“我希望有一天人們來到西安，能夠通過信息科學技術成果，穿越時空身臨其境地感受到漢唐長安的盛世輝煌。”

耿國華，文化遺產數字化國家地方聯合工程研究中心主任，西北大學教授。研究方向涉及智能信息處理、模式識別、圖像處理等。

唐公主李倕頭像修復圖現世

▲ 唐公主李倕顱骨面貌復原圖（左）

唐公主李倕棺槨頭顱遺骸（右）

2010年，中德兩國專家利用出土的佩飾實物修復了公主精美絕倫的頭冠。但這頭冠究竟戴在什么模樣的美人頭上，更讓所有人倍感好奇。史料上對這位早逝的公主并無多少圖文記載，留存在世的也僅有棺槨中的遺骸。

為解開這個千年之謎，陜西省考古研究院找到了國內非常權威的文物虛擬修復專家，來自北京師范大學信息科學與技術學院的院長周明全教授以及擁有多年陜西文物數字保護經驗的耿國華教授。

來自兩所大學的科研團隊，通過他們自己研制出的軟件，重構出公主的三維顱骨，并利用“計算機顱面復原軟件”技術復原了三維頭像。隨后，他們又根據中國古代頭飾禮儀，對已經復原的頭冠進行數字化修復。

經過一年多的努力，唐公主李倕的容顏終于得以完整再現，其華冠鋪紅疊翠，雍容華貴，其容貌秀麗端莊，恬靜賢淑，甚至還有一絲桀驁不馴的勁頭，一個帝王之家的公主形象，栩栩如生，呼之欲出。

實際上，“顱面復原”并不是考古學中的新鮮事物，耿教授介紹說，早在1895年德國科學家就提出了根據遺存顱骨復原其生前面貌的可能性并付諸實踐。但樣本尸骨量極少，專家才能復原，這種傳統復原方法并不具備推廣價值。

隨著CT、三維掃描設備的普及應用，提供了獲取現代人顱面軟組織厚度的途徑。計算機顱面復原技術是利用CT或三維掃描設備對顱骨數字化，然后基于顱面數據庫來復原未知面貌。

從1996年開始，周明全和耿國華教授就帶領西北大學的科研人員建起了“中國人顱面數據庫”，這不僅開創了國內此領域的先河，數據庫中收集的2000多例現代人顱面數據信息，也是中國乃至世界最豐富最有代表性的顱面數據庫。

以“顱面數據庫”的建立為支撐，以自主研發的“顱面復原軟件”為抓手，逐步形成了“顱面形態信息學”的體系。這種技術的進步在于基于科學數據揭示規律，將其應用在古人顱骨面貌復原上，基于現代人軟組織厚度精準地復原著名古代人物的容貌。精準是科學家們的準繩。

“數字考古”由理想邁入現實

“文化遺產數字化”的重要意義在于保護文物和傳承文化，支持考古學家進行更深入的研究。

考古連接著過去與現在，耿教授告訴我們，考古發掘本身就是遺跡不斷被損毀的過程，但有了計算機三維保存與展示，首先是考古專家可以從不同角度觀察遺跡的局部或整體，后期的研究和分析也可以在虛擬的三維模型上進行，而不用直接接觸文物。

其次，三維模型數據可以全面記錄文物的空間信息，幫助將考古信息進行綜合整理和歸類。而對于普通觀眾來說，逼真的三維模型更易于理解和接受，便于公眾對文化遺產的認知和關注。

盡管在人們傳統的印象中，信息科技未來感十足，而考古學充滿了歷史的灰塵，但舉著信息技術的火把進入歷史的秘境，用計算機的語言在時光的隧道中自由穿梭，這樣的“穿越”工作，耿國華教授已經從事了三十余年。

上個世紀九十年代，隨著計算機圖形技術的迅猛發展，“數字考古”的概念逐漸引起了考古學界的重視，利用計算機技術來展示文物、進行數據存檔，開始被考古學者們所接納和采用。

1996年，陜西省兵馬俑博物館積極擁抱“數字化”浪潮，希望西北大學的專家能夠對博物館中的文字資料進行數字化管理。走進博物館的遺址現場，看到散落在地的文物碎片和缺胳膊少腿的兵馬俑，長期從事信息技術研究的耿國華敏銳地捕捉到三維技術在考古領域的應用前景。她與周教授一起嘗試對兵馬俑遺址進行三維建模和文物的虛擬修復。

▲ 唐公主李倕顱骨面貌復原圖（左）

唐公主李倕棺槨頭顱遺骸（右）

想法很美好，但現實卻很“骨感”。首先，三維技術在當時也屬于計算機圖形技術中的新興門類，技術上的薄弱是耿國華首先要攻克的對象。其次，經費上的不足也讓他們常常捉襟見肘，只能從其他項目中擠擠牙縫。但文物遺跡就在那里，耿國華心里只有一個想法，堅持做下去，讓這些歷史文物重現它們本來的面貌。

