時間超過5秒鐘，用戶便對其失去興趣了，所以這是一個最重要的關鍵技術。

5.合理利用計算機資源

在文物考古成果研究展示過程中，往往會有很多的相關資料需要添加，例如文字、視頻、音頻等內容，當這些內容結合三維模型之后，相關的數據量就會變得龐大起來。在過去云計算的使用過程中，一般都會以CPU作為處理核心，CPU在計算速度方面可以保證，但在處理資料量龐大而簡單的運算時，GPU加速非常明顯，可為CPU的數十倍甚至數百倍。如圖5所示。

四、云計算的在文化遺產中的更多應用研究

基于云計算的技術特點，我們還可以在文化遺產行業中發展出非常多的不同的應用，這些應用可以為文物的數字化提供更加豐富的內容。

1.考古繪圖

傳統的考古調查、發掘和研究，都必須借助于繪圖、照相、測量等技術手段，來編寫簡報、報告和撰寫論文。考古繪圖階段往往需要大量專業人才來繪制，繪圖過程中，對于尺寸比例、真實樣貌還原等都有著極高的約束條件。往往一幅內容復雜的圖可能需要繪制2-3天或者更久的時間，這樣便不利于考古研究工作的快速進行以及出土文物的及時整理和保護。

利用云計算技術，我們開發了相應的考古繪圖功能，可依據文物出土時掃描的三維模型快速出圖，并真實地反映出土文物的大小形狀、花紋和質地等。達到見圖如見物的效果，為后續的科學研究提供可靠的資料（圖6）。

2.六面視圖功能

在考古發掘過程中，一處遺址/墓地往往會出土數百乃至數萬件文物。工作人員一般會在文物出土之后，將文物和遺跡進行三維掃描，并存人數據庫之中，然后由相應人員進行整理、修復等工作。但由于掃描存入數據庫且需要處理的文物模型數量過多，導致工作人員會在拖動文物的三維模型查看細節時浪費大量時間，因此，使用六面視圖功能可使工作人員快速進行工作（圖7）。

3.文物遺產數字化管理系統

文化遺產數字化管理系統以3D文物為核心貫穿整個管理系統，實現基于3D文物的模型管理、文檔管理、版本管理、流程管理等功能。在現代計算機系統中，用戶的程序和數據，操作系統自身的程序和數據，甚至各種輸出輸入設備，都是以二維的、簡單的文件形式出現，如文本文件，圖片文件，音、視頻文件等。但文化遺產內容的復雜度要遠遠高于現階段的數據內容，文物的三維模型數據可承載文物更多的歷史資料，并可通過文物模型的細節來展現文物之美，讓文物得以更好、更久的留存。在文化遺產領域可視化、數字化管理，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之中，管理者可以很快地了解出土文物的細節及價值，并可根據三維模型細節判斷是否需要進行修復等工作。

現階段，鄭州考古研究院一直在使用這一套系統來管理他們計劃進行數字化的全部發掘品。

4.文物三維數字修復及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時，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師的勞動成果。30多年來，他們已經整理修復了1000多尊陶俑和2座銅車馬。這個數字聽起來不免讓人心生擔憂，因為據此推算，全部修復完兵馬俑至少需要100年。很多小學生可能都等不到這支龐大的地下軍團呈現全貌的那一刻了。

當然這是在計算機輔助文物修復系統出現之前的事。借助于該系統，文物的修復效率可提高數十倍。

通過三維掃描的方式，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算機。然后計算機會以一塊較大的碎片為基礎，對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，當一個陶俑各個部位的所有碎片都被找齊后，一個完整的陶俑排列圖也就產生了。

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

采用三維修復技術進行文物補全，是對物體空間外形、結構、色彩、缺失部位進行掃描，實現非接觸測量。通過計算機程序的測算，獲取精確的損失部位三維數據，從而復原得到完整的三維數字模型。并通文物材質分析，借助3D打印機，制作出損失部位，達成科學化的文物修復方式，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.文化遺產數字化協同會議

數字化協同會議是以文物三維模型為核心內容，可支持瀏覽各種資料文件，任何人可直接在平臺之上基于文物的三維模型來和其他人交流討論。在這個會議平臺上你可以和美國、日本的專家學者開會，這樣便可打破時間和空間的壁壘，為更加快捷高效的工作提供條件。在會議進行中，與會者可以任意操作/讀取文物三維模型或其相關資料，系統會在與會者之間實時同步模型或資料狀態，當任一與會者對模型或文檔進行信息點標注時，其他與會者隨時看到相應更新。基于此信息點，與會者可以使用視頻、語音、文字、圖片等方式進行討論。另外會議中，大家可以用文字和語音進行交流。會議對話內容會在結束會議后自動保存，并可編輯。

結語

文化遺產是人類社會活動中遺留下來的具有歷史、藝術、科學價值的遺物和遺跡。各類文物從不同的側面反映了各個歷史時期人類的社會活動、社會關系、意識形態以及利用自然、改造自然和當時生態環境的狀況，是人類寶貴的歷史文化遺產。

云計算技術是計算機網絡中的高新技術，極大影響著信息服務的模式，也會影響到文化遺產的數字化前景。借助先進的云計算技術來對我國的文化遺產進行數字化、三維展示和信息保護具有重要的現實意義。

（責任編輯：孫秀麗）