“我希望有一天人们来到西安，能够通过信息科学技术成果，穿越时空身临其境地感受到汉唐长安的盛世辉煌。”
耿国华，文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心主任，西北大学教授。研究方向涉及智能信息处理、模式识别、图像处理等。
唐公主李倕头像修复图现世
▲ 唐公主李倕颅骨面貌复原图（左）
唐公主李倕棺椁头颅遗骸（右）
2010年，中德两国专家利用出土的佩饰实物修复了公主精美绝伦的头冠。但这头冠究竟戴在什么模样的美人头上，更让所有人倍感好奇。史料上对这位早逝的公主并无多少图文记载，留存在世的也仅有棺椁中的遗骸。
为解开这个千年之谜，陕西省考古研究院找到了国内非常权威的文物虚拟修复专家，来自北京师范大学信息科学与技术学院的院长周明全教授以及拥有多年陕西文物数字保护经验的耿国华教授。
来自两所大学的科研团队，通过他们自己研制出的软件，重构出公主的三维颅骨，并利用“计算机颅面复原软件”技术复原了三维头像。随后，他们又根据中国古代头饰礼仪，对已经复原的头冠进行数字化修复。
经过一年多的努力，唐公主李倕的容颜终于得以完整再现，其华冠铺红叠翠，雍容华贵，其容貌秀丽端庄，恬静贤淑，甚至还有一丝桀骜不驯的劲头，一个帝王之家的公主形象，栩栩如生，呼之欲出。
实际上，“颅面复原”并不是考古学中的新鲜事物，耿教授介绍说，早在1895年德国科学家就提出了根据遗存颅骨复原其生前面貌的可能性并付诸实践。但样本尸骨量极少，专家才能复原，这种传统复原方法并不具备推广价值。
随着CT、三维扫描设备的普及应用，提供了获取现代人颅面软组织厚度的途径。计算机颅面复原技术是利用CT或三维扫描设备对颅骨数字化，然后基于颅面数据库来复原未知面貌。
从1996年开始，周明全和耿国华教授就带领西北大学的科研人员建起了“中国人颅面数据库”，这不仅开创了国内此领域的先河，数据库中收集的2000多例现代人颅面数据信息，也是中国乃至世界最丰富最有代表性的颅面数据库。
以“颅面数据库”的建立为支撑，以自主研发的“颅面复原软件”为抓手，逐步形成了“颅面形态信息学”的体系。这种技术的进步在于基于科学数据揭示规律，将其应用在古人颅骨面貌复原上，基于现代人软组织厚度精准地复原著名古代人物的容貌。精准是科学家们的准绳。
“数字考古”由理想迈入现实
“文化遗产数字化”的重要意义在于保护文物和传承文化，支持考古学家进行更深入的研究。
考古连接着过去与现在，耿教授告诉我们，考古发掘本身就是遗迹不断被损毁的过程，但有了计算机三维保存与展示，首先是考古专家可以从不同角度观察遗迹的局部或整体，后期的研究和分析也可以在虚拟的三维模型上进行，而不用直接接触文物。
其次，三维模型数据可以全面记录文物的空间信息，帮助将考古信息进行综合整理和归类。而对于普通观众来说，逼真的三维模型更易于理解和接受，便于公众对文化遗产的认知和关注。
尽管在人们传统的印象中，信息科技未来感十足，而考古学充满了历史的灰尘，但举着信息技术的火把进入历史的秘境，用计算机的语言在时光的隧道中自由穿梭，这样的“穿越”工作，耿国华教授已经从事了三十余年。
上个世纪九十年代，随着计算机图形技术的迅猛发展，“数字考古”的概念逐渐引起了考古学界的重视，利用计算机技术来展示文物、进行数据存档，开始被考古学者们所接纳和采用。
1996年，陕西省兵马俑博物馆积极拥抱“数字化”浪潮，希望西北大学的专家能够对博物馆中的文字资料进行数字化管理。走进博物馆的遗址现场，看到散落在地的文物碎片和缺胳膊少腿的兵马俑，长期从事信息技术研究的耿国华敏锐地捕捉到三维技术在考古领域的应用前景。她与周教授一起尝试对兵马俑遗址进行三维建模和文物的虚拟修复。
▲ 唐公主李倕颅骨面貌复原图（左）
唐公主李倕棺椁头颅遗骸（右）
想法很美好，但现实却很“骨感”。首先，三维技术在当时也属于计算机图形技术中的新兴门类，技术上的薄弱是耿国华首先要攻克的对象。其次，经费上的不足也让他们常常捉襟见肘，只能从其他项目中挤挤牙缝。但文物遗迹就在那里，耿国华心里只有一个想法，坚持做下去，让这些历史文物重现它们本来的面貌。
成功虚拟复原“泡钉俑”