成功虛擬復原“泡釘俑”

2009年，兵馬俑一號坑進行了舉世矚目的第三次發掘。在K9901陪葬坑百戲俑坑中，考古專家們發現了此前從未見過的新俑種。與以前出土的百戲俑都是上身赤裸下身著裳不同，這件俑身著式樣獨特的上衣。其上面布滿了排列有序且直徑在3.5厘米左右的圓泡，泡釘周圍還有彩繪紋樣，而且其穿衣方式與古人一般的右開襟不同，它的開襟是在后面，專家們將其命名為“泡釘俑”。

新俑種的發現讓考古學家們欣喜不已，但要讓殘破成數百上千塊的陶俑復原成本來的樣貌，“就像把一百個碗摔到地上，碎成碎片，再撿起來把它拼接完整”，是一件極其耗費人力和時間的事情，檢驗耿國華虛擬復原方案的時候到了。

耿國華和她的團隊首先采用三維掃描技術獲得文物碎片的輪廓曲面數據，利用軟件將這些散亂數據點進行網格化，得到三角網格數據。通過在大量無規則的破損碎片中尋找碎片之間的拓撲關系，利用空間曲線匹配技術，進行搜索匹配，從而確定匹配結果，然后再進行拼接。

利用計算機超高的數據處理能力，一個破裂成數百塊碎片的陶俑完成虛擬拼接只需要1小時。用虛擬復原結果指導人工實體修復，理論上能夠達到1天修復1個秦俑的速度。具有極大考古價值的“泡釘俑”的虛擬復原模型鮮活地呈現在人們面前，它先于實體復原，指導其后的“泡釘俑”實體復原過程。

不僅有“泡釘俑”的成功復原，耿國華和團隊成員還虛擬復原了一號坑的一批珍貴文物。其中一號坑的右驂馬雖有百余片，2011年就已建有虛擬復原模型供研究與展示，但截止2017年還未實體復原。他們參與到秦始皇帝陵博物院數字化建模和三維全景掃描等項目中，用數字化的手段輔助考古挖掘和文物研究。

▲ 兵馬俑一號坑右驂馬虛擬復原模型

（至今未實體復原，100余片）

二十多年堅持“文物數字化”的交叉研究，從自掏腰包做項目，到承擔博物館行業單位的重要項目，到獲得國家部委項目的大力支持，耿國華見證著數字化考古和實體保護工作的并軌實施在我國發展歷程。

2014年，“文化遺產數字化國家地方聯合工程研究中心”正式在西北大學掛牌成立。作為文化遺產數字化保護領域的唯一國家級別的工程研究中心，擔任中心主任的耿國華深感前路廣闊，責任重大。

“不是所有人都需要成為歷史學家、考古專家，但對于歷史的了解，對于優秀的中華文化，我們每一個人都有需求，也有責任去傳承。”在耿國華看來，作為一種技術手段的信息科學，就正是這樣一個人人都能觸及的工具和平臺。

目前，耿國華的團隊正在致力于研究長安古城的復原，他們將綜合運用GPS、VR等科技來幫助人們判斷其在長安城中所處的位置和古人有怎樣的淵源，從而能讓人們更深入地感受歷史，體驗歷史，傳承文化。未來，他們的研究目標還將覆蓋古絲綢之路沿線的諸多歷史遺址。

從教38年，碩果累累

回顧自己的研究生涯，耿國華感慨人生的際遇就像文物修復工作一樣，實際上充滿了未知。耿國華對學生們說，“我們這一代人在求學和工作時，實際上是沒有什么選擇的，國家利益高于一切。”但也許正是別無選擇，她便選擇熱愛當下的事業和研究，唯有專注和堅持，才能不負青春，不負這份事業的重托。

從西北大學數學系畢業的耿國華，教授計算機課程38年。盡管計算機學科需要數學思維的指導，但更注重技術性和構造性，耿國華憑著一股鉆研的韌勁兒和全身心地投入，不斷琢磨新的教學方法和教學理念。

她提出并實施了“指導-大運動量實踐-反饋”教學法，在軟件人才培養中發揮了重要作用，主持帶領的“計算機專業基礎核心課程”國家教學團隊建設，主持獲得3項國家教學成果獎，在國內產生了重要影響，所主持的“計算機基礎”“數據結構”兩門課程均獲國家精品課程、國家精品資源共享課程，她本人也榮獲“國家教學名師”、“萬人計劃領軍人才”的稱號。

和當初“別無選擇”的自己相比，耿國華教授對于自己的學生們寬容很多。在計算機信息技術成為熱門學科的今天，她并不苛求學生們都像她一樣埋首科研潛心教學，但她常常告誡他們，不管今后從事什么職業，“任何事情都不是一蹴而就，都需要明確目標，下定決心，持之以恒。既然選擇了遠方，便只顧風雨兼程。而做科學研究，尤其如此。”用信息之手助力文化遺產保護傳承，耿教授和同行們正在奮力前行。

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