尋秦記

2024年11月，在西安交通大學(xué)開(kāi)賽的第十四屆“挑戰(zhàn)杯”秦創(chuàng)原中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽全國(guó)決賽中，來(lái)自北京建筑大學(xué)“尋秦記”項(xiàng)目組的同學(xué)們一舉拿下金獎(jiǎng)。運(yùn)用算法，他們讓秦兵馬俑的修復(fù)工作變得更加高效、精確。作為對(duì)傳統(tǒng)工藝的補(bǔ)充，這不僅為西安的文化遺產(chǎn)保護(hù)工作注入新的活力，也為“博物館之城”建設(shè)提供了強(qiáng)有力的支撐。

兵馬俑拼接的堵點(diǎn)

第一次見(jiàn)到秦兵馬俑碎片時(shí)，我?guī)缀醪桓蚁嘈抛约旱难劬?。我?shí)在無(wú)法把眼前這些支離破碎的陶片和我印象中擁有威武雄壯的軍容、堅(jiān)不可摧的陣勢(shì)以及設(shè)計(jì)精良的武備，號(hào)稱(chēng)“世界第八大奇跡”的秦兵馬俑相提并論。眼前的這些殘片實(shí)在太細(xì)碎了，有的甚至不足1克。如果把它們放到土堆中，我想普通人應(yīng)該很難看出有什么特別之處。

然而，秦始皇帝陵博物院的工作人員告訴我們，秦兵馬俑剛剛出土之時(shí)，由于遭遇焚毀劫掠，加上2000多年的覆土重壓以及受地下水和各種鹽類(lèi)的腐蝕，所有的陶俑均受到了不同程度的破壞，它們是以幾乎“粉身碎骨”的狀態(tài)面世的。50年來(lái)，為了讓這支沉睡了2000多年的“地下兵團(tuán)”能完整清晰地呈現(xiàn)在世人眼前，無(wú)數(shù)考古專(zhuān)家為此付出了巨大的時(shí)間和心血。

由于碎片和殘件太過(guò)散碎，當(dāng)時(shí)考古人員要用鐵篩子，如同沙里淘金般，一遍又一遍將泥土上篩，把所有部件收羅齊全。而將這些零碎殘破的陶塊修整復(fù)原成體高身重的秦兵馬俑，就更不易了。工作人員要先利用舊鐵釘、廢鋸條等充當(dāng)工具完成陶塊的初步清潔工作，再采用殘磚、破瓦試驗(yàn)黏接效果：黏接小塊時(shí)利用木箱、砂土作固定器，拼接大塊時(shí)則用麻繩、木棍絞緊捆牢。為了使修整復(fù)原后的秦兵馬俑保持原樣不走形，他們必須保證每一黏接處都嚴(yán)絲合縫。秦兵馬俑的碎塊多，不可能一次全部黏接好，必須由小拼大、由腳到頭，如拼積木般，一點(diǎn)點(diǎn)逐步黏接……目前已發(fā)掘的秦兵馬俑來(lái)自3個(gè)大小不同的俑坑，這些俑坑總面積近2萬(wàn)平方米，坑內(nèi)共有同真人、真馬大小相近的陶俑、陶馬約8000件，實(shí)用兵器數(shù)以萬(wàn)計(jì)，可以想見(jiàn)文物修復(fù)工作難度之大。

在調(diào)研中，我們了解到在秦兵馬俑考古發(fā)掘的這50年間，為了將一堆堆的殘件、碎片拼接、修復(fù)成型，其修復(fù)手段先后歷經(jīng)了從手動(dòng)紋理比對(duì)到圖像技術(shù)輔助，再到點(diǎn)云三維掃描的技術(shù)革新。但目前文物修復(fù)專(zhuān)家依然面臨著殘片數(shù)量多、拼接周期長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低等挑戰(zhàn)，且現(xiàn)有技術(shù)并不能有效解決上述問(wèn)題，這是嚴(yán)重阻礙秦兵馬俑拼接修復(fù)進(jìn)程的堵點(diǎn)之一。

點(diǎn)云拼接法

我所在的北建大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的核心能力，是通過(guò)對(duì)PointNet++深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用，對(duì)大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而篩選出關(guān)鍵的缺口點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的“減肥”，我們能將原本的50萬(wàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)縮減到500點(diǎn)，兼顧了運(yùn)算時(shí)間與準(zhǔn)確率。不曾想到，這一創(chuàng)新技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)中也能展現(xiàn)出巨大的潛力。

