山东大学考古数字博物馆
时间：2020-08-26 07:54:22 来源：达达文档网 本文已影响 人 
我国有着悠久的历史、灿烂的文明，文物、古迹众多，是中华文明的重要载体。博物馆是收集、保存、展示文物的重要场所。山东大学博物馆几十年来共收藏了泗水尹家城遗址、龙山文化城址、春秋仙人台遗址出土的考古文物万余件，其中不乏文物精品，如蛋壳陶高柄杯、龙山文化陶书文字等，具有极高的艺术和历史价值。然而，由于受空间、经费等因素的制约，博物馆中展示的内容和方式有限，大量文物常藏于库房，无法展出。与实体博物馆相比，数字博物馆可摆脱时空等因素的限制，极大提高了博物馆资源的利用效率。
2001年起，在国家教育部《面向21世纪教育振兴行动计划》之“现代远程教育工程”中央财政专项资助下，山东大学计算机科学与技术学院、考古系、博物馆经过多年的合作，采用网络、人机交互、虚拟现实、数字水印等众多计算机技术，研发了文物信息管理系统、网站数据采集系统、虚拟博物馆协同设计与漫游系统等系列软件，实现了1万余件文物的数字化，生成文字、图像、音频、视频以及三维模型和场景等多媒体内容，建立了“山东大学考古数字博物馆”。
下面主要围绕建设山东大学考古数字博物馆所涉及的数字内容生成、内容管理、内容展示及内容安全四方面介绍所用到的部分计算机技术。
1数字内容生成
山东大学数字博物馆的文物标本延续时间长，质地多样，涉及文献资料众多。根据以上特点，在数字化工作过程中，首先由考古学及博物馆专家对藏品进行以遗址、质料、年代等为单位的分类编目与文字资料撰写；同时对古代遗址资料及考古学相关信息，包括考古学小辞典、考古过程、考古名家等加以整理，使数字博物馆浏览者全面了解考古博物馆的内容，在此基础上对博物馆资源进行数字化。考古数字博物馆的数字内容式丰富，包括了文字录入、拍照、录像与录音、三维建模等。
(1)文物的三维建模技术
采用三维扫描技术重构高分辨率的三维虚拟文物。三维扫描的基本过程包括将物理物体的形状和表面特征加以数字化，将多个部分模型融合成一个完整的模型并为模型贴上相应的材质，构建出高分辨率的虚拟物体。由于山东大学考古数字化博物馆重构的都是珍贵文物，因此采用了加拿大InSpeck公司的InSpeck3D-DF(非接触式的结构光技术)三维扫描仪对文物进行三维扫描，完成了100余件文物珍品的三维建模。
(2)文物的复原技术
考古挖掘现场通常出土成千上万的文物碎片，考古人员需要将其拼接成一个个完整的文物。这一工作主要靠手工完成，既耗费时间，又容易破坏文物，因此我们研究采用计算机技术辅助完成文物修复。计算机辅助修复一般需要以下几个主要步骤：①文物碎片的获取，通过三维扫描技术获取文物碎片的三维模型并进行去噪等处理；②文物碎片分类，根据几何特征和颜色纹理等信息，把来自同一文物的大量碎片归为一类；③文物碎片拼接，在分类的基础上对碎片进行局部匹配和全局匹配；④文物修补，补全丢失的几何和纹理信息。其中分类是拼接和修补的基础。我们研究了修复系统的体系结构，提取旋转体文物(很多文物一般都在旋转盘上手工制成)的几何特征和拼接方法，为考古人员拼接修复文物提供帮助。
(3)场景的三维建模技术
博物馆建筑、古代墓葬遗址等场景需要采用合适的技术构建三维模型。在建模过程中，像楼宇等较规则模型主要采用的是简单几何体并拼贴纹理的方法。为了加快构建速度，我们采用计算机支持的协同设计技术开发了虚拟博物馆协同设计平台，支持不同知识背景的专家共同参与虚拟博物馆的建设，对不同展厅进行主题布展，在布展过程中也可使用协同工具交流、讨论。
2数字内容管理
文物信息管理系统是山东大学考古数字博物馆的数字内容管理软件，可提供博物馆多媒体信息(主要是文物信息)的录入、检索、修改以及输出、系统安全管理，为文物展示、虚拟场景漫游以及博物馆网站提供数据支持。这些系统主要采用Sql Server数据库后台存储相关信息，利用VB开发相应的前台管理程序。
(1)基于自然语言理解的检索技术
系统主要提供两种文物检索方式：文字查询和树形检索。文字查询提供多种灵活的检索方式，包括对文物不同字段信息的单独或联合检索、模糊检索等功能。还研究开发了基于自然语言理解的检索技术，支持用户输入自然语言方式的查询命令，通过一定的算法把用户的输入转换成标准SQL语句，从数据库进行查询，也可在互联网上进行相关信息检索。
(2)基于XML的数字博物馆数据集成技术
