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數字修復技術加持,有望“重建”巴黎圣母院
數字修復技術加持,有望“重建”巴黎圣母院

激光掃描、3D打印、無人機測繪、人工智能…新技術正在幫助復原人類文化瑰寶

數字修復技術加持,有望“重建”巴黎圣母院


巴黎圣母院發生火災,今天成為廣泛討論的事件,雖然最終成功控制火勢保住建筑結構,但塔尖坍塌,內部損毀十分嚴重。許多人都為此感到惋惜。


這座有著800多年歷史的教堂將長時間無法與游客見面,即便在資金到位的前提下,也要花費多年才能完成修復。



今天許多科技從業者的討論中,自然也涉及到了如何利用新技術對人類文明瑰寶進行修復的可行性,虎哥也見到,在一些專業論壇中,有關對人類重要古跡提前做好3D掃描數據保存的呼聲相當高。


科技發展到當下,有哪些成熟技術能夠幫助人類修復這些瑰寶?


數字復原技術如何做到1cm內誤差?


實際上早在2015年,已經有人借助激光掃描技術記錄了巴黎圣母院的數據。


從當時報道看,美國瓦薩學院的藝術史專家安德魯·塔隆教授,就利用了激光掃描技術來搜集巴黎圣母院的數據。通過把掃描儀安裝在三腳架上,在圣母院50多個位置搜集數據。他用激光束掃過教堂的每一個部分,測量掃描儀和激光打在建筑結構上之間的距離。


搜集完畢后,將數十億的光點放在三維圖像里,畫上線條,然后再和實地拍攝的全景照片結合,在圖像中的立面上上色,最后加上光影效果,就能建立非常逼真準確的三維模型。三維模型偏差大概只有五毫米左右。


依據高精度模型,塔隆也發現了巴黎圣母院的一些小瑕疵,譬如其西立面所處的地面不牢固,門廊傾斜了30厘米。通過數字掃描技術,能夠做到不拆解文物的前提下研究文物保護,這對于文物結構認知和保護的意義無疑是巨大的。


值得注意的是,當下的數字掃描建模的精確度已經十分高。利用的激光脈沖掃描器不僅能夠還原文物的結構信息,甚至能夠記錄紋理、顏色、光照以及陰影細節。


這些數據不僅能夠用來修復現實中的文物,同樣可以應用于游戲、教育、旅游場景。


今天,很多人都提到了育碧公司的《刺客信條》系列游戲。雖然這一游戲系列劇情都是架空的,但游戲場景卻高度忠實于歷史。其中2014年發行的《刺客信條:大革命》中,便還原了法國大革命時期的巴黎圣母院。作為游戲主角,你可以在游戲里中從各個角度探索完整的圣母院和40余座大巴黎區域知名建筑物。


育碧團隊為了完整地在游戲中重現大革命時代的巴黎圣母院,曾多次造訪這座建筑物,學習它的構造,并和歷史學家一起,花了超過兩年的時間,才完成了對巴黎圣母院的數字復原工作。


借助數字復原,育碧也曾復原出千年之前就已被焚毀的亞歷山大圖書館,以及早已不在的亞歷山大燈塔。在《刺客信條:起源》中,玩家也能夠以游覽者的身份,在語音導游的解說下了解托勒密王朝末期的古埃及真實的歷史故事。


科技產業巨頭的身影顯現


在擁有詳實數據的前提下,復原重建巴黎圣母院并非不可能的事情。從過往案例看,包括百度、英特爾等已經有過進行歷史遺跡數字修復或再現的案例。


在2015年尼泊爾大地震后,百度就通過大數據、三維建模、智能路徑規劃、圖片渲染等技術,利用網友拍攝的500-2000張各個方向和角度的照片恢復出真實場景的每個細節。通過大數據分析,系統計算出該場景的拍攝熱點分布和最佳展示路徑,進而從離散靜態的圖片自動生成連續動態的三維效果視頻,還原了損壞的尼泊爾古跡,幫助大家了解這些古跡。


英特爾2018年公布的案例表明,利用人工智能深度學習、無人機測繪,幫助中國箭扣長城的保護與修繕。


因為長城跨度很大,修繕之前首先需要進行環境勘測,英特爾通過獵鷹8+無人機,獲取高分辨率圖像,幫助文保人員清晰、全面了解長城現狀。


根據無人機采集的數據,能夠快速分析處理上萬張圖片,進行3D建模和損毀檢測,計算出破損的長度和寬度,規劃修繕所需材料,并提供裂縫和塌方等破損的測量數據用于指導物理修繕。


在3D模型損毀識別基礎上,利用3D模型對抗生成網絡,以及回歸卷積網絡,對城墻缺損部位進行數字化修復,并據此對實際的長城修繕和維護提供指導和參考數據。通過人工智能技術對3D建模和數字化修復,英特爾的方案能夠達到厘米級精度的效果。


國內文物修復的科技加持


從目前看到的案例,國內高校團隊已經在紛紛利用技術手段參與到文物修復過程。比如浙江大學文化遺產研究院文物數字化團隊,利用3D打印技術將云崗石窟進行了完美的復制。


浙大文物數字化團隊將洞窟分成842塊進行3D打印,3D打印機用0.4毫米粗的 “針尖”一層一層打出來,這相當于用0.4毫米的筆尖畫一幅大尺度的三維工筆畫,20臺3D打印機晝夜不停地“畫”了六個月,最終形成了整體長17.9米、寬13.6米、高10米的復制窟。


天津電子信息職業技術學院與南開大學的專家,利用三維數字模型技術對山西省朔州市應縣的佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)進行研究和修復,這是始建于1056年,用10萬塊木構件像搭積木一樣的文物。


由于傳統建筑沒有圖紙,應縣木塔全部是榫卯結構,其建筑結構一直讓建筑界所不解。正因如此,應縣木塔的整體結構從來沒有大修過,只能是在細微處修修補補。通過數字掃描這種對木塔沒有任何傷害的技術手段,應縣木塔現在已經完成了首層樓復原。


可見,憑借技術手段,文物修復的還原度正在不斷逼近真實。而出于對藝術與科技的熱愛,在不久的將來,希望修整后的巴黎圣母院以及更多人類文明瑰寶能再次展現在大家面前。當然,圓明園是我們最希望看到的中國復原遺跡之一。



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