為了解決秦兵馬俑殘片拼接這一世界級(jí)難題，自2020年起，我們組建“尋秦記”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，與秦始皇帝陵博物院建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系。我們多次到秦兵馬俑考古現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展調(diào)研，前后采集了1200塊殘片信息，建立了秦兵馬俑殘片數(shù)據(jù)庫(kù)。4年間，在各類(lèi)算法的不斷試錯(cuò)、優(yōu)化、推翻、重建后，我們提出了一種成熟的秦兵馬俑殘片自拼接算法，通過(guò)深度學(xué)習(xí)與頂峰淹沒(méi)搜索算法相結(jié)合的點(diǎn)云拼接方法，大幅提高了拼接效率和準(zhǔn)確性。

這套算法的基本原理是先固定住一個(gè)殘片，然后用另一個(gè)殘片旋轉(zhuǎn)靠近，尋找最佳拼接位置，最后以點(diǎn)云平均間距來(lái)判斷拼接結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，我們的技術(shù)具備用時(shí)短、應(yīng)用范圍廣、拼接效果好的優(yōu)勢(shì)。它的包容性比較強(qiáng)，不僅可以拼秦兵馬俑，理論上來(lái)說(shuō)只要是需要拼接的碎片，我們這個(gè)算法都能夠拼。

“尋秦記”項(xiàng)目的技術(shù)突破，為秦兵馬俑的修復(fù)和保護(hù)提供了新的可能性。通過(guò)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，我們能快速識(shí)別和匹配秦兵馬俑殘片，這極大地縮短了拼接周期，提高了拼接的自動(dòng)化程度。這種方法不僅減少了對(duì)專(zhuān)家的依賴(lài)，也降低了修復(fù)成本，使得更多的秦兵馬俑能夠得以復(fù)原，為公眾提供了更完整的參觀體驗(yàn)。

讓文物“活”起來(lái)

目前，我們團(tuán)隊(duì)的算法已經(jīng)成功運(yùn)用到2套秦兵馬俑殘片拼接工作中，有效解決了關(guān)鍵殘片拼接困難的問(wèn)題，得到了秦始皇帝陵博物院文物保護(hù)部夏寅主任和文物修復(fù)專(zhuān)家蘭德省老師的高度評(píng)價(jià)。此外，我們還建立了秦兵馬俑殘片數(shù)據(jù)庫(kù)，為日后實(shí)現(xiàn)整俑拼接奠定基礎(chǔ)。2024年，團(tuán)隊(duì)受邀參加了秦兵馬俑考古發(fā)掘50周年暨秦始皇陵大遺址保護(hù)研究國(guó)際會(huì)議，并參與完成了《保護(hù)修復(fù)報(bào)告》第七章節(jié)。2024年11月，在西安交通大學(xué)開(kāi)賽的第十四屆“挑戰(zhàn)杯”秦創(chuàng)原中國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競(jìng)賽中，我們的項(xiàng)目“尋秦記——基于智能算法的秦俑殘片自拼接技術(shù)”一舉拿下大賽金獎(jiǎng)。

再次來(lái)到秦始皇帝陵博物館，當(dāng)看到披堅(jiān)執(zhí)銳、威武雄壯的秦兵馬俑組成的秦代軍陣展現(xiàn)在我眼前時(shí)，我仿佛回到了2000多年前秦國(guó)吞并六國(guó)統(tǒng)一天下的激烈廝殺場(chǎng)景中。那一刻，除了震撼，我更油然而生出一種民族自豪感。我深深體會(huì)到，文物不僅是歷史的見(jiàn)證，承載著民族記憶與文化基因，也是城市文化身份和歷史連續(xù)性的重要體現(xiàn)。保護(hù)文物，就是保護(hù)城市的“文化靈魂”，它讓城市在現(xiàn)代化進(jìn)程中不失其根，不忘其本。

未來(lái)，我和團(tuán)隊(duì)的同學(xué)將繼續(xù)探索和創(chuàng)新文物保護(hù)的新技術(shù)和新方法。通過(guò)不斷引進(jìn)新技術(shù)、新設(shè)備和新方法，提高文物保護(hù)的效率和質(zhì)量。無(wú)論是秦俑、漢俑、瓷器……相信我們一定能讓更多的文物“活”起來(lái)。

（戚正浩，北京建筑大學(xué)土木水利專(zhuān)業(yè)2023級(jí)碩士研究生，“尋秦記”團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人）

責(zé)任編輯：刁雅琴