千年万年前的古人只有颅骨尚存，他们的面貌如何复原？

秦兵马俑基本都是由考古发掘现场的碎片拼对而成，不仅非常耗时，一旦拼错还可能造成差错的累积效应，怎样才能更好解决这些问题？

考古发掘过程是不可逆的，但博物馆展示又希望将这个过程变得可随时“倒带重看”，有没有好办法？

西北大学科研团队利用自己研制的扫描设备和文化遗产数字化复原技术，不仅解决了古人颅面相貌复原、破碎文物虚拟复原等问题，还在考古发掘现场大遗址扫描基础上发展出了大遗址虚拟复原技术，以及数字博物馆等文博展示新技术，让文物在数字化技术加持下真正“活”起来。

研制三代三维扫描设备 解决文物遗址数字化问题

10月14日，带着强烈的好奇心，记者来到西北大学信息科学与技术学院，学院的七楼便是“文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心”。

“复原”古人面貌当然是指通过数字化技术来复原。而要实现数字化，就必须要对文物或遗址进行数字化扫描采集。

两位教授——中国虚拟现实产学研联盟（中国虚拟现实产学研研发平台）理事长、西北大学陕西省千人特聘专家周明全教授，中心主任、西北大学信息科学与技术学院耿国华教授，首先向记者介绍了为实现文化遗产数字化而研制的三代扫描设备。

据介绍，扫描设备的研制1996年启动，1997年便成功研制出第一代——基于点状激光进行采集建模的三维扫描仪，“这也是国内第一台三维激光扫描设备，被应用于公安部物证鉴定中心，主要用于颅骨面貌虚拟复原，也被用于文物三维建模。”

第二代是2002年研制的，基于线激光进行采集建模，它是复曝光真彩色线激光三维扫描设备，较好地解决了陶瓷器物表面高反光问题，研制出后被应用于西北大学数字考古博物馆建设。

第三代扫描设备演示对跪射俑（3D打印模型）进行数字化扫描

第三代2020年研制成功，基于结构光进行采集建模，使用了机械臂与机器视觉技术，文物结构建模与纹理贴图同步完成，可将扫描时间从小时级降为分钟级，使博物馆海量文物快速数字化成为现实。

在遗址场景方面，还研制了无人机大场景三维成像扫描系统，极大方便了不可移动文物数字化建模，使遗址大场景建模更加真实直观，已相继完成了秦始皇帝陵、布达拉宫、塔尔寺等大遗址的建模作业。

目前正在研制机器人智能文物扫描设备，结合人工智能和大数据技术，可在文物个体识别、属性提取上取得新突破，已被应用石窟寺等文物的三维扫描。

建立中国人颅面数据库 应用它复原古人面貌

使用三维扫描设备实现颅骨面貌虚拟复原，具体是如何做到的呢？

周明全教授介绍，三维激光扫描仪最初用于刑事案件身份认证。以前在仅存颅骨、缺失面貌时，需要根据受害者颅骨形态采用类似雕塑的形式来复原其生前面貌以确定身份，但这种形式的复原结果受雕塑者的主观影响较大。通过激光三维扫描，首先可以把颅骨精准地数字化到计算机里，实现三维建模，然后再在计算机里“长出”这个人的面皮来。

“一个人的长相首先是由颅骨决定的，颅骨在18岁时就基本定型了。人的面部有变的地方，但眼角、鼻子中线等部位是不会变的，只要颅相重合，即颅骨和眼睛重合，基本就可以确定一个人。除了颅骨，影响人相貌的就是软组织。而影响人脸软组织的因素，首先是年龄，不同年龄段面部脂肪和软组织分布特点不一样；其次是营养状况，即胖与瘦的不同。”

从1996年开始，周明全、耿国华两位教授就带领科研团队建立起了“中国人颅面数据库”（主要是蒙古人种，即黄种人），数据库中收集了3000多例现代人颅面数据信息，年龄从20岁到70多岁，这不仅开创了该领域的国内先河，更成为亚洲乃至世界最丰富、最有代表性的颅面数据库。

“在这个基础上我们做概率统计、做智能分析，对一些聚焦点——即哪些地方是变化最大的剧烈点、哪些地方基本上不太变，形成一个模型。然后根据专家意见判断其年龄段，将其与这个年龄段的面部软组织模型关联起来，再参考营养状况等信息，将这几个参数输进去后，就可以生成与这个人生前最相近的面貌，相似度可达到九成。”

