尋秦記

2024年11月，在西安交通大學開賽的第十四屆“挑戰杯”秦創原中國大學生創業計劃競賽全國決賽中，來自北京建筑大學“尋秦記”項目組的同學們一舉拿下金獎。運用算法，他們讓秦兵馬俑的修復工作變得更加高效、精確。作為對傳統工藝的補充，這不僅為西安的文化遺產保護工作注入新的活力，也為“博物館之城”建設提供了強有力的支撐。

兵馬俑拼接的堵點

第一次見到秦兵馬俑碎片時，我幾乎不敢相信自己的眼睛。我實在無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、堅不可摧的陣勢以及設計精良的武備，號稱“世界第八大奇跡”的秦兵馬俑相提并論。眼前的這些殘片實在太細碎了，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，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”的狀態面世的。50年來，為了讓這支沉睡了2000多年的“地下兵團”能完整清晰地呈現在世人眼前，無數考古專家為此付出了巨大的時間和心血。

由于碎片和殘件太過散碎，當時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、廢鋸條等充當工具完成陶塊的初步清潔工作，再采用殘磚、破瓦試驗黏接效果：黏接小塊時利用木箱、砂土作固定器，拼接大塊時則用麻繩、木棍絞緊捆牢。為了使修整復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，一點點逐步黏接……目前已發掘的秦兵馬俑來自3個大小不同的俑坑，這些俑坑總面積近2萬平方米，坑內共有同真人、真馬大小相近的陶俑、陶馬約8000件，實用兵器數以萬計，可以想見文物修復工作難度之大。

在調研中，我們了解到在秦兵馬俑考古發掘的這50年間，為了將一堆堆的殘件、碎片拼接、修復成型，其修復手段先后歷經了從手動紋理比對到圖像技術輔助，再到點云三維掃描的技術革新。但目前文物修復專家依然面臨著殘片數量多、拼接周期長、自動化程度低等挑戰，且現有技術并不能有效解決上述問題，這是嚴重阻礙秦兵馬俑拼接修復進程的堵點之一。

點云拼接法

我所在的北建大學生創新團隊的核心能力，是通過對PointNet++深度學習網絡的運用，對大量點云數據進行預處理，從而篩選出關鍵的缺口點云數據。通過對數據的“減肥”，我們能將原本的50萬點云數據縮減到500點，兼顧了運算時間與準確率。不曾想到，這一創新技術在文化遺產保護中也能展現出巨大的潛力。

為了解決秦兵馬俑殘片拼接這一世界級難題，自2020年起，我們組建“尋秦記”項目團隊，與秦始皇帝陵博物院建立了長期合作關系。我們多次到秦兵馬俑考古現場開展調研，前后采集了1200塊殘片信息，建立了秦兵馬俑殘片數據庫。4年間，在各類算法的不斷試錯、優化、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，通過深度學習與頂峰淹沒搜索算法相結合的點云拼接方法，大幅提高了拼接效率和準確性。

這套算法的基本原理是先固定住一個殘片，然后用另一個殘片旋轉靠近，尋找最佳拼接位置，最后以點云平均間距來判斷拼接結果。與現有技術相比，我們的技術具備用時短、應用范圍廣、拼接效果好的優勢。它的包容性比較強，不僅可以拼秦兵馬俑，理論上來說只要是需要拼接的碎片，我們這個算法都能夠拼。

“尋秦記”項目的技術突破，為秦兵馬俑的修復和保護提供了新的可能性。通過深度學習網絡對點云數據的預處理，我們能快速識別和匹配秦兵馬俑殘片，這極大地縮短了拼接周期，提高了拼接的自動化程度。這種方法不僅減少了對專家的依賴，也降低了修復成本，使得更多的秦兵馬俑能夠得以復原，為公眾提供了更完整的參觀體驗。

讓文物“活”起來

目前，我們團隊的算法已經成功運用到2套秦兵馬俑殘片拼接工作中，有效解決了關鍵殘片拼接困難的問題，得到了秦始皇帝陵博物院文物保護部夏寅主任和文物修復專家蘭德省老師的高度評價。此外，我們還建立了秦兵馬俑殘片數據庫，為日后實現整俑拼接奠定基礎。2024年，團隊受邀參加了秦兵馬俑考古發掘50周年暨秦始皇陵大遺址保護研究國際會議，并參與完成了《保護修復報告》第七章節。2024年11月，在西安交通大學開賽的第十四屆“挑戰杯”秦創原中國大學生創業計劃競賽中，我們的項目“尋秦記——基于智能算法的秦俑殘片自拼接技術”一舉拿下大賽金獎。

再次來到秦始皇帝陵博物館，當看到披堅執銳、威武雄壯的秦兵馬俑組成的秦代軍陣展現在我眼前時，我仿佛回到了2000多年前秦國吞并六國統一天下的激烈廝殺場景中。那一刻，除了震撼，我更油然而生出一種民族自豪感。我深深體會到，文物不僅是歷史的見證，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性的重要體現。保護文物，就是保護城市的“文化靈魂”，它讓城市在現代化進程中不失其根，不忘其本。

未來，我和團隊的同學將繼續探索和創新文物保護的新技術和新方法。通過不斷引進新技術、新設備和新方法，提高文物保護的效率和質量。無論是秦俑、漢俑、瓷器……相信我們一定能讓更多的文物“活”起來。

（戚正浩，北京建筑大學土木水利專業2023級碩士研究生，“尋秦記”團隊項目負責人）

責任編輯：刁雅琴