2014年3月，国家主席习近平在联合国教科文组织总部演讲时指出：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。 中华文化历经数千年而绵延不绝，形成了十分丰厚的文化遗产，这已经成为中华民族巨大的精神财富。然而，由于人类活动、气候变化、保护能力和水平限制，以及保护性破坏等多种原因，众多的文化遗产正在面临加速消亡或失传的危机。 我国文化遗产类型多样、差异巨大，具有非接触性、不可移动性等特点，给数字化保护工作带来了巨大的困难。同时，文化遗产具有色彩丰富、形状复杂、全局空间分辨率尺度差别迥异、部分颜色或外观存在缺失等特点，现有的建模、复原、展示理论与方法难以满足文化遗产这一独特研究对象的数字化保护和传播需求。①文化遗产数字化保护涉及多个领域，包括利用高精度扫描和建模技术进行外形的高精度重建，以及通过多光谱成像等技术捕捉色彩的物质基础与再现。此外，数字化技术的应用还扩展到了虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术，使得文化遗产的成果可以进行虚拟展示与传播。②这些技术的应用不仅为文化遗产的保护和传播开辟了新的途径，还促进了文化遗产数字化保护作为一个新型交叉学科的发展，该学科融合了测绘、遥感、信息、化学、考古等多个领域的知识和技术。 本文阐述了武汉大学、浙江大学、清华大学、敦煌研究院等我国多个高校和文化遗产研究机构，多年来围绕多源异构数据融合的多尺度高精度建模③、颜色的物质基础与变化机理④、基于多模式界面的数字文化遗产的自适应展示⑤等涉及文化遗产数字化保护和展示的若干关键问题开展的研究成果，系统性梳理文化遗产数字化的理论体系和技术方法，以建立文化遗产数字化保护的基础理论与技术体系，为我国文化遗产的数字化保护和弘扬提供科学的理论指导与可靠的技术支撑。 一、多源异构数据融合的多尺度高精度建模 文化遗产场景普遍存在几何结构复杂、外形迥异、空间分辨率差异巨大等特点，单一数字建模方法不能满足其高精度的数字化描述。全方位、高精度的数据采集是实现文化遗产完整、高精度建模的重要前提，然而，单一传感器难以满足全方位、高精度的数据采集要求，通常需要集成多传感器数据进行高精度建模。由于多传感器数据在空间分辨率、几何位置、采样密度、数据质量、数据类型等方面多样性差异的特点，加之现有的建模手段存在效率低下、自动化程度低、建模精度差等不足。因此，融合多源、异构数据进行文化遗产高精度建模是一个重要的科学问题，也是文化遗产数字化保护的前提和基础。 (一)基于空间曲线特征的点云自动配准 三维激光扫描技术能够获取密集的点云数据和精细的几何及纹理信息。通过多视点采集，可以实现数据的全方位覆盖，提高数据的完整性。尽管点云数据的精细度受限于图像匹配技术，但这两类多源、异构数据融合则可避免单一数据源缺陷，实现文化遗产的完整、高精度三维建模。 通过点云自动配准实现多源、异构数据融合是一种直观便捷的方法。文化遗产中含有极多的自由曲面，基于直线、双切曲线、代数曲面等几何基元的配准方法难以取得理想效果。实践观察表明，空间曲线在文化遗产中普遍存在，因此可以利用空间曲线特征实现点云的自动配准。 然而，现有的曲线方法主要用于二维数据领域，如何准确提取空间曲线并衡量其差异是实现自动配准的关键。由于文化遗产数据中曲率突变的线特征丰富，武汉大学团队提出了一种基于形变能量模型的点云自动粗配准方法⑥，即通过描述空间曲线间的形状差异来实现。该方法的技术流程为：首先，通过对显著的特征点聚类得到包含各空间曲线的条带状点云。其次，构建反映脊线的三个特征要素的权重函数，通过搜索条带端点间的最短路径提取脊线特征。再次，结合空间脊线的特征与形变能量函数准确衡量各脊线间的差异，完成空间曲线的匹配。最后，通过移动匹配同名空间曲线获取点云间的初始转换参数。 该方法的技术流程中，对具有较大曲率的点特征进行聚类，是脊线提取的重要前提。图1和图2选取了2组不同的菩萨数据展示脊线特征提取的流程。其中，图1(b)和图2(b)反映了各点的几何曲率的分布情况。根据上述方法可得到点的聚类结果，从图1、2中可明显看出，各条带点云的区分性较好，提取的脊线特征较准确可靠，可反映局部特征点的分布。
图1 菩萨数据1脊线特征提取流程图 (a)原始激光点云(b)点云的曲率值渲染图(c)条带点云的聚类结果(d)脊线特征提取效果
图2 菩萨数据2脊线特征提取流程图 (a)原始激光点云(b)点云的曲率值渲染图(c)条带点云的聚类结果(d)脊线特征提取效果
