从“千年军团”到数字觉醒

秦始皇兵马俑宛如黄土深处的“文明样本库”，以成千上万件陶俑、战马与战车为核心，持续向学界与公众释放关于制度、军阵、工艺与审美的关键信息，滋养考古学、历史学、材料科学、艺术史与工程测量等学科的交叉生长。就人类文明史而言，它以体量宏大而类型完整的遗存，提供了认识古代大一统国家组织与手工制造体系的第一手证据，并为全球遗产研究与传播提供了罕见的系统样本。

针对体量巨大、类型复杂、彩绘脆弱的特点，兵马俑考古与数字化工程同步推进：采用非接触高精度三维扫描、结构光与摄影测量，配合材质与彩绘检测，建立多模态数据库；引入碎片识别、断面匹配、缺损推断等智能算法，输出可回溯的虚拟修复方案，并与实体验证闭环衔接；同时通过VR/AR与裸眼3D等方式转化展示，让这支“地下军团”在数字时代获得新的生命形态。

一号坑及相关坑位的田野发掘、库房保护与数据治理协同推进，历年资料已进行系统整理与标准化入库。第三代扫描平台实现分钟级采集、毫米级建模，以“碎片识别+模板引导”的策略显著提升碎片匹配效率，可直接指导实体修复。后续将完善元数据与质控规范，深化兵种类型、工艺流程与彩绘机理的分型统计，推进知识图谱与跨库互联，形成可复制、可推广的数字考古与虚拟修复范式。

数字化扫描技术的研发历程

要实现兵马俑的数字化修复，就需要先将兵马俑转化成能被计算机处理的数字模型，这依赖于高精度三维扫描技术。耿国华、周明全两位教授的团队在国内较早开展文物三维扫描仪研制：1996年承担“九五”科技攻关项目，启动自主扫描设备研发，1997年推出第一代点激光三维扫描仪，最初用于公安部物证鉴定中心的颅骨面貌虚拟复原，随后拓展到文物三维建模。2002年，团队研制第二代线激光三维扫描仪，实现多次曝光的真彩色采集，解决了高反光瓷器表面的扫描难题，并应用于教育部数字考古博物馆等项目。2012年前后，又开发出搭载于无人机的大场景三维成像系统，将实景航拍与激光扫描结合，用于秦陵等大型遗址的三维建模，实现不可移动文物的整体数字化。到2020年，团队研制第三代扫描设备，采用结构光扫描、双机械臂与机器视觉技术，可同步获取文物的几何与纹理信息，大幅提升单件文物的扫描效率：由以往动辄数小时甚至数天缩短至数分钟即可完成，精度达0.05毫米量级，满足兵马俑等文物细微特征采集需求。借助该系统，过去扫描一件兵马俑需上千分钟，如今几分钟即可获取完整三维模型。一系列设备的演进，为兵马俑数字化采集提供了关键技术支撑，在提高效率和保持非接触性方面表现突出，为系统获取文物数据创造了良好条件。

虚拟修复与碎片拼接技术

有了三维扫描获取的海量数据，周明全、耿国华二位教授率先将“虚拟拼接”理念引入文物虚拟修复。兵马俑坑出土的陶俑几乎都破碎成大量碎片，且彼此混杂，很难仅凭人工判断哪些碎片属于同一尊俑。团队提出利用碎片的纹理特征和断面边缘特征进行分类匹配。虚拟修复大致分三步：一是用三维扫描精确获取每一块碎片的外形曲面和断裂面数据；二是在计算机中对全部碎片进行运算分析，自动筛选出相互邻近、能够拼合的碎片对；三是在三维空间中完成虚拟拼接，重建完整的兵马俑三维模型，形成计算机辅助文物拼对系统。这一计算机辅助文物拼对系统极大提高了碎片匹配的准确性和效率。传统手工拼对宛如“巨型拼图”，一尊陶俑往往耗时漫长且难保精度。借助虚拟拼接技术，计算机可在较短时间内完成数百碎片的数字拼合，再据此指导人工进行实体粘接，大幅减少人工匹配时间，并避免反复试错对文物造成二次损伤。

