數字化重建巴黎聖母院,AI還能為人類文明遺產做些什麼?

THU資料派發表於2019-04-17

一、至暗12小時,巴黎夜未眠

2019年4月15日巴黎時間黃昏,巴黎聖母院起火了。火勢造成有著近800年曆史的箭形塔尖倒塌,玫瑰視窗損壞,建築損毀嚴重,滾滾濃煙遮蔽了塞納河畔的天空......

數字化重建巴黎聖母院,AI還能為人類文明遺產做些什麼?

起初看到這個新聞時,想必大家都驚呆了,就如同站在塞納河畔一臉難以置信又絕望的人們。隨著關於火勢和損毀程度的進一步報導,悲傷、遺憾、惋惜、又暗含一線希望的情緒席捲而至,通過網路蔓延到全世界。

這座於1163年(這一年辛棄疾開始為南宋做官)開工,1345年(這一年朱元璋剛開始當和尚)竣工,曾在18世紀末遭到破壞,19世紀時被偉大的建築師勒杜克負責全面修正,1831年被雨果寫進書裡,故事設定於1482年的古老教堂,將在今後至少十年內不再對外開放。

在國內,即使未去過巴黎、未讀過雨果《巴黎聖母院》的人們同樣為這個新聞感到遺憾。通過清博輿情繫統顯示,從北京時間2019年4月16日00:00至2019年4月16日11:10,全網共產生19237條相關資訊,負面情緒最多,佔比66.15%。

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通過詞雲圖可看出,除了“巴黎聖母院”“大火”等資訊關鍵詞,“藝術”“歷史”“雨果”“玫瑰花窗”“人類文明”“人員傷亡情況”等是輿論聚焦的重點。在微博平臺,短短几小時內,關於巴黎聖母院的熱搜多達10條,很多人為#玫瑰花窗沒了#而感到心碎,在看到#法國開雲CEO捐款1億修復聖母院#時又開始重燃希望。

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聖母院的火難救,跟它的年紀、結構和材質都有關。已經有許多人唸叨當年電影《Before Sunset》裡那句把聖母院當做感情忠貞不渝象徵的臺詞:“你相信巴黎聖母院有一天會消失嗎”?命運就是這樣,雨果筆下的巴黎聖母院,與他那個時代的巴黎聖母院,以及我們如今所見的聖母院,並不是同一個聖母院。因此,仍舊有很多人黯然地表示:“人們可以重建巴黎聖母院,但它從來沒留下過什麼。”

二、被數字化的巴黎聖母院

在所有人在擔心巴黎聖母院可能會遭受不可逆轉的損失時,有一些聲音的出現稍微安撫了眾人的內心。

譬如有人發微博稱,同事在生前完成了巴黎聖母院的掃描工作,他營建的網站包括教堂各個角度的建築全景、3D和細節圖片。大火過後,消逝的巴黎聖母院將在數字世界裡永存。

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同時,還有很多人提到了能讓自己徜徉在巴黎聖母院美輪美奐的建築物內部的遊戲《刺客信條:大革命》。據媒體報導,該遊戲在製作時,工作人員曾花費超兩年時間學習研究聖母院的構造,並同歷史學家一道對巴黎聖母院的外觀進行了精確的數字復原,這或將成為重要的修復參考資料。除了巴黎聖母院,還有40餘座大巴黎區域知名建築物在遊戲中得到了還原。

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此外,據《國家地理(National Geography)》的報導,早在2015年,藝術歷史學家安德魯·塔隆就曾利用鐳射掃描,非常精確地記錄下了這一哥特式大教堂的全貌。這一次精準的鐳射掃描耗時數年,掃描點囊括了大教堂內外的50多個地點,對聖母院內的每一個細節都進行了多次掃描、資料反傳,最終收集了超過10億個資料點。因此,儘管現實中的大教堂在很長一段時間內無法恢復,但被數字化的“巴黎聖母院”仍然精確地留存在人類世界。並且,通過這一資料留存,重建巴黎聖母院將成為可能,後人也仍然可以一覽它曾經的雄偉。

事實上,無論是遊戲儲存人類瑰寶,還是鐳射掃描記錄建築全貌,這些都是對文化遺產的數字化保護。大都好物不監牢,彩雲易散琉璃脆,未來世界的多變可能給各種文明古蹟帶來前所未有的挑戰,只有先做好準備,才能儘量防止意外的到來,或者儘量彌補意外造成的損失。因此,近年來世界上多個國家及地區都在積極推動文物和非遺的數字化保護、傳承與弘揚,網際網路、三維鐳射掃描、人工智慧、AR和VR等數字化新技術越來越多地引入到文化遺產保護和傳承中,使文化遺產“活”在當下,走向未來。