据介绍，这种基于颅骨的面貌复原技术现在主要被用于古人类学和考古学。

疑似秦始皇的王子和嫔妃 被复原后长这样

耿国华教授介绍李倕和疑似秦始皇王子与嫔妃颅骨面貌复原过程

2001年11月至2002年8月，陕西省考古研究院在西安理工大学曲江校区配合基本建设开展考古工作时，在施工区域内发掘清理古墓葬186座，其中规模最大的一座唐墓，主人叫李倕。根据出土墓志，其五代祖为“圣唐神尧皇帝”，即唐高祖李渊，祖为豫章王李亶，父为嗣舒王李津，她是李津的第二女。根据两唐书记载，可知其曾祖为李渊的第十八子舒王李元名。李倕与时任皇帝李隆基应为平辈远亲。李倕虽出身于贵族，但去世埋葬时已不是贵族了，因为她没有爵位。其身份只是一个七品小官的夫人，因难产而去世。她的陪葬明器规格较低，而陪葬的实用器却非常奢华，下葬时不仅头戴“金花冠”，身上还佩戴着三组佩饰。

唐高祖李渊五世孙女李倕颅骨面貌复原3D打印模型及3D打印颅骨模型

耿国华教授介绍，唐高祖李渊五世孙女李倕的面貌复原，就是先把颅骨扫描后输入计算机里建立颅骨模型，然后在颅面数据库取出20到25岁现代女性颅面软组织的均值给她“长出”软组织，再附着上相应的发型等，复原其相貌。“这是基于科学数据的复原方法，可信度高。我们不仅复原了她睁着眼的面貌，也复原了她闭着眼的样子，因为我们觉得软组织厚度只能影响眼睑的大小，无法知晓其是单眼皮还是双眼皮，所以选择了闭着眼的形象，给大家以想象空间。这种基于科学数据的颅面复原是我们率先研究出来的，也是具有国际水平的。”

秦二世胡亥称帝登基后，将秦始皇的小王子和小公主们一一捕杀。在秦始皇帝陵陵园外城的上焦村，考古人员共发现了17座陪葬墓，这些墓主人都是秦朝惨遭杀害的王子和公主，他们去世时大多仅有一二十岁。其中出土的一个颅骨，右颞骨中发现一枚青铜箭头，其身份很可能是一位王子。该颅骨的下颌骨向前凸出，表现出十分痛苦和惊恐的模样，有可能是在玩耍时惨遭射杀。

而在秦始皇陵一个包含约100座墓葬的墓群中，发现了一名女子（死时约20岁）被肢解的尸体。墓中所有尸体均为年轻女性，考古学家根据墓葬等级和陪葬品推断，这些女子可能是秦始皇的嫔妃及其仆从。据推断，在秦始皇死后，作为陪葬的一部分，这些女子惨遭杀害。这名女子的颅骨也被进行了面貌复原。

疑似秦王子颅骨面貌复原3D打印模型及3D打印颅骨模型

疑似秦始皇嫔妃颅骨面貌复原3D打印模型

疑似秦始皇的王子与嫔妃的3D打印颅面复原模型和3D打印颅骨模型，被标注为“秦男秦女颅骨面貌复原”，与李倕的3D打印颅面复原模型及颅骨模型一起放在研究中心会议室的玻璃展柜上。疑似王子长脸、细目、高鼻；疑似嫔妃有一双大眼睛，鼻子长而高。

耿国华教授说：“疑似秦王子的头骨上有箭镞，下巴是缺失的，我们将其下巴复原，恢复了颅骨的整体面貌。根据其年龄段，依托标本数据库生成了其面部软组织，然后又参照其时代特点生成了符合那个时代的发型特点。这种复原方法用的就是我们自己创建的颅面形态信息学的理论体系。王子与秦始皇必定有相似的地方，由此也可作为推想秦始皇模样的依据吧。”

