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文物身份鑒別，從人工主觀判斷轉(zhuǎn)向技術(shù)客觀核驗(yàn)

為文物生成“數(shù)字指紋”

頭條看點(diǎn)

博物館收藏的文物，安全保障很關(guān)鍵。保障文物身份安全、感知文物健康狀況，除了靠“火眼金睛”，還能靠什么？

天津大學(xué)聯(lián)合多家單位開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新研究，為文物建立“數(shù)字指紋”庫(kù)，用硬核技術(shù)守護(hù)文物安全。

前不久，國(guó)家文物局部署推進(jìn)全國(guó)國(guó)有博物館館藏文物安全管理專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)，全面開(kāi)展國(guó)有館藏文物盤(pán)庫(kù)清點(diǎn)和安全隱患排查整治工作。

我國(guó)是文物大國(guó)，海量的可移動(dòng)文物涵蓋陶、瓷、青銅、漆木、書(shū)畫(huà)、玉石等多種材質(zhì)，器型各異。隨著國(guó)內(nèi)外文化交流日益頻繁，文物的流通、借調(diào)和展覽已成為常態(tài)。過(guò)去，博物館文物在保存和展覽過(guò)程中，進(jìn)出庫(kù)管理主要靠人工標(biāo)記。近年來(lái)，電子標(biāo)簽的使用，使文物的進(jìn)出都有了明確記錄，但這些標(biāo)簽可與文物分離，仍存在隱患。

為確保文物“它是它”，解決國(guó)內(nèi)外博物館界共同面臨的難題，天津大學(xué)聯(lián)合多家單位開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新研究，為文物建立獨(dú)一無(wú)二的“數(shù)字指紋”，讓文物身份鑒別從人工主觀判斷轉(zhuǎn)向技術(shù)客觀核驗(yàn)，守護(hù)文物安全。

需要建一個(gè)與本體不可分離的標(biāo)識(shí)，確?！八撬?/strong>

博物館館藏文物全流程業(yè)務(wù)管理中，每一步都離不開(kāi)身份安全保障。需求主要集中在兩方面：一是應(yīng)對(duì)專(zhuān)業(yè)偽造、以假亂真的身份可信鑒別，二是應(yīng)對(duì)多樣化文物流轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)所需的身份高效確認(rèn)。

“這都指向同一個(gè)問(wèn)題：文物本體與身份標(biāo)識(shí)的同一性判別。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是確保‘它是它’?！碧旖虼髮W(xué)視覺(jué)智能實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人馮偉教授說(shuō)。

傳統(tǒng)的文物身份鑒別與管理，高度依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)與人眼判別，輔以紙質(zhì)標(biāo)簽、火漆印等物理標(biāo)識(shí)，而這些物理標(biāo)識(shí)與文物本體是分離的，人工判別容易出現(xiàn)失誤。同時(shí)，在文物頻繁流轉(zhuǎn)的場(chǎng)景中，人工盤(pán)點(diǎn)、交接中的身份確認(rèn)耗時(shí)費(fèi)力，難以滿足高效的管理需求。

隨著技術(shù)迭代，文物身份鑒別先后經(jīng)歷了二維碼、無(wú)線射頻識(shí)別等外置數(shù)字標(biāo)簽與多光譜（高光譜）、太赫茲成像等數(shù)字化采集階段，整體呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化趨勢(shì)。其中無(wú)線射頻識(shí)別，是給文物貼一個(gè)帶芯片的微型“電子身份證”，用無(wú)線電波非接觸讀取，本質(zhì)上還是給文物“外掛”一個(gè)數(shù)字標(biāo)簽，與文物本體可物理分離。

“多光譜（高光譜）、太赫茲成像等技術(shù)可直接提取文物自身材質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)與本體綁定、無(wú)法剝離的目標(biāo)?！碧旖虼髮W(xué)視覺(jué)智能實(shí)驗(yàn)室成員李楠博士介紹，“它們的短板是缺乏專(zhuān)用采集裝置和與之匹配的技術(shù)體系，通用設(shè)備體積大、成本高、適用面窄。”

將文物放大到微米級(jí)，比對(duì)其獨(dú)有的表面紋理特征

能否為文物建一個(gè)與本體不可分離的標(biāo)識(shí)，同時(shí)又能快速鑒別其身份，兼顧安全與高效？

依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“館藏文物數(shù)字指紋提取鑒別與身份智能管理關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，由天津大學(xué)牽頭，聯(lián)合高校、文博機(jī)構(gòu)等多家單位共同研發(fā)的文物指紋提取鑒別技術(shù)與裝備體系攻克了這個(gè)難題。用無(wú)損、非接觸的方式，給文物建立“數(shù)字指紋”。

這里的“指紋”，不是工匠制作器物時(shí)留下的指紋，而是文物放大到微米級(jí)，在微觀尺度下獨(dú)有的表面紋理特征。

走進(jìn)天津大學(xué)視覺(jué)智能實(shí)驗(yàn)室，玻璃箱體中的機(jī)械手臂正靈活移動(dòng)角度，給瓷器花瓶拍攝圖像。工作人員在玻璃箱外輕點(diǎn)電腦鍵盤(pán)發(fā)出指令，機(jī)械臂末端的探頭自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)瓶身某個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位，幾分鐘后，一組采集的微觀紋理圖像被進(jìn)一步提取特征、安全編碼，存入數(shù)據(jù)庫(kù)——文物的“數(shù)字指紋”就此生成。

