简牍文物三维虚拟展示平台的研究与实现
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《文物计算机辅助修复方法探 邱志惠、 宁军涛： @A 李 涤 尘 、 《文物保护与考古科学 》 讨》 ， 688B 年第 C 期。 《 计算机技术在文物保护中的应用 》 《 文物保 李杏： ， 6A 郑军、 护与考古科学 》 @DDD 年第 @ 期。 《 虚拟殷墟博物苑的三维展示技 刘学莉、 刘晨曦： CA 段新昱、 《系统仿真学报 》 术》 ， 688B 年第 @E 期。 《 敦煌石窟虚拟重现与壁画修复模 潘云鹤、 陈任： FA 鲁东明、 《测绘学报 》 拟》 ， 6886 年第 @ 期。 《 简牍文字在中国书法史上的作用 》 《 阜阳师院 ， BA 方孝坤： > 社科版 ? @DDD 年第 C 期。 学报 》 《 中 国简 牍 学综 论 》 ， 华 东师 范大 学 出版 社 @DHD GA 郑 有国 ： 年。
劣， 使得大多数简牍出现了腐蚀、 朽烂、 牍文物的展览和科学研究提供了更为丰
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简牍文物三维虚拟展示平台的研究与实现
损害情况的随机性较大、 无明显的规律性。 根据数 字图像处理技术的理论知识可知， 通过对简牍实 物进行数字拍照， 已经将包括简牍文字在内的所 有简牍语法信息无损失地转化为了可由计算机处 理数字语用信息， 而此时所得到的数字语用信息 是我们所关注的简牍文字信息和其他干扰信息的 混合体， 之后我们可以选择采用数字图像处理技 术中的几何处理、 图像去噪、 图像分割、 图像增强、 图像复原、 图像重建、 图像识别或图像理解等方法 将简牍文字信息与其他干扰信息分离开来， 并通 过对简牍文字的修复处理， 最后得到我们所关注 的简牍文字语义信息。 由于篇幅所限， 本文在这里只列举出简牍文 详细的算法原理与实现过程， 请参看张伟、 图三 " 。 《 微计算信息 》 王绪本、 金平在 #$$% 年第 & 期发表 《’())* 边缘算子在简牍文字修复中的应用》 。 的 四 简牍文物三维虚拟展示模型的实现 随着硬件技术及网络技术的飞速发展 + 使得 网络上的虚拟现实技术成为了现实。 目前 + 在众多 虚拟现实技术中使用最多而且效果最好的是 通过由 ,-./ 建立的 ,-./ 虚拟现实建模语言。 虚拟展示场景， 使得简牍文物专家的研究成果能 够在互联网上以简洁的、 三维立体的、 直观的方式 展示出来， 实现了简牍文物的无损失、 无损害以及 永久性文物展览。 在三维场景的建模时， 理论上， 我们可以通过 文本编 辑器编写 ,-./ 代码 来创建三维 物体和 场景， 但在实际创建三维物体的过程中， 即使一个 非常小的三维物体也需要冗长的代码， 对于复杂 模型的构造和修改就更加不便。 同时， 更考虑到简 牍文物自身的特点， 要想通过 ,-./ 语言手动编 码的方式， 将简牍文物的材质、 形制、 色彩等特点 逼真地重现出来是非常困难的。 因此， 我们首先借 助功能强大的 .010 软件， 在 .010 平台和简牍 专家的指导下， 结合简牍在不同历史时期下的编 册方式， 设定了虚拟场景中的背景、 声音以及简牍 的空间位置、 形态、 材质、 色彩等， 创建出了不同的 三维简牍模型， 如秦简模型、 汉简模型、 吴简模型 等， 然后在 .010 平台下将设计的场景模型导出 对于三维简牍模型的设计中， 我们首先利用 它 ,-./ 的 23(45 节点创造了两个三维长方体， 们具有相同长度和宽度。 其中负责承载简牍文字 信息的长方体的厚度很薄， 为 $6 $$7 个 ,-./ 长 度单位； 另一个表示简牍形制特点的长方体较厚， 在充分研究出土简牍文物实物的基础上， 将其厚 度 设 置 为 $6 7 个 ,-./ 长 度 单 位 。 之后再利用