2003年前后，团队研制出激光三维真彩色扫描仪等配套技术，可获取碎片表面的真实纹理和颜色，显著提升纹理比对效果。同时，他们提出空间曲线匹配、碎片拓扑关系重建等算法，实现计算机自动识别最佳碎片组合，推动文物虚拟修复取得关键突破。2003年至2007年间，项目组完成秦陵一号坑陶俑碎片的数字化采集与处理，虚拟重建出数十尊完整陶俑模型。“文物虚拟修复和数字化保护技术的研究与应用”成果于2009年获国家科学技术进步奖二等奖，在我国文物数字化保护领域因数字技术创新获此殊荣尚属首次。此后，该技术在青花瓷器、故宫馆藏字画、河南出土青铜器等多类文物上得到应用，表明虚拟可视化与计算机辅助拼接补全正为文物修复开辟新的技术路径。

数字案例实践效果

考古研究与文化传播。通过主持国家重点项目和成立秦陵—西大虚拟考古联合实验室，完成了秦陵一号坑第三次发掘及K9901坑的数字化建模，为考古研究提供了大量可量化数据。虚拟修复的工程化应用验证了智能算法的可靠性与前瞻性，推动修复模式从“经验拼接”向“智能引导”转变。多媒体传播方面，项目开发的裸眼3D展示系统、光影全息展演等新媒体形式，让兵马俑走出展柜、融入现实场景，被英国广播公司、东京广播公司、央视、新华网等媒体广泛报道。数字复原成果通过央视大型纪录片《帝陵》在全球200多家电视台播出，提升了中华文明的国际影响力。这一成效表明数字化不仅是科学工具，更是文化传播的新引擎，能够带动考古、文化、旅游、教育等多业态融合。

产业转化与地方经济。项目核心技术已转化为数字建模设备、文物展示系统和三维拼接算法平台，广泛应用于博物馆和有关文博单位，构建起数字修复、传播、展演的文化产业链。通过专利转让与平台服务，项目形成了可持续的造血机制，成为地方文旅融合和数字文化新业态的重要支点。这种以科技创新带动产业升级的模式已被实践证明有效，助推了文旅融合、文创开发等新业态的发展。

教育普及与人才培养。周明全、耿国华教授的团队出版了《文化遗产数字化保护技术应用》中英文专著，形成了涵盖扫描建模、三维重建、人工智能、展演传播的复合型人才培养体系。结合世界VR产业大会、欧亚经济论坛等学术活动，为公众与业界普及数字文保知识；通过数字博物馆应用、科普节目、科学夏令营等形式，让青少年亲手体验碎片拼接和虚拟修复过程，增强文化认同感。这种将专业研究成果转化为大众教育的路径，正是数字遗产保护走向社会化、可持续化的重要标志。

AI赋能文保的无限可能

周明全、耿国华教授的前期工作，为构建文物虚拟修复与智能匹配体系奠定了坚实基础。在数据层面，他们已建立起涵盖兵马俑个体和遗址全景的数字资产：包括成千上万的碎片三维模型、多尊陶俑的数字化复原模型，以及约56平方公里秦陵遗址的三维档案，为后续智能匹配系统提供了充足“素材”和训练数据。在技术层面，团队提出的纹理边缘特征提取、空间曲线匹配和碎片拓扑关系重建等方法，本身已具备智能匹配雏形，未来可在此基础上引入机器学习和人工智能，从已拼对案例中持续“学习”，进一步提升碎片自动匹配的准确度和效率。

早在虚拟复原兵马俑实践中，两位教授就提出“先让陶俑在电脑中复活，再交由人工修复”的理念，“数字先行、实体跟进”的模式也被视为智能修复体系的核心思路。基于既有积累，未来有望构建集碎片识别、缺损预测和拼接辅助于一体的智能修复平台，提高兵马俑修复的系统化和自动化水平，缩短从考古发掘到展陈开放的时间。更重要的是，这一系列数字化成果和方法论推动文物保护理念从“抢救性修复”转向“预防性数字保存”：即便不进行实物碎片的拼接修复，也能在数字空间重建兵马俑阵列，让公众和研究者随时“走进”秦陵考古现场、细看每一件文物。可以说，当年工匠用技艺赋予陶俑生命，如今科学家正以数字技术让兵马俑获得“新生”，而他们的研究与积累，已成为后续兵马俑虚拟修复与智能匹配体系建设的重要基石。

（作者单位：西北大学文化遗产数字化国家地方工程研究中心）