三、用人工智慧系統解決人力資源不足的監測問題

從2008年韓國崇禮門大火到2018年巴西國家博物館火災,再到今天巴黎聖母院的屋頂和塔尖燒燬,古建築在與火魔的每次對抗中都損失極為慘重,尤其是多用木製結構的東方建築。

2008年,韓國崇禮門發生火災,因建築為全木結構,火勢蔓延極快,即便崇禮門位於首爾市中心,消防部門依舊無能為力,最終導致韓國一號國寶崇禮門上層整體垮塌。這也是時任故宮博物院院長的單霽翔在2013年提出“平安故宮”工程的主要原因。資料統計顯示,在故宮建成後的近600年曆史中,共發生火災近百起,是現存的名勝古蹟建築群中發生火災最多的一個。為此,“平安故宮”工程耗資共4.4億,一年內僅攝像頭就安裝了超2000個,其中部分為全景攝像頭,構建成了一個“監控天網”。

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除此之外,故宮內還安裝了近萬個安防報警裝置,安防系統設有周界、通道、室內與展櫃四道安全線,從大到小,形成了一個安防“倒金字塔模型”。

去年年底,故宮博物院還發布了《故宮博物院端門區域火災報警系統改造專案公開招標公告》,希望按現行規範對相應建築物進行改造升級,以更加先進可靠的技術和裝置,適應新的消防安全需求,最大程度的對古建築群予以有效保護。

隨著科技的進步,故宮可能會需要一套完整方案來解決監測預警問題。西安交通大學的文化遺產現代科技保護研究院正在這個方向上做出嘗試。去年,西安交大文化遺產現代科技保護研究院聯合西安旅遊設計研究院、深圳禾思眾成科技有限公司成立了文物監測研究中心,計劃開發出具有一次性大面積影像監測、及時報警,提前預警的數字化視覺監測文物保護系統。這種人工智慧監測的方式,有能夠超越人力的影像監測,預警速度快,系統設定方便等優越性。

同時,文物監測研究中心專案中還會包含開發出可以對文物不同時期的高清影像進行人工智慧識別,自動分析認知文物損害程度的系統。此前被譽為“天下第二行書”的顏真卿《祭侄文稿》送日本展出一事,之所以引起國內情緒不滿,其原因之一便是民眾擔心由於文物珍貴但脆弱,運輸過程費時費力,極有可能造成文物受損。而這套系統的出現,便可以幫助相關人員在文物儲存與運輸工作中提升整體工作效率,降低文物損害風險。

四、利用人工智慧技術給文物“治病”

除了人為因素,時間或許是文化古蹟最大的敵人,對於如何抵抗風化、風蝕、雨蝕、甚至空氣中的水分的影響,保護敦煌壁畫的行動為其他文化遺產提供了參考價值。

天津大學文化遺產保護與傳承資訊科技研究中心科研團隊,歷時10年,用計算機視覺人工智慧等現代化技術,致力於文化遺產的預防性保護,為珍貴文物撐起科技的“保護傘”。研究中心主任張加萬帶領科研團隊與甘肅省敦煌研究院展開合作多年,親眼見證並監測了敦煌壁畫在數年時間內產生的變化。 “以前我們主要依賴實驗室模擬研究外界因素對壁畫的危害,然而很難真正模擬出錯綜複雜的真實環境。” 研究中心孫濟洲教授說,任何一種“文物病”出現的背後往往有許多複雜因素,而此前由於缺乏檢測手段和資料,一直找不到文物本體與風險源之間的關聯性。

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團隊選取了11個洞窟、47個監測點,開始持續性壁畫和彩塑文物本體年度監測,運用相機精確重定位系統,重點對於此類文物易出現的4種典型病害,包括皰疹、酥鹼、起甲、裂隙,以及病害嚴重等級、洞窟南北和層級分佈以及開放狀態等因素,通過微變監測技術對本體產生的微小變化進行準確感知與測量。同時藉助影像分析、機器學習與攝影測量學等相關技術,對本體中的4類病害進行了多尺度量化分析。經過對敦煌莫高窟2014年至2018年部分壁畫監測和分析後,團隊首次發現了一年週期內的0.1毫米級壁畫本體細微變化。