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发达社会与遏止领先 博物馆
简牍文物三维虚拟展示平台的研究与实现
汪利艳 王绪本
四川成都 ()""*& + ’ 成都理工大学信息工程学院
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’ 湖南长沙简牍博物馆
湖南长沙
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在我国， 随着信息技术的快速发展， 各文物管 理部门和科研单位都加强了采用数字信息技术来 进行古文物保护的研究和探索， 其中引入虚拟现 实技术来实现文物考古信息的虚拟复原展示是数 字信息技术与文物考古保护相结合中一种应用比 较广泛、 可靠和有效的方法。 目前比较著名的案例 “敦煌艺术数字保护与虚拟 有： 由浙江大学实施的 旅游 ” 项目； 由北京大学牵头组织、 由日方投资的 “ 故宫三维虚拟展示系统 ” ； 由北京水晶石公司采 “ 清北京再现 ” 用虚拟现实技术完成的 系统等。 这 些将虚拟现实技术与文物考古相结合的成功案例 很好地解决了单个或多个大型古建筑群及复杂文 物实体的三维虚拟复原展示的问题。 但对于简牍 文物而言， 需要重点解决的并不是简牍文物整体 收稿日期 !""# $ "% $ !&
以长沙简牍博物馆所收藏的简牍文物为研究模型， 提出了将虚拟现实技术与简牍文
物展览相结合的新方法。 结合简牍文物自身特点和长沙简牍博物馆的实际情况， 阐述了简牍文物三 维虚拟展示模型的实现原理和过程， 以及简牍文物三维虚拟展示平台的实现逻辑流程、 系统结构和 数据交换方式等。 关键词 ,-./ 虚拟文物展示 文物虚拟展示平台 文献标识码 K 形态的复原问题， 而是简牍文物上具体文字信息 的复原展示问题， 因此传统的虚拟现实技术并不 能解决简牍文物的虚拟展示问题。 本文通过与长沙简牍博物馆的合作， 以该馆 所收藏的我国古代秦、 汉、 三国时期的简牍文物为 实物模型， 提出了结合数字图像处理技术和虚拟 现实 技术来 解决简牍 文物虚 拟展示 问题的 新方 法。 将简牍文物虚拟展示的问题分为两个方面： 一 方面利用数字图像处理技术来对简牍文物上的文 字信息进行分割提取和文字修复； 另一方面利用 虚拟现实技术来实现简牍文字的三维建模和虚拟 展示， 最后再结合数据库技术和软件工程技术实 现一个 相对智能化 的基于 ,-./ 的三维 简牍文 物虚拟展示平台。 此外， 该虚拟展示平台的实现不 仅可以大大的提高简牍文物展览的准确性和有效 中图分类法 一 引言
字信息提取与修复的处理流程和处理结果 ! 图ຫໍສະໝຸດ Baidu、 成标准的 ,-./ 文件。
《东南文化 》 #$$% 年第 ! 期总第 #$! 期
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中， 当展示场景需要复杂的逻辑处 理时， 9:&;<2 节点可以将前端的展示 功能与后台的逻辑处理功能分开， 将复杂的逻辑处理封装到一个 4’5’ 类中， 由 后 台 的 4’5’ 程 序 来 处 理 。 而 9:&;<2 节点作为虚拟场景与外部 当用户 4’5’ 程序之间的交互桥梁， 浏览 !"#$ 虚拟 场景 时， !"#$ 虚 拟场景可根据用户的操作指令 > 鼠 标或键盘响应 ?， 通过预先定义的 9:&;<2 节 点 将 控 制 权 交 由 该 节 点 并 ="$ 字段属性所指定的 4’5’ 类， !"#$ 的 %&’()*+&, 节点来设置这两个长方体的 空间位置， 使两个长方体在 - 轴上先后紧贴、 中 间没有缝隙， 并且使承载简牍文字信息的长方体 在前， 面向虚拟场景的浏览者。 最后再利用 !"