2009年，兵马俑一号坑进行了举世瞩目的第三次发掘。在K9901陪葬坑百戏俑坑中，考古专家们发现了此前从未见过的新俑种。与以前出土的百戏俑都是上身赤裸下身着裳不同，这件俑身着式样独特的上衣。其上面布满了排列有序且直径在3.5厘米左右的圆泡，泡钉周围还有彩绘纹样，而且其穿衣方式与古人一般的右开襟不同，它的开襟是在后面，专家们将其命名为“泡钉俑”。
新俑种的发现让考古学家们欣喜不已，但要让残破成数百上千块的陶俑复原成本来的样貌，“就像把一百个碗摔到地上，碎成碎片，再捡起来把它拼接完整”，是一件极其耗费人力和时间的事情，检验耿国华虚拟复原方案的时候到了。
耿国华和她的团队首先采用三维扫描技术获得文物碎片的轮廓曲面数据，利用软件将这些散乱数据点进行网格化，得到三角网格数据。通过在大量无规则的破损碎片中寻找碎片之间的拓扑关系，利用空间曲线匹配技术，进行搜索匹配，从而确定匹配结果，然后再进行拼接。
利用计算机超高的数据处理能力，一个破裂成数百块碎片的陶俑完成虚拟拼接只需要1小时。用虚拟复原结果指导人工实体修复，理论上能够达到1天修复1个秦俑的速度。具有极大考古价值的“泡钉俑”的虚拟复原模型鲜活地呈现在人们面前，它先于实体复原，指导其后的“泡钉俑”实体复原过程。
不仅有“泡钉俑”的成功复原，耿国华和团队成员还虚拟复原了一号坑的一批珍贵文物。其中一号坑的右骖马虽有百余片，2011年就已建有虚拟复原模型供研究与展示，但截止2017年还未实体复原。他们参与到秦始皇帝陵博物院数字化建模和三维全景扫描等项目中，用数字化的手段辅助考古挖掘和文物研究。
▲ 兵马俑一号坑右骖马虚拟复原模型
（至今未实体复原，100余片）
二十多年坚持“文物数字化”的交叉研究，从自掏腰包做项目，到承担博物馆行业单位的重要项目，到获得国家部委项目的大力支持，耿国华见证着数字化考古和实体保护工作的并轨实施在我国发展历程。
2014年，“文化遗产数字化国家地方联合工程研究中心”正式在西北大学挂牌成立。作为文化遗产数字化保护领域的唯一国家级别的工程研究中心，担任中心主任的耿国华深感前路广阔，责任重大。
“不是所有人都需要成为历史学家、考古专家，但对于历史的了解，对于优秀的中华文化，我们每一个人都有需求，也有责任去传承。”在耿国华看来，作为一种技术手段的信息科学，就正是这样一个人人都能触及的工具和平台。
目前，耿国华的团队正在致力于研究长安古城的复原，他们将综合运用GPS、VR等科技来帮助人们判断其在长安城中所处的位置和古人有怎样的渊源，从而能让人们更深入地感受历史，体验历史，传承文化。未来，他们的研究目标还将覆盖古丝绸之路沿线的诸多历史遗址。
从教38年，硕果累累
回顾自己的研究生涯，耿国华感慨人生的际遇就像文物修复工作一样，实际上充满了未知。耿国华对学生们说，“我们这一代人在求学和工作时，实际上是没有什么选择的，国家利益高于一切。”但也许正是别无选择，她便选择热爱当下的事业和研究，唯有专注和坚持，才能不负青春，不负这份事业的重托。
从西北大学数学系毕业的耿国华，教授计算机课程38年。尽管计算机学科需要数学思维的指导，但更注重技术性和构造性，耿国华凭着一股钻研的韧劲儿和全身心地投入，不断琢磨新的教学方法和教学理念。
她提出并实施了“指导-大运动量实践-反馈”教学法，在软件人才培养中发挥了重要作用，主持带领的“计算机专业基础核心课程”国家教学团队建设，主持获得3项国家教学成果奖，在国内产生了重要影响，所主持的“计算机基础”“数据结构”两门课程均获国家精品课程、国家精品资源共享课程，她本人也荣获“国家教学名师”、“万人计划领军人才”的称号。
和当初“别无选择”的自己相比，耿国华教授对于自己的学生们宽容很多。在计算机信息技术成为热门学科的今天，她并不苛求学生们都像她一样埋首科研潜心教学，但她常常告诫他们，不管今后从事什么职业，“任何事情都不是一蹴而就，都需要明确目标，下定决心，持之以恒。既然选择了远方，便只顾风雨兼程。而做科学研究，尤其如此。”用信息之手助力文化遗产保护传承，耿教授和同行们正在奋力前行。
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