海量数字化内容在互联网上的展示，不同数字博物馆系统之间大量的数据交换，都要求对交换数据的内容和表现方式有所说明。目前还没有形成数字博物馆的数据表示标准，基本的文物信息描述都还没有统一的数据结构；各数字博物馆之间缺乏统一的数据结构约定，博物馆间信息交互效率低下，资源共享困难。我们基于XML实现了数字博物馆数据的集成，开展了文物数字信息的元数据模型及其XML表示、XML与数据库间的数据映射等工作。基于文物元数据模型和XML文档结构，从数据库中抽取对应字段编写成XML文档，配合应用样式信息文件(XSL文件)，方便地实现了文档网上发布；通过借助DTD识别XML文档中的标记，可以从标准格式的XML文档中获得需要的信息存储到数据库中，实现数据的交换。
3数字内容展示
对于众多的文物数字化内容，我们采用了多种展示方式，如采用Flash动画演示文物的演变；采用VRML、全景图等技术实现网上显示三维模型和场景；使用虚拟现实和人机交互技术实现虚拟博物馆的漫游；使用RFID技术实现移动设备上博物馆数字内容的展示等。
(1)基于多通道交互技术的博物馆漫游
我们设计的虚拟场景漫游系统提供了基于VRML技术的网上三维展示与漫游和具有沉浸感的虚拟漫游两种方式。在后者的设计中，我们采用了多通道交互技术加强沉浸感。虚拟场景建立后，在环境漫游过程中采用多通道人机界面增强沉浸感和交互的自然性。系统既支持固定路径虚拟漫游，又支持用户指定路径的漫游。观众使用头盔、立体眼镜、数据手套等虚拟现实设备，在三维虚拟博物馆漫游浏览、观赏三维虚拟文物，也可利用手势指定漫游路线、操纵文物模型。我们还建立了双乳山汉墓虚拟漫游系统，观众也可使用头盔、立体眼镜、数据手套等虚拟现实设备，在双乳山汉墓周围及其内部漫游。
在进行复杂模型与场景的显示时，利用LOD(levels of details)技术来提高显示速度。LOD的基本原理是
根据视点与物体之间的距离选择绘制模型的精细程度，较远时选择比较粗糙的模型，较近时选择比较精细的模型，通过平滑过渡技术来显示。在仿真管理器中，通过指定选择模型的距离，根据视点离物体的远近自动选择要显示的模型。
(2)基于全景图技术的博物馆漫游
基于照片的全景图技术是一种快速生成、低成本的漫游手段。它通过全景照片的拼接，投影转换到柱状场景，实现真实感较强的浏览体验。在研究沉浸式交互的同时，我们用全景图技术对博物馆的真实内部展览场景(五个展厅)和校园外景实现了浏览，保证了全景展示的高质量。
(3)基于RFID技术和移动设备的博物馆内容展示
我们还基于RFID技术，并利用无线传输网络访问服务器上的博物馆内容，支持用户在实际博物馆中通过移动设备浏览当前文物的数字内容，了解更多的信息，可起到替代导游的作用。
4数字内容安全
文物数字内容包含文本、图像、音频、视频、三维模型等多种媒体类型，需要进行有效的数字版权保护。对此，我们研发了多种不同的数字水印技术，对图像、三维模型等媒体信息进行信息隐藏，以期达到数字版权保护的目的。
5其他
在考古数字博物馆的建设中，我们还用到了其他一些技术。网站系统的可用性评估是其中之一。由于数字博物馆的建设有其独特性，博物馆藏品众多、资料丰富、形式多样，如何使资源以最有效的形式展示给用户，让用户在访问中感到满意，吸引更多的用户来访问，提高整个网站的可用性，都对数字博物馆的建设有重要的影响。我们采用启发式评估、放声思考法及个别访谈法等工程研究方法对山东大学考古数字博物馆网站的可用性、布局和结构进行了评估，对评估结果进行分析，并根据评估结果不断修改与完善。
6总结
在设计考古数字博物馆时，我们充分考虑了文物数据数字化特点及当前计算机软硬件技术的发展，本着实用化原则，采用了网络、人机交互、虚拟现实、数字水印等多种计算机技术，实现了大量文物多媒体信息的数字化工作，并研发了多个系统软件。到目前为止，山东大学考古数字博物馆网站访问量已超过7万次，在实现资源共享、保护珍贵博物馆资源、文化传播与普及、考古教学与科研等方面都取得了很好的社会效益，受到广泛赞誉。
目前，我们正在“中国数字科技馆”子项目“数字上古科技信息博物馆”项目资助下，在山东大学考古数字博物馆的基础上，基于部分已有的数字内容，利用虚拟现实技术、动画技术、游戏技术等，力争再现上古时期的生产、生活场景，生动地介绍上古时期的科技发展情况，更好地传播、普及古代科技知识。
