山東大學考古數字博物館

我國有著悠久的歷史、燦爛的文明，文物、古跡眾多，是中華文明的重要載體。博物館是收集、保存、展示文物的重要場所。山東大學博物館幾十年來共收藏了泗水尹家城遺址、龍山文化城址、春秋仙人臺遺址出土的考古文物萬余件，其中不乏文物精品，如蛋殼陶高柄杯、龍山文化陶書文字等，具有極高的藝術和歷史價值。然而，由于受空間、經費等因素的制約，博物館中展示的內容和方式有限，大量文物常藏于庫房，無法展出。與實體博物館相比，數字博物館可擺脫時空等因素的限制，極大提高了博物館資源的利用效率。

2001年起，在國家教育部《面向21世紀教育振興行動計劃》之“現代遠程教育工程”中央財政專項資助下，山東大學計算機科學與技術學院、考古系、博物館經過多年的合作，采用網絡、人機交互、虛擬現實、數字水印等眾多計算機技術，研發了文物信息管理系統、網站數據采集系統、虛擬博物館協同設計與漫游系統等系列軟件，實現了1萬余件文物的數字化，生成文字、圖像、音頻、視頻以及三維模型和場景等多媒體內容，建立了“山東大學考古數字博物館”。

下面主要圍繞建設山東大學考古數字博物館所涉及的數字內容生成、內容管理、內容展示及內容安全四方面介紹所用到的部分計算機技術。

1數字內容生成

山東大學數字博物館的文物標本延續時間長，質地多樣，涉及文獻資料眾多。根據以上特點，在數字化工作過程中，首先由考古學及博物館專家對藏品進行以遺址、質料、年代等為單位的分類編目與文字資料撰寫；同時對古代遺址資料及考古學相關信息，包括考古學小辭典、考古過程、考古名家等加以整理，使數字博物館瀏覽者全面了解考古博物館的內容，在此基礎上對博物館資源進行數字化。考古數字博物館的數字內容式豐富，包括了文字錄入、拍照、錄像與錄音、三維建模等。

(1)文物的三維建模技術

采用三維掃描技術重構高分辨率的三維虛擬文物。三維掃描的基本過程包括將物理物體的形狀和表面特征加以數字化，將多個部分模型融合成一個完整的模型并為模型貼上相應的材質，構建出高分辨率的虛擬物體。由于山東大學考古數字化博物館重構的都是珍貴文物，因此采用了加拿大InSpeck公司的InSpeck3D-DF(非接觸式的結構光技術)三維掃描儀對文物進行三維掃描，完成了100余件文物珍品的三維建模。

(2)文物的復原技術

考古挖掘現場通常出土成千上萬的文物碎片，考古人員需要將其拼接成一個個完整的文物。這一工作主要靠手工完成，既耗費時間，又容易破壞文物，因此我們研究采用計算機技術輔助完成文物修復。計算機輔助修復一般需要以下幾個主要步驟：①文物碎片的獲取，通過三維掃描技術獲取文物碎片的三維模型并進行去噪等處理；②文物碎片分類，根據幾何特征和顏色紋理等信息，把來自同一文物的大量碎片歸為一類；③文物碎片拼接，在分類的基礎上對碎片進行局部匹配和全局匹配；④文物修補，補全丟失的幾何和紋理信息。其中分類是拼接和修補的基礎。我們研究了修復系統的體系結構，提取旋轉體文物(很多文物一般都在旋轉盤上手工制成)的幾何特征和拼接方法，為考古人員拼接修復文物提供幫助。

(3)場景的三維建模技術

博物館建筑、古代墓葬遺址等場景需要采用合適的技術構建三維模型。在建模過程中，像樓宇等較規則模型主要采用的是簡單幾何體并拼貼紋理的方法。為了加快構建速度，我們采用計算機支持的協同設計技術開發了虛擬博物館協同設計平臺，支持不同知識背景的專家共同參與虛擬博物館的建設，對不同展廳進行主題布展，在布展過程中也可使用協同工具交流、討論。

2數字內容管理

文物信息管理系統是山東大學考古數字博物館的數字內容管理軟件，可提供博物館多媒體信息(主要是文物信息)的錄入、檢索、修改以及輸出、系統安全管理，為文物展示、虛擬場景漫游以及博物館網站提供數據支持。這些系統主要采用Sql Server數據庫后臺存儲相關信息，利用VB開發相應的前臺管理程序。

(1)基于自然語言理解的檢索技術

系統主要提供兩種文物檢索方式：文字查詢和樹形檢索。文字查詢提供多種靈活的檢索方式，包括對文物不同字段信息的單獨或聯合檢索、模糊檢索等功能。還研究開發了基于自然語言理解的檢索技術，支持用戶輸入自然語言方式的查詢命令，通過一定的算法把用戶的輸入轉換成標準SQL語句，從數據庫進行查詢，也可在互聯網上進行相關信息檢索。