“通過比對前後變化,才知道壁畫是怎麼‘生病’的,才知道未來要怎麼去預防。” 研究中心馮偉教授說,這套“文物預防性保護技術”正是科研人員對抗自然、挑戰時間,保護人類文明的一件法寶。目前,該技術已經在敦煌莫高窟、頤和園、故宮、拉卜楞寺等多個遺產地展開應用。

五、利用AI、3D列印、VR/AR復原遺蹟

在巴黎聖母院大火一事中,我們提過此前人們已為巴黎聖母院儲存了大量資料,基於此以及此前所留存的圖片、影像資料,利用AI、3D列印等技術,復原工作難度將大大降低。

在故宮,單霽翔曾經用“AI重啟紫禁城”來表達科技對建築及文物的復原和保護意義。資料統計顯示,故宮內共有1200棟古建築,故宮博物院曾通過數字掃描等手段可以完美的展現建築的整體構造和具體細節。而文物保護及復原方面,故宮則成立了一個“智慧醫院”,配備了3D列印、物理冷熱效能等裝置,為文物“做CT”,並與原有修復技術進行疊加,效率瞬時提升。

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而在較大工程的建築物復原方面,師從梁思成的中國著名古建學家、清華大學建築系教授郭黛姮,從2009年開始帶領80多位研究人員開始了圓明園的數字修復工程,藉助數字技術,重新“恢復”圓明園的原貌,目前精準數字復原景區達全園總量的60%。 這十幾年裡,他們完成了所有能夠採集到詳實資訊的景區的數字化復原工作,其中包括:,80餘位專業人員查閱了萬餘件歷史檔案,畫了4000幅復原設計圖紙,造了2000座數字建築模型,分6段歷史分期中的120組時空單元。團隊研發成果的展現,是“虛擬現實”的圓明園移動導覽系統和圓明園虛擬遊園系統。這個導覽系統是一個集合海量資料,集定位、導航、位置識別、音訊講解等於一體的圓明園移動導覽產品和高清沉浸式體驗產品。而團隊研發的“3604f85d04>擴增實境”IPAD導覽,將遺址現狀與歷史復原場景進行疊加的同屏對比,能夠實現360度環視,獲得了技術發明專利。

總之,科技技術在文化遺產保護中大有可為。除了以上應用領域,人工智慧還能在文化遺產的傳承、推廣方面發揮重要作用。例如微軟亞洲研究院與敦煌研究院合作開發了智慧聊天機器人“敦煌小冰”,其入駐敦煌研究院微信公眾號以來,儼然已經成為莫高窟“專家”,在談笑間把敦煌的文化、歷史、旅遊、學術、服務等資訊“定製式”地推送給使用者,為利用網際網路平臺傳播敦煌文化帶來全新體驗,受到不少年輕人喜愛。由於普通民眾對敦煌這樣的文化遺產寶庫瞭解並不多,智慧聊天機器人具備自然語言理解能力,能在最短時間內把所需資訊提供給使用者,有效彌補了單向溝通的不足,提高了傳播效率。

以上,我們探討了利用科技來保護和展示文化遺產的現實可能性,不過,國內在保護古建築文化遺產這方面,目前還無法廣泛推廣,這主要受到三點因素的限制:

  • 其一,古建築的數字化保護及展示要求對該建築或遺址進行科學、專業的研究,科學地復原或再現研究物件的原貌,這一部分應由專業的研究團隊作長時間的前期準備;

  • 其二,數字化的保護手段也受到虛擬現實技術發展水平的制約,其中涉及專業的數字媒體方面的技術支援,需要有專業的人員配置;

  • 其三,當完成復原研究並掌握數字技術時,還需要進行二者之間的專業協調,如VR數字技術中裝置對復原模型的面或線的數量的限制等。只有復原真實的建築原貌,數字化保護才會有真正的現實意義,兩個專業之間應該保證無縫對接。

數字化重建巴黎聖母院,AI還能為人類文明遺產做些什麼?

不過,儘管困難重重,對於數字化保護文化遺蹟這一領域,相信技術的瓶頸和人才有限的制約將得到解決,畢竟沒有人願意面對千年文物因今人的疏忽而灰飛煙滅。巴黎聖母院火災是一場人類文明的浩劫,浩劫之後,文明仍需流傳,我們能做的還有很多。

對文化遺產最好的保護就是銘記與傳承,趁來得及,多去看看還沒看的和還沒看夠的,去了解和感受更多美好吧。

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