下次文物出庫(kù)巡展回來(lái)，只需把它放上設(shè)備載物臺(tái)，人工智能算法會(huì)自動(dòng)找到當(dāng)初那個(gè)“指紋”點(diǎn)位，重新拍攝、提取特征、與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)。單點(diǎn)鑒別不超過(guò)3分鐘，精度超過(guò)99.99%。

“它的原理是文物在微觀尺度下，物體表面呈現(xiàn)出隨機(jī)性特征，這種觀測(cè)尺度下物體材質(zhì)呈現(xiàn)出的物理隨機(jī)性與人類(lèi)指紋的原理相似，具備唯一性，且穩(wěn)定、普遍存在，不可被復(fù)制?！瘪T偉解釋?zhuān)灰獙⒁粋€(gè)物體局部點(diǎn)位放大百倍，細(xì)到微米級(jí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)物體都有屬于自己的物理特性。

具體操作方法是通過(guò)設(shè)備拍攝圖像，并用人工智能算法進(jìn)一步采集提取這些圖像中的視覺(jué)特征，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行編碼，生成文物“數(shù)字指紋”。

文物“數(shù)字指紋”標(biāo)識(shí)生成后，如何保證下次比對(duì)時(shí)選取的是同一個(gè)點(diǎn)位？

“應(yīng)用初期是通過(guò)人工原位比對(duì)，如今的創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了自主原位比對(duì)?！瘪T偉介紹，現(xiàn)在只需將文物放在設(shè)備載物臺(tái)上，裝備和算法會(huì)自動(dòng)去尋找相應(yīng)的指紋區(qū)域，并拍攝圖像、提取特征、比對(duì)鑒別，快速準(zhǔn)確判定“它是它”。

2023年起，文物指紋提取鑒別技術(shù)在湖南省博物館、浙江的杭州市臨平博物館開(kāi)展示范驗(yàn)證工作。

“通過(guò)比對(duì)前后兩次采集的微觀視覺(jué)特性，可以實(shí)現(xiàn)高精度判別文物身份，這將為文物出庫(kù)、巡展等流轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)中的文物身份安全提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，對(duì)加強(qiáng)館藏文物安全管理發(fā)揮重要作用?！焙鲜〔┪镳^館長(zhǎng)段曉明說(shuō)，湖南省博物館將對(duì)超1000件文物完成“指紋”錄入。

“文物醫(yī)生”精準(zhǔn)捕捉狀態(tài)變化

這套“數(shù)字指紋”技術(shù)并非憑空出世。它的前身，是一套時(shí)空智能視覺(jué)感知技術(shù)和裝備體系，這也是一個(gè)能精準(zhǔn)感知文物狀態(tài)和演變的“文物醫(yī)生”。

文物大多歷經(jīng)數(shù)百年乃至上千年歲月，材質(zhì)老化、結(jié)構(gòu)劣化、環(huán)境侵蝕等問(wèn)題普遍存在，絕大多數(shù)文物病害都不是瞬間爆發(fā)的“急重癥”，而是長(zhǎng)期累積、緩慢發(fā)展的“慢性病”。

以古代壁畫(huà)為例，表面起甲、空鼓、酥堿、剝落等病害，往往是經(jīng)年累月的溫濕度波動(dòng)、鹽分在墻體內(nèi)部遷移、微生物緩慢滋生共同作用的結(jié)果，整個(gè)過(guò)程隱蔽而漫長(zhǎng)。

能否像日常體檢一樣，為文物建立全天候、高精度、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測(cè)體系？天津大學(xué)視覺(jué)智能實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)“人工智能+視覺(jué)”技術(shù)，讓機(jī)器“記住”文物過(guò)去的樣子，然后在同一位置、同一角度、相同光照下，精確復(fù)現(xiàn)、比對(duì)。

聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，做起來(lái)難。“在一個(gè)復(fù)雜甚至極端環(huán)境中，對(duì)文物開(kāi)展長(zhǎng)周期精密測(cè)量、精準(zhǔn)感知文物變化的難度要高于標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)場(chǎng)景?！崩铋忉?zhuān)I(yè)場(chǎng)景一般是恒溫恒濕、環(huán)境規(guī)整、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，設(shè)備易于調(diào)試、運(yùn)行，文物所處環(huán)境千差萬(wàn)別，既可能是溫濕度波動(dòng)劇烈、陰暗潮濕、空氣密閉的洞窟與庫(kù)房，也可能是露天野外、風(fēng)吹雨淋的開(kāi)放場(chǎng)所，環(huán)境干擾多。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套面向復(fù)雜文物場(chǎng)景的時(shí)空智能視覺(jué)感知技術(shù)和裝備體系。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)某件文物只需要提供一幅過(guò)去監(jiān)測(cè)中記錄的清晰影像，哪怕是百年前的一張照片，憑借人工智能算法也能解讀出拍攝它時(shí)的相機(jī)位置和光照情況，并在當(dāng)前場(chǎng)景中精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，在同一時(shí)空坐標(biāo)里進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)這一技術(shù)，“文物醫(yī)生”對(duì)文物表面的變化感知精度能達(dá)到10微米，細(xì)度相當(dāng)于一根頭發(fā)平均直徑的1/7。

這項(xiàng)成果已應(yīng)用于敦煌莫高窟、故宮、頤和園