#$ 的 .,’/0%0123&0 节点， 将由数字图像处理技术修 复好的简牍文字图片作为图片纹理附加到承载简 牍文字信息的长方体上， 同时将能够表示简牍竹 木材质、 纹理和颜色的背景图片作为图片纹理附 加到表示简牍形制结构的长方体上。 经过代码优 五 简牍文物三维虚拟展示平台的实现 向该类传入对应的参数， 4’5’ 类则根据自身所定 义的逻辑进行处理操作， 并将处理结果以返回参 数的形式送回到 !"#$ 虚拟场景中， 从而完成了 虚拟场景与外部控制程序之间的交互。 由于篇幅 所限， 加之 4’5’ 语言、 数据库技术和 !"#$ 语言 已研究得非常成熟， 因此本文这里只对本平台的 系统结构、 数据交换方式进行介绍 > 图六 ? 。 六 结语 本文作者创新点： 提出了虚拟现实技术与简 处理技术和虚拟现实技术实现了简牍文字信息修 复和文物实体虚拟建模的基础上， 引入数据库技 术和软件工程技术建立了一个相对智能化的三维 简牍文物虚拟展示平台， 以网络化、 立体化、 低成 本、 高效率的新方式提高了简牍文物展览的有效 性。 参考文献：
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性， 更可以通过进一步研究应用到考古 壁 文字挖掘与保护的其它领域 ! 如碑文、 画、 石刻、 帛书等。 二 展览 目前， 在简牍文物的保护过程中， 由 于简牍文物的材质特性， 加之大多数简 牍实物长期埋存地下， 保存环境复杂恶 断裂、 残缺、 顺序散乱的现象， 进而也使 得简牍上的文字信息也出现了脱落、 墨 迹扩散、 缺失等现象。 在简牍文物的保护 “不改变文物 工作中， 简牍专家需要遵从 原状 ” 原则 ! 对出土的简牍文物进行缀合 和修复处理， 通过海量的查找和排序将 多枚残断的简牍缀合成一枚枚完整的简 牍， 通过人脑的经验和推断将一枚枚缺 失的简牍进行人为修补， 进而恢复成一 部部原始简牍古籍， 尽可能地向世人重 现其原有的历史、 艺术形态。 但是， 由于 出土简牍的脆弱性、 数量的庞大性、 顺序 的散乱性， 使得简牍文物的展览对传统 以实物或平面照片的文物展览方式提出 了新的要求。 从目前的技术发展和应用 研究看， 虚拟现实技术无疑是无损失、 无 损害、 永久性文物展览的最佳手段， 将简 牍文物进行高分辨率的数字拍照， 可以 将包含简牍材质、 形制、 文字在内的所有 客观自然界信息转化成数字信息后输入 计算机， 最后由计算机建立起来的三维 简牍虚拟展示系统来立体地展示简牍文 无损失信息展现与数字化文物
物。 与传统展览方式相比， 其优点有： "、 可以突破时间和地域限制， 通过互联网 进行文物的展出， 极大地拓展简牍文化 遗产的影响， 弘扬民族文化； 可以防止 #、 参观者与文物的直接接触， 使得大规模 的非破坏性展示成为可能； 可以消除 $、 空间的限制， 逼真立体地、 可人机交互地 虚拟复原出简牍文物的原始形态， 为简 富的资料。 三 简牍文字信息的提取与修复 从如图一的出土简牍实物图像可 知 ! 简牍实物图像具有以下特点 % 现实中 "& 从出土简牍的实物上看， 的出土简牍具有严重的重叠、 粘连、 断 裂、 腐蚀、 朽烂等现象， 而不同简牍的损 害情况也各不相同， 没有一个统一的损 害规律。 因此， 本文认为期望于研究出一 套智能的计算机修补算法来实现简牍实 体形态复原的可行性不大， 且简牍文物 上的重要信息是文字信息， 所以完全可 以由简牍专家在充分研究简牍形制、 材 质、 颜色、 大小等特点的基础上利用虚拟 现实技术设计出一套三维的简牍虚拟展 示模型， 最后再将从出土简牍实物图像 中提取和修复后的简牍文字信息附加到 简牍三维虚拟展示模型上。 #& 对 于 简牍 文物 上 的文 字 信 息而 言， 简牍文字信息也出现了严重的脱落、 墨迹扩散、 缺失等现象， 即使是同一枚简 牍 ! 其文字信息的损害情况也各有不同 !