据了解，该研究中心还复原了距今五万年的柳江人颅骨等古人类面貌，为考古研究工作纵深推进提供了技术支持。

大名鼎鼎“泡钉俑” 是先完成虚拟修复再进行实体修复

除了复原古人面貌，破损文物虚拟修复也是该研究中心的一项重要成果。此技术被用于了秦俑坑兵马俑和百戏俑的虚拟修复，这些陶俑在出土时几乎都是散落一地的碎片。

耿国华教授介绍，2009年6月13日，秦兵马俑一号坑开始第三次发掘，随着发掘工作的进展，遗迹、遗物大量暴露，传统发掘资料的记录手段愈显捉襟见肘。当年9月25日，他们科研团队与兵马俑一号坑考古队启动了一号坑三次发掘的数字化探索工作。项目实施过程中，他们对发掘现场的棚木层、陶俑层和底层三个发掘文化层，做了10次大场景扫描和建模，完成了出土陶俑碎片、陶俑、陶马的高精度数字化扫描和建模虚拟复原，并研发构建了秦俑文化遗产多媒体数据库和考古发掘数据管理系统。

考古队还委托他们科研团队对K9901百戏俑遗址坑发掘过程和出土遗存进行数字化建模，并对出土陶俑虚拟复原。这是国内首次将数字化保护手段和方法应用在考古发掘全过程。项目实施过程中完成了对K9901遗址坑棚木层、陶俑层和底层三个文化层10余次大场景扫描和数字化建模，完成了对于出土的所有陶俑碎片的高精度数字化建模。应用基于断裂面混合特征的匹配方法，科研团队实现了对所有出土陶俑的虚拟复原。这项工作依托的关键方法获得了2015年度陕西省科技进步二等奖。

超高还原度3D打印泡钉俑

在虚拟复原的陶俑中，出土于K9901的大名鼎鼎的“泡钉俑”便是其中之一。它与以前出土的上身赤裸下身着裳的百戏俑不同，身着式样独特的上衣，上面布满了排列有序、直径约3.5厘米左右的圆泡，专家们将其命名为“泡钉俑”。

为尽早呈现“泡钉俑”全貌，科研团队首先用三维扫描技术获得文物碎片的轮廓曲面数据，并利用软件将散乱的数据点进行网格化，得到三角网格数据，再在大量无规则的破损碎片中寻找碎片间的拓扑关系，同步利用空间曲线匹配搜索匹配确定匹配结果，最后进行拼接。通过使用这些技术手段，具有极大考古价值的“泡钉俑”虚拟复原模型鲜活地呈现在世人面前。有了虚拟拼对成功的“泡钉俑”形象，有了碎片拼接的关系图，科研团队制定了复原指导手册，这无疑对后来“泡钉俑”的实际修复工作具有重要指导意义。

完成虚拟复原、尚未完成实际修复的一件右骖马陶俑

耿国华教授介绍，虚拟修复完成的陶俑中，有些至今仍未完成实体修复，比如一号坑的右骖马。在电脑中可以看到这件陶俑的完整形象，可以来回多个角度转动欣赏，模型拼接关系图中，各个碎片的编号也非常清楚，完全可以替代实体修复的效果。

周明全教授说，兵马俑是高度写实的，连马嘴上颚里头都抹得一绺一绺地很真实，感觉写实到了极致。若实际修复完成后，里面的情况就不太看到了，虚拟复原就不存在这样的问题。同时，虚拟修复也是数字化保护的过程，有了这份数字化文物，对于考古研究、博物馆展陈来说也可以提供很大的帮助。另外，考古发掘现场的实际场景是不可逆的，而对考古发掘实行全程数字化记录后，考古发掘的过程也是可以分阶段回溯展示的，这对于博物馆展陈来说非常直观。

根据现场扫描数据 生成气势恢宏的秦俑方阵

不仅对一件件的文物可实现数字化，对于大遗址考古发掘现场，西大科研团队研制的全视野裸眼沉浸式展示设备也可以排上大用场。这便是该科研团队的另一成果：“遗迹与资料融合的历史空间重现技术”。

在西北大学文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心的一块全视野碗幕上，记者看到了根据大遗址现场扫描数据生成的秦俑一号坑气势恢宏的秦俑方阵。耿国华教授说，这是完全按照秦俑一号坑实际秦俑建模生成的模型。

据了解，这一科研成果的应用还包括了对布达拉宫、塔尔寺等遗址的精准采集建模。

研究中心一屏幕演示的秦陵地宫假想视频

可以想象，在文化遗产数字化复原技术的推动和加持下，“让文物活起来”必将更加入眼、入心。

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