一邊是信息時代的先進計算機技術，一邊是時間長河里磨損破碎的歷史文物。經過多年的嘗試，二者在科研人員的手中巧妙結合。
于是，穿越了時間的壁壘，歷史得以數字化再現，文化得以信息化傳承，這就是奇妙的“文物虛擬修復和數字化保護技術的研究與應用”。
數字博物館（資料圖片）
由北京師范大學信息科學與技術學院院長周明全教授主持的“文化遺產數字化與保護新技術的研究及應用”曾獲得國家科技進步二等獎。該項目組針對中華文化遺產的保護需求，采用虛擬現實、圖形圖像處理等信息科學新技術，完成了多項文物數字化、文物虛擬復原修復、數字博物館、數字考古方面的科研項目，解決了文物的三維數字化真彩色信息的采集、基于網絡的虛擬現實瀏覽技術等關鍵技術問題，形成了系列的文化遺產數字化處理與保護的方法與科技成果，為文物保護、考古、古人類學的研究開辟了新的途徑。
破碎的兵馬俑： 計算機輔助修復
看個體，每尊兵馬俑都富有極強的藝術感染力；看整體，8000余件陶俑構成了龐大的軍陣體系，再現2000多年前秦軍“奮擊百萬”氣吞山河的氣勢。
但有很多的參觀者可能并不知道，兵馬俑出土時，絕大部分就已支離破碎，我們所看到的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。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。很多小學生都可能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。
數字技術： 當今文化傳承的載體
在周明全的辦公室里，除了滿是書籍的柜子，你還能看到部分唐彩宋瓷的殘片安靜地躺在暖氣旁。來自古都西安的周明全愛好文物，但這并不是他投身文物數字化事業的主因，“歷史的記錄，文化的傳承”，這份厚重的歷史使命才是裝在周明全心里的大事。推動人類文化遺產保護的科學化、現代化進程，是周明全長久以來的奮斗目標。
“老祖先給我們留下了如此多的文化遺產，都是前人智慧的結晶。理論上，不論我們怎么保護，隨著歲月的流逝，它們還是會損壞。”周明全說。
例如某些周代石鼓上的銘文，在石頭上刻字是試圖流傳百世，但是從分別攝于上世紀二三十年代、五六十年代與現在的照片來看，歲月的刀斧不言自明。
“如果把文物的特性、形狀、歷史沿革統統保存下來，永遠流傳下去，這樣即使它不存在了，后人還是看得到，而不是像現代人那樣，只能抱著化石想象著恐龍的模樣。”周明全說，不論是可移動還是不可移動文物，都可以數字化展現，比如鐘鼓樓、大小雁塔，形狀、環境皆可復原，非物質文化遺產同樣也可被數字化后記錄下來。
所謂文物數字化就是指以某種技術手段獲取文物形體、紋理、質地、材料等數據信息，將其存入到計算機當中，作為相應專業人員的研究資料。借助先進的多媒體和虛擬現實技術來對我國古代文化遺產進行數字化、展示和有效保護，具有重要的現實意義。通過非接觸式的數據采集及光學測量技術，可以永久地保存文物信息，減少人為因素對文物的損壞，如果借助于互聯網，可以快速地實現資源共享，提高工作效率。
周明全說：“每個時代都有自己的特征，基于這個時代的科技就是這個時代的最好特征，也是傳承文化的最好載體。青銅時代，用青銅作為藝術的載體，石器時代是石器，鐵器時代亦如此。當今是信息時代，數字技術就是文化傳承的載體。”
計算機技術的多層次應用
“這是對考古、博物館、文物保護行業傳統方法的一次革命。”有人這樣評價周明全的工作。他帶領的科研團隊多年來致力用計算機新技術解決文化遺產的數字化保存、修復、展示中的問題，將計算機信息科學的前沿研究成果創新性地應用于文物保護的主要過程，建立了一套數字化文化遺產保護方法，開拓了計算機應用新領域，為文化遺產的保存、保護和展現提供了新的技術手段。
“文物虛擬修復和數字化保護技術的研究與應用”項目，就是利用計算機圖形學、圖像處理、虛擬現實等信息領域最新發展技術，結合傳統的文物保護與修復工作，形成文化遺產的科學保護理念和程序。
該項目的研究主要涵蓋了三維文物以及文物碎片進行虛擬修復、二維古字畫的修復、數字博物館與文物數字化4個方面。
“有完整的文物當然有利于數字化，但打碎的看不到原貌的怎么辦？這就需要利用計算機輔助修復。”該團隊突破了文物數字化、虛擬復原、虛擬場景、真實再現等關鍵技術，研制出了能夠對破損的二維古字畫、三維文物碎片進行虛擬修復、復原的“計算機輔助文物復原系統”。
他們還研制了適應文物三維色彩采集和紋理展示需要，便于實現高光文物紋理色彩信息真實再現的“三維激光真彩掃描儀”（三維照相機）與配套軟件。
“高光是三位掃描的難點，對于表面反射能力不強的物體來說，掃描效果好，對于瓷器來說，大部分都具有很強的反射性，掃描結構不很理想，這個問題目前已經解決。”周明全解釋道，下一步亟待攻克的方向是玉器等透光器件的掃描。
眾所周知，我國大部分博物館都陷入資金嚴重不足、展出手段單一并導致惡性循環的困境，而虛擬現實技術的應用為文博單位提供了一個擺脫困境的契機。對此，項目組還研發了“數字博物館開發平臺”。平臺采用基于Web Service的四層分布式體系結構，應用XML描述虛擬數據源，以及基于圖像內容、三維模型的網絡檢索工具，實現了數據庫的高效、快速、安全使用。
值得一提的是，以上這些研究用到的軟硬件，基本上都是項目組自主開發的。
目前，周明全與其項目團隊的虛擬修復技術，已經在故宮博物院污損書畫虛擬修復、河南青銅器修復、兵馬俑的數字復原修復等一系列“實戰”中接受了檢驗，有效地輔助了文物的修復過程，受到多方的好評與肯定。“數字博物館開發平臺”也已在西北大學數字博物館的建設中得到應用。