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简牍文物三维虚拟展示平台的研究与实现
损害情况的随机性较大、 无明显的规律性。 根据数 字图像处理技术的理论知识可知， 通过对简牍实 物进行数字拍照， 已经将包括简牍文字在内的所 有简牍语法信息无损失地转化为了可由计算机处 理数字语用信息， 而此时所得到的数字语用信息 是我们所关注的简牍文字信息和其他干扰信息的 混合体， 之后我们可以选择采用数字图像处理技 术中的几何处理、 图像去噪、 图像分割、 图像增强、 图像复原、 图像重建、 图像识别或图像理解等方法 将简牍文字信息与其他干扰信息分离开来， 并通 过对简牍文字的修复处理， 最后得到我们所关注 的简牍文字语义信息。 由于篇幅所限， 本文在这里只列举出简牍文 详细的算法原理与实现过程， 请参看张伟、 图三 " 。 《 微计算信息 》 王绪本、 金平在 #$$% 年第 & 期发表 《’())* 边缘算子在简牍文字修复中的应用》 。 的 四 简牍文物三维虚拟展示模型的实现 随着硬件技术及网络技术的飞速发展 + 使得 网络上的虚拟现实技术成为了现实。 目前 + 在众多 虚拟现实技术中使用最多而且效果最好的是 通过由 ,-./ 建立的 ,-./ 虚拟现实建模语言。 虚拟展示场景， 使得简牍文物专家的研究成果能 够在互联网上以简洁的、 三维立体的、 直观的方式 展示出来， 实现了简牍文物的无损失、 无损害以及 永久性文物展览。 在三维场景的建模时， 理论上， 我们可以通过 文本编 辑器编写 ,-./ 代码 来创建三维 物体和 场景， 但在实际创建三维物体的过程中， 即使一个 非常小的三维物体也需要冗长的代码， 对于复杂 模型的构造和修改就更加不便。 同时， 更考虑到简 牍文物自身的特点， 要想通过 ,-./ 语言手动编 码的方式， 将简牍文物的材质、 形制、 色彩等特点 逼真地重现出来是非常困难的。 因此， 我们首先借 助功能强大的 .010 软件， 在 .010 平台和简牍 专家的指导下， 结合简牍在不同历史时期下的编 册方式， 设定了虚拟场景中的背景、 声音以及简牍 的空间位置、 形态、 材质、 色彩等， 创建出了不同的 三维简牍模型， 如秦简模型、 汉简模型、 吴简模型 等， 然后在 .010 平台下将设计的场景模型导出 对于三维简牍模型的设计中， 我们首先利用 它 ,-./ 的 23(45 节点创造了两个三维长方体， 们具有相同长度和宽度。 其中负责承载简牍文字 信息的长方体的厚度很薄， 为 $6 $$7 个 ,-./ 长 度单位； 另一个表示简牍形制特点的长方体较厚， 在充分研究出土简牍文物实物的基础上， 将其厚 度 设 置 为 $6 7 个 ,-./ 长 度 单 位 。 之后再利用
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简牍文物三维虚拟展示平台的研究与实现
