文物保護掀「智慧革命」 信息技術守護人類文明DNA

文物保護掀起「智慧革命」

信息技術守護人類文明DNA

2017年10月11日,北京故宮博物院院慶92周年之際,「發現·養心殿——主題數字體驗展」在故宮之「端」——端門數字館全新亮相。這是故宮博物院進一步將傳統文化與現代科技相融合的又一次創新呈現。視覺中國供圖(資料圖片)

21世紀最時髦的技術,改變的不僅是未來,在被稱為「最古老的研究」的文物與博物館界,感受到的變化可能更加顯著。

天津大學文化遺產保護與傳承信息技術研究中心主任張加萬團隊歷時10年,用物聯網、大數據、人工智慧等現代信息技術,致力於讓沉睡的文物「活」起來、傳下去。這群每天與計算機打交道的科學家,加入了人類文化遺產守護者之列。

時間是保護者們最大的敵人。他們必須與變化多端的氣候、難以預知的自然災害「作戰」。比這更「可怕」的,是接踵而至的觀賞者。對於那些已經極其脆弱的文物而言,哪怕是遊客腳步帶來的震動,或是呼吸產生的濕氣,都可能對它們造成不可逆轉的傷害。

人們一直在尋找兩全的辦法,既要讓老祖宗和大自然留下的文明瑰寶能讓更多後人親眼見到、親身感受;又不能使其受到分毫損傷。

現代科學技術成為解開難題的鑰匙。「智慧博物館」和「文物預防性保護技術」是張加萬團隊致力研發的兩大神器,他們試圖用現代信息技術架起一條「時間隧道」,讓歷史與未來的跨時空對話,讓大千世界中自然和文化的DNA得以存續,並源源不斷地激發出更豐富、更有意義的文明財富。

讓博物館更像一個真正的「人」

大大小小的博物館中,珍藏著人類最精華的智慧和最絢爛的藝術。遺憾的是,由於場地和條件的種種限制,僅有極少一部分能呈現在人們面前。

「即使在一些規模較大的館,能陳列出來示人的,不足百分之一。」張加萬走訪了國內許許多多博物館,看得越多,越覺得自己「待不住了,感覺欠賬太多」。他注意到,一般來說,一座博物館能展示出來的文物只是不過幾千件,「那麼多好東西,老百姓能看見的不過九牛一毛」。

他擅長的信息技術,能幫助博物館「儘可能地開放」,「物理空間有限,可網路空間無限啊」。把博物館的藏品放到網上,此前也有人嘗試,稱之為虛擬博物館、數字博物館;但張加萬心目中理想的博物館,應該是有生命的,會思考、能學習,更重要的是擁有互聯網時代的思維方式——開放、共享、互動。

他決心用一套智能化解決方案讓那些「沉睡」的博物館蘇醒,即通過充分運用雲計算、大數據、物聯網、移動通信等新一代信息技術成果,感知、分析、處理博物館(群)運行的各項關鍵信息,實現智慧管理、智慧保護、智慧服務三大能力全面提升的博物館發展模式。

事實上,科技和文化的牽手,已經讓博物館變得有趣起來。天津大學團隊參與建設的故宮端門數字館,是全國第一家將古代建築、傳統文化與現代科技融合的全數字化展廳。團隊用增強現實技術還原了曲水流觴的生動場景。遊客不僅可以遊戲其中,還能當一回王羲之現場書寫《蘭亭集序》,而計算機則幫助人們模擬出水墨渲染的逼真效果。「當時遊客天天都排長隊體驗」,張加萬清楚,類似的人機交互、虛擬現實和增強現實等設備,以及全息技術、全景技術、3D圖形學等技術,正在讓越來越多的人對神秘的博物館產生了興趣。

而智慧博物館不僅是技術層面的轉型升級,而是讓博物館更像一個真正的「人」。天大團隊將智慧博物館的特質概括為:知識淵博、善解人意、擅長表達和精明強幹。

今後走進博物館,你只需要一個AR眼鏡。你看到一幅心動的畫,眼前會自動彈出跟這幅畫相關的資料,應有盡有。你可以邊走邊跟眼鏡聊天,隨時提出自己的疑問並得到解答。走到一個殘缺不全的文物面前,它會立即生成全息3D動畫復原,你可以伸出手360度仔細端詳它,雖然它始終沒離開櫥窗。你甚至不用跋涉千里,眼前的壁畫和光影,與敦煌莫高窟洞窟所見,別無二致。

這一切,已經成真。

給博物館裝個「聰明的大腦」

並不是文物「會動」了,就是「活」起來了,要讓博物館真正智慧起來,必須要有一個智慧的「大腦」。張加萬意識到,知識工程領域的知識圖譜,能幫助博物館變得聰明;建立一套文物領域的知識圖譜,好比是給博物館裝上大腦。

知識圖譜是現代信息科學中的概念。簡單說,這是一種讓機器讀懂數據的方法,即把一個個互不相干的知識,找到彼此關聯性並據此連成一個「語義網路」,這對機器而言就是圖譜。當下最紅的人工智慧技術,正是藉助知識圖譜,讓機器學會自己學習。