(2)基于XML的數字博物館數據集成技術

海量數字化內容在互聯網上的展示，不同數字博物館系統之間大量的數據交換，都要求對交換數據的內容和表現方式有所說明。目前還沒有形成數字博物館的數據表示標準，基本的文物信息描述都還沒有統一的數據結構；各數字博物館之間缺乏統一的數據結構約定，博物館間信息交互效率低下，資源共享困難。我們基于XML實現了數字博物館數據的集成，開展了文物數字信息的元數據模型及其XML表示、XML與數據庫間的數據映射等工作。基于文物元數據模型和XML文檔結構，從數據庫中抽取對應字段編寫成XML文檔，配合應用樣式信息文件(XSL文件)，方便地實現了文檔網上發布；通過借助DTD識別XML文檔中的標記，可以從標準格式的XML文檔中獲得需要的信息存儲到數據庫中，實現數據的交換。

3數字內容展示

對于眾多的文物數字化內容，我們采用了多種展示方式，如采用Flash動畫演示文物的演變；采用VRML、全景圖等技術實現網上顯示三維模型和場景；使用虛擬現實和人機交互技術實現虛擬博物館的漫游；使用RFID技術實現移動設備上博物館數字內容的展示等。

(1)基于多通道交互技術的博物館漫游

我們設計的虛擬場景漫游系統提供了基于VRML技術的網上三維展示與漫游和具有沉浸感的虛擬漫游兩種方式。在后者的設計中，我們采用了多通道交互技術加強沉浸感。虛擬場景建立后，在環境漫游過程中采用多通道人機界面增強沉浸感和交互的自然性。系統既支持固定路徑虛擬漫游，又支持用戶指定路徑的漫游。觀眾使用頭盔、立體眼鏡、數據手套等虛擬現實設備，在三維虛擬博物館漫游瀏覽、觀賞三維虛擬文物，也可利用手勢指定漫游路線、操縱文物模型。我們還建立了雙乳山漢墓虛擬漫游系統，觀眾也可使用頭盔、立體眼鏡、數據手套等虛擬現實設備，在雙乳山漢墓周圍及其內部漫游。

在進行復雜模型與場景的顯示時，利用LOD(levels of details)技術來提高顯示速度。LOD的基本原理是根據視點與物體之間的距離選擇繪制模型的精細程度，較遠時選擇比較粗糙的模型，較近時選擇比較精細的模型，通過平滑過渡技術來顯示。在仿真管理器中，通過指定選擇模型的距離，根據視點離物體的遠近自動選擇要顯示的模型。

(2)基于全景圖技術的博物館漫游

基于照片的全景圖技術是一種快速生成、低成本的漫游手段。它通過全景照片的拼接，投影轉換到柱狀場景，實現真實感較強的瀏覽體驗。在研究沉浸式交互的同時，我們用全景圖技術對博物館的真實內部展覽場景(五個展廳)和校園外景實現了瀏覽，保證了全景展示的高質量。

(3)基于RFID技術和移動設備的博物館內容展示

我們還基于RFID技術，并利用無線傳輸網絡訪問服務器上的博物館內容，支持用戶在實際博物館中通過移動設備瀏覽當前文物的數字內容，了解更多的信息，可起到替代導游的作用。

4數字內容安全

文物數字內容包含文本、圖像、音頻、視頻、三維模型等多種媒體類型，需要進行有效的數字版權保護。對此，我們研發了多種不同的數字水印技術，對圖像、三維模型等媒體信息進行信息隱藏，以期達到數字版權保護的目的。

5其他

在考古數字博物館的建設中，我們還用到了其他一些技術。網站系統的可用性評估是其中之一。由于數字博物館的建設有其獨特性，博物館藏品眾多、資料豐富、形式多樣，如何使資源以最有效的形式展示給用戶，讓用戶在訪問中感到滿意，吸引更多的用戶來訪問，提高整個網站的可用性，都對數字博物館的建設有重要的影響。我們采用啟發式評估、放聲思考法及個別訪談法等工程研究方法對山東大學考古數字博物館網站的可用性、布局和結構進行了評估，對評估結果進行分析，并根據評估結果不斷修改與完善。

6總結

在設計考古數字博物館時，我們充分考慮了文物數據數字化特點及當前計算機軟硬件技術的發展，本著實用化原則，采用了網絡、人機交互、虛擬現實、數字水印等多種計算機技術，實現了大量文物多媒體信息的數字化工作，并研發了多個系統軟件。到目前為止，山東大學考古數字博物館網站訪問量已超過7萬次，在實現資源共享、保護珍貴博物館資源、文化傳播與普及、考古教學與科研等方面都取得了很好的社會效益，受到廣泛贊譽。

目前，我們正在“中國數字科技館”子項目“數字上古科技信息博物館”項目資助下，在山東大學考古數字博物館的基礎上，基于部分已有的數字內容，利用虛擬現實技術、動畫技術、游戲技術等，力爭再現上古時期的生產、生活場景，生動地介紹上古時期的科技發展情況，更好地傳播、普及古代科技知識。