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在我国， 随着信息技术的快速发展， 各文物管 理部门和科研单位都加强了采用数字信息技术来 进行古文物保护的研究和探索， 其中引入虚拟现 实技术来实现文物考古信息的虚拟复原展示是数 字信息技术与文物考古保护相结合中一种应用比 较广泛、 可靠和有效的方法。 目前比较著名的案例 “敦煌艺术数字保护与虚拟 有： 由浙江大学实施的 旅游 ” 项目； 由北京大学牵头组织、 由日方投资的 “ 故宫三维虚拟展示系统 ” ； 由北京水晶石公司采 “ 清北京再现 ” 用虚拟现实技术完成的 系统等。 这 些将虚拟现实技术与文物考古相结合的成功案例 很好地解决了单个或多个大型古建筑群及复杂文 物实体的三维虚拟复原展示的问题。 但对于简牍 文物而言， 需要重点解决的并不是简牍文物整体 收稿日期 !""# $ "% $ !&
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物展览相结合的新方法。 结合简牍文物自身特点和长沙简牍博物馆的实际情况， 阐述了简牍文物三 维虚拟展示模型的实现原理和过程， 以及简牍文物三维虚拟展示平台的实现逻辑流程、 系统结构和 数据交换方式等。 关键词 ,-./ 虚拟文物展示 文物虚拟展示平台 文献标识码 K 形态的复原问题， 而是简牍文物上具体文字信息 的复原展示问题， 因此传统的虚拟现实技术并不 能解决简牍文物的虚拟展示问题。 本文通过与长沙简牍博物馆的合作， 以该馆 所收藏的我国古代秦、 汉、 三国时期的简牍文物为 实物模型， 提出了结合数字图像处理技术和虚拟 现实 技术来 解决简牍 文物虚 拟展示 问题的 新方 法。 将简牍文物虚拟展示的问题分为两个方面： 一 方面利用数字图像处理技术来对简牍文物上的文 字信息进行分割提取和文字修复； 另一方面利用 虚拟现实技术来实现简牍文字的三维建模和虚拟 展示， 最后再结合数据库技术和软件工程技术实 现一个 相对智能化 的基于 ,-./ 的三维 简牍文 物虚拟展示平台。 此外， 该虚拟展示平台的实现不 仅可以大大的提高简牍文物展览的准确性和有效 中图分类法 一 引言
字信息提取与修复的处理流程和处理结果 ! 图ຫໍສະໝຸດ Baidu、 成标准的 ,-./ 文件。
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中， 当展示场景需要复杂的逻辑处 理时， 9:&;<2 节点可以将前端的展示 功能与后台的逻辑处理功能分开， 将复杂的逻辑处理封装到一个 4’5’ 类中， 由 后 台 的 4’5’ 程 序 来 处 理 。 而 9:&;<2 节点作为虚拟场景与外部 当用户 4’5’ 程序之间的交互桥梁， 浏览 !"#$ 虚拟 场景 时， !"#$ 虚 拟场景可根据用户的操作指令 > 鼠 标或键盘响应 ?， 通过预先定义的 9:&;<2 节 点 将 控 制 权 交 由 该 节 点 并 ="$ 字段属性所指定的 4’5’ 类， !"#$ 的 %&’()*+&, 节点来设置这两个长方体的 空间位置， 使两个长方体在 - 轴上先后紧贴、 中 间没有缝隙， 并且使承载简牍文字信息的长方体 在前， 面向虚拟场景的浏览者。 最后再利用 !"#$ 的 .,’/0%0123&0 节点， 将由数字图像处理技术修 复好的简牍文字图片作为图片纹理附加到承载简 牍文字信息的长方体上， 同时将能够表示简牍竹 木材质、 纹理和颜色的背景图片作为图片纹理附 加到表示简牍形制结构的长方体上。 经过代码优 五 简牍文物三维虚拟展示平台的实现 向该类传入对应的参数， 4’5’ 类则根据自身所定 义的逻辑进行处理操作， 并将处理结果以返回参 数的形式送回到 !"