這正是傳統的博物館所欠缺的。一直以來,博物館解說陳舊呆板、套路化,讓人難以提起興趣,正是文物信息碎片化、缺乏關聯性所致。很多文物展品,僅有短短几個字的簡單注釋,往往只解釋了「是什麼」,而關於其「怎麼來的」等相關歷史文化背景卻無從知曉,「事實上,每一件文物背後都有可無限延展的故事;不同的人看,也會有不同的理解」。

同樣的問題也存在於各個博物館之間,由於缺乏信息互聯,各自的藏品資源相對孤立。

正如人們習慣於一有問題就請教「度娘」,張加萬團隊希望建立起文物領域的搜索引擎。不同於普通的搜索引擎,文物領域的知識非常特殊,專業知識大多仍留存在行業內部,只有部分專家學者掌握,而一旦建立起文物知識圖譜,可以將海量、多源、異構的文物領域數據,包括文物本體、環境、歷史文獻、考古資料、研究成果、網路數據等,通過利用自然語言處理、大數據分析、文獻計量學、軟體科學等組織起來,便於文物知識的表達和呈現。

「這些信息不僅要整理出來,還有可計算、可檢索」,張加萬說,這需要摸索出一套適合中國文物知識圖譜的規範,有了這個聰明的大腦,便打通了博物館之間有形的界限,讓資源無限共享,進而從文物角度關聯整個中國歷史文化。

在此基礎上,可以根據觀眾的喜好、時間,設計個性化遊覽線路;以及採用最適宜的高新技術用於展示和傳播等。

目前該團隊正與山西省博物院、湖南省博物館等中國最好的文物和博物館專家密切合作,系統開展文物知識圖譜的構建與文物知識平台的建設。

給古建築和文化遺產地當「保健醫生」

除了珍藏在博物館的奇珍異寶,還有許許多多古文化遺址、古建築、石窟壁畫等不可移動文物散落在中國從南到北各個角落裡,它們是「活」的歷史再現。據統計,全國不可移動文物超78萬處,而風化、風蝕、雨蝕以及人為破壞,甚至空氣中的水分,都是它們每天都要面臨的敵人。

因為缺乏預防保護技術,即使敦煌壁畫、秦始皇陵兵馬俑等極其寶貴的文物,儘管被施以非常嚴格的保護措施,依舊多多少少會出現病害。「搶救性保護往往為時已晚」,張加萬告訴記者,預防性保護的理念在文物界早有人提出,但一直苦於找不到適合的辦法。

「以前主要依賴實驗室模擬研究,卻難以模擬真實賦存環境中的多要素耦合效應」,張加萬說,任何一種癥狀出現的背後往往有許多複雜因素,而此前由於缺乏檢測手段和數據,一直找不到文物本體與風險源之間的關聯性。

針對當前文物保護工作的瓶頸,該團隊研發出以「文物本體與風險源關聯模型」為核心的預防性保護技術。同樣的技術已經在敦煌研究院、頤和園、拉卜楞寺等遺產地開始應用。

團隊與敦煌研究院合作,選取了11個洞窟、47個監測點,開始持續性壁畫和彩塑文物本體年度監測。採用相機位姿精準重定位、光照主動重現技術以及自主研發的監測平台,充分考慮此類文物易出現的4種典型病害,包括皰疹、酥鹼、起甲、裂隙,以及病害嚴重等級、洞窟南北和層級分布以及開放狀態等因素,通過微變監測技術對本體產生的微小變化進行準確感知與測量;同時藉助圖像分析、機器學習與攝影測量學等相關技術,對本體中的4類病害進行了多尺度量化分析。

經過對敦煌莫高窟2014年至2016年部分壁畫監測和分析後,團隊首次發現了一年短周期內的0.1毫米級壁畫本體細微變化。這一結果被文物保護領域權威專家普遍認為屬於該領域實質性突破。

「通過比對前後變化,才知道壁畫是怎麼壞的」,張加萬說,「以前只監測環境,沒有監測文物本體,本體和環境之間相互作用機理一直困擾著大家」,這套技術正是要找到應對風險的路徑,「我們要建立一個感知、分析、評估、響應的集成平台」。

身處沙漠地區的敦煌莫高窟在2011年、2012年遭遇了前所未有的洪水,令所有人始料不及。2012年,張加萬團隊開發的首個「世界文化遺產地風險管理與決策支持系統」在莫高窟得到示範應用,對洪水等重大自然災害風險、震動風險,以及緩慢的環境變化、遊客風險管理等進行系統監測和分析,「莫高窟附近地區突降暴雨,監測系統會自動根據降雨情況計算出洪水的方向、水量、速度,並推薦最合理的處理方案,確保洞窟萬無一失」。

如今,這支20多人、平均年齡30歲的團隊馬不停蹄地奔走在全國各地,用現代信息技術守護著人類文明的DNA,「感覺時間再多都不夠用,要做的事情太多」,張加萬希望更多的自然科學研究者加入其中,把現代科技融入文物博物館領域,「像是為人類打開了一個新世界」。(記者 胡春艷 )

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