2024时空智能赋能文化遗产分析报告

——让文化遗产在数字空间中永生 李德仁朱宜萱 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室2024年11月23日 前言 重大需求 让收藏在博物馆里的文物、陈列在广阔大地上的遗产、书写在古籍里的文字都活起来，让中华文明同世界各国人民创造的丰富多彩的文明一道，为人类提供正确的精神指引和强大的精神动力 2014年3月，习近平总书记在联合国教科文组织总部演讲 2024年8月6日，习近平总书记对加强文化和自然遗产保护传承利用工作作出重要指示：守护好中华民族的文化瑰宝和自然珍宝，让文化和自然遗产在新时代焕发新活力绽放新光彩。 现状与问题 ◆世界遗产分布广泛、生存环境受到严重威胁 ◆我国世界遗产总数达到59项，居世界前列。 ◆文化遗产正在加速消亡、实体修复保护性破坏时有发生 ◆科学保护手段较为欠缺 ◆展示渠道较为单一，不利于文化的交流与传承 维护国家文化安全，刻不容缓！！ 目标与愿景 文化遗产不能再生，也不可永生！ ——樊锦诗 ◆利用最新的测量、遥感、计算机视觉、AI、VR/AR、云计算等技术手段重建数字文化遗产 ◆数字文化遗产+虚拟地理环境的全方位数字孪生 支持数字考古、艺术陈展、保护监测、交流传播、数字创意 让文化遗产在数字空间永生！----李德仁 第一部分：数字敦煌莫高窟 习近平在敦煌莫高窟的讲话（2019/08/19） ◆要推动敦煌文化研究服务共建“一带一路”，加强同沿线国家的文化交流，增进民心相通，要加强敦煌学研究，广泛开展国际交流合作，充分展示我国敦煌文物保护和敦煌学研究的成果。 介绍 丝绸之路 ◼丝绸之路是中国古代与西方国家之间贸易和文化交流的重要渠道。 敦煌莫高窟 ◼敦煌是丝绸之路上，中国通往中东、亚欧等地的必经之地，是古希腊文明、波斯文明、印度文明和中华文明的桥梁和融合地。 敦煌莫高窟 坐西朝东，南北长1680米，高50米 始建于十六国前秦时期（公元366年），历经北朝、隋、唐、五代、西夏、元等朝代，开凿过程延续了一千多年 现存洞窟735个，其中492个有壁画彩塑 壁画4.5万平方米，彩塑2415尊 测绘遥感保护敦煌之发端 2006年8月，李德仁院士及朱宜萱教授与时任敦煌研究院院长樊锦诗讨论“三维数字敦煌”方案 天地一体化数字化存档 无人机倾斜摄影测量 飞行平台：大疆经纬M600 倾斜相机：双鱼5.0B 大疆M600多旋翼无人机 ◼4200万像素全画幅相机◼双镜头摇摆工作方式◼重量：1.25kg 双鱼5.0B倾斜相机 无人机倾斜摄影测量 ➢第一次用无人机倾斜摄影获取了敦煌及周边地区完整的高精度地表数据，并建立了莫高窟及周边实景三维模型，此数据可以服务于敦煌地区的规划和保护应用 ➢作业区域 ➢莫高窟及周边60平方公里➢分辨率：1cm（核心区域）2-3cm（周边区域）➢188架次➢30万张倾斜影像 无人机倾斜摄影测量 莫高窟实景三维模型细节 典型结构的洞窟激光点云（地面激光扫描/按强度赋色） 多尺度多分辨率数据融合 手持式扫描仪数据融合相位式激光扫描仪测量模型 成果——158窟 原始数据情况： ◼涅盘佛陀◼长15.6m◼地面激光扫描18站 重建结果: ◼几何模型：210万三角形◼超过300张照片进行纹理映射 成果——196窟 成果——322窟 322窟西龛塑像照片 塑像的3D纹理模型。手持扫描仪和地面扫描仪获取的几何模型。使用82张数字照片进行纹理映像 成果——254窟 中心柱洞窟结构，1600万三角形，纹理量：18GB 第二部分：云冈石窟典型石窟数字化 习近平主席在云冈石窟的讲话（2020/05/11) 习近平说，云冈石窟体现了中华文化的特色和中外文化交流的历史。这是人类文明的瑰宝，要坚持保护第一，在保护的基础上研究利用好。 