#$ 虚拟场景中， 从而完成了 虚拟场景与外部控制程序之间的交互。 由于篇幅 所限， 加之 4’5’ 语言、 数据库技术和 !"#$ 语言 已研究得非常成熟， 因此本文这里只对本平台的 系统结构、 数据交换方式进行介绍 > 图六 ? 。 六 结语 本文作者创新点： 提出了虚拟现实技术与简 处理技术和虚拟现实技术实现了简牍文字信息修 复和文物实体虚拟建模的基础上， 引入数据库技 术和软件工程技术建立了一个相对智能化的三维 简牍文物虚拟展示平台， 以网络化、 立体化、 低成 本、 高效率的新方式提高了简牍文物展览的有效 性。 参考文献：
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性， 更可以通过进一步研究应用到考古 壁 文字挖掘与保护的其它领域 ! 如碑文、 画、 石刻、 帛书等。 二 展览 目前， 在简牍文物的保护过程中， 由 于简牍文物的材质特性， 加之大多数简 牍实物长期埋存地下， 保存环境复杂恶 断裂、 残缺、 顺序散乱的现象， 进而也使 得简牍上的文字信息也出现了脱落、 墨 迹扩散、 缺失等现象。 在简牍文物的保护 “不改变文物 工作中， 简牍专家需要遵从 原状 ” 原则 ! 对出土的简牍文物进行缀合 和修复处理， 通过海量的查找和排序将 多枚残断的简牍缀合成一枚枚完整的简 牍， 通过人脑的经验和推断将一枚枚缺 失的简牍进行人为修补， 进而恢复成一 部部原始简牍古籍， 尽可能地向世人重 现其原有的历史、 艺术形态。 但是， 由于 出土简牍的脆弱性、 数量的庞大性、 顺序 的散乱性， 使得简牍文物的展览对传统 以实物或平面照片的文物展览方式提出 了新的要求。 从目前的技术发展和应用 研究看， 虚拟现实技术无疑是无损失、 无 损害、 永久性文物展览的最佳手段， 将简 牍文物进行高分辨率的数字拍照， 可以 将包含简牍材质、 形制、 文字在内的所有 客观自然界信息转化成数字信息后输入 计算机， 最后由计算机建立起来的三维 简牍虚拟展示系统来立体地展示简牍文 无损失信息展现与数字化文物
物。 与传统展览方式相比， 其优点有： "、 可以突破时间和地域限制， 通过互联网 进行文物的展出， 极大地拓展简牍文化 遗产的影响， 弘扬民族文化； 可以防止 #、 参观者与文物的直接接触， 使得大规模 的非破坏性展示成为可能； 可以消除 $、 空间的限制， 逼真立体地、 可人机交互地 虚拟复原出简牍文物的原始形态， 为简 富的资料。 三 简牍文字信息的提取与修复 从如图一的出土简牍实物图像可 知 ! 简牍实物图像具有以下特点 % 现实中 "& 从出土简牍的实物上看， 的出土简牍具有严重的重叠、 粘连、 断 裂、 腐蚀、 朽烂等现象， 而不同简牍的损 害情况也各不相同， 没有一个统一的损 害规律。 因此， 本文认为期望于研究出一 套智能的计算机修补算法来实现简牍实 体形态复原的可行性不大， 且简牍文物 上的重要信息是文字信息， 所以完全可 以由简牍专家在充分研究简牍形制、 材 质、 颜色、 大小等特点的基础上利用虚拟 现实技术设计出一套三维的简牍虚拟展 示模型， 最后再将从出土简牍实物图像 中提取和修复后的简牍文字信息附加到 简牍三维虚拟展示模型上。 #& 对 于 简牍 文物 上 的文 字 信 息而 言， 简牍文字信息也出现了严重的脱落、 墨迹扩散、 缺失等现象， 即使是同一枚简 牍 ! 其文字信息的损害情况也各有不同 !