云冈石窟13窟数字化采集与重建 第13窟 形状：平面呈椭圆形，穹窿顶尺寸：窟内东西宽11米，南北进深9米，上下高13.6米主佛高：13米四壁特征：各类佛教人物造像2990余尊 重点难点 ◼数据获取困难 雕塑体量大、数量多、分布广给数据获取带来的困难文物纹理丰富与洞窟光线条件给纹理数据获取带来的困难洞窟结构复杂性给几何数据获取的统一性带来的困难 ◼数据处理难 几何数据量大导致的处理困难拓扑关系复杂导致几何构网处理困难复杂模型导致的纹理数据表达与处理困难 ◼三维可视化难 超大数据的加载困难超大数据的逼真浏览困难 解决方案 数据采集与处理总体流程图 采集原始数据汇总： ◆影像数据28.34万张15.1T ◆扫描数据280站2.1T 成果：13窟整窟空三结果 我们在整体控制网控制下，利用分治-合并策略，对28.34万张近景影像进行分片空三与整体平差。视频中每个紫色点都代表一张照片的外方位元素（相机位置和角度） 整窟模型由28.34万（约14万亿像素）照片重建，精度优于0.5毫米，数据量500GB；这是全球首次对于如此大体量洞窟进行如此高精度整体三维重建 云渲染—让文物展示突破设备限制 ⚫多端统一展示体验⚫数据安全得到保障⚫降低三维数据展示与应用门槛 利用云渲染技术，可以在PAD和手机上，流畅的交互浏览500GB的洞窟三维模型 第三部分：数字香港志莲净苑建筑群 位于香港的志莲净苑，其创作灵感来自莫高窟第172窟的壁画 任务 ◆对获取每个组件的三维数据进行数字存档 ◆从生产到组装进行全程质量控制和检查 ◆使用VR和GIS技术为志莲净苑开发完成虚拟建筑环境（Virtual Architectural Environment，VAE)平台。 工程监督 传统监督方法 ◼使用测量杆，卡尺等◼需要许多工作进行大面积，长时间测量◼而且只能覆盖局部区域 计算机监督 ◼使用现代测量技术获取每个组件的数据 使用已建立的三维模型数据库 以数字方式存档每个组件的三维数据 工程监督：发现设计错误 一个典型案例：当组件在计算机上组装时，发现了一个设计冲突问题。设计师根据我们的数据进行了修改。 我们为志莲净苑建筑建立了一个大小为24.25GB的三维数据库包括8万个组件数据、25个单体数据及数字线划图数据等 三维模型和数字线划图 中国唐代建筑虚拟组合过程 ◆这是第一次开发了中国唐代木结构的三维虚拟装配，再现了中国唐代木结构的设计，加工和装置的全过程，代表了唐代的建筑风格和艺术。 第四部分：案例及应用 应用于敦煌数字展示中心 旅游模式升级 无序抵达->分时预约实地游览->数实结合 带来的好处 分时预约，更好的保护文物数字游览，更好的了解文化纵深拉长，更好的旅游服务 武汉大学数字化成果应用于敦煌莫高窟数字展示中心直径18米的球幕大屏的高清素材 敦煌智慧旅游调度指挥中心 数字文化遗产与物联网、大数据结合，打造的敦煌指挥旅游调度指挥中心 游客空间分布一目了然洞窟微环境状态实时监测讲解员带团路线优化配置客流优化调度的削峰填谷 武当山古建筑群数字化 实现武当山全域从大空间到小文物，从保护区域到文物构件的三维数字化。 地理空间：山系、水系 不可移动文物：宫、观、庙、庵堂、庙岩、古建遗存 可移动文物：道藏古籍、历史文物、档案资料非物质文化遗产：武当道医、武当武术、武当道乐 武当山古建筑群数字化展示 基于武当山全域数字化成果，打造游于武当之无穷自然与无穷文化的线上展览。 突破时空限制创新性沉浸性转化性 武当山古建筑群数字资源活化利用 游戏与影视渲染场景应用 基于文物数字化的文化创作和传播 《黑神话·悟空》让中国传统文化“出圈”带火山西旅游 《数字敦煌》虚拟沉浸展览发掘文化元素提供旅游二销 伪满皇宫博物院“无界安保指挥体系” 在文化遗产实景三维数字模型上汇集了3065个感知设备，将安防、消防、建筑、光照及观众等实时信息加上AI算法，为博物院安防提供有力支撑。获得2020年“全国最具创新力博物馆”（文博领域奥斯卡） 第五部分：总结与思考 文化元素创意与展示 文物数字化是让文化遗产“活下去”数字资产利用是让文化遗产“活起来”文化旅游与传播是数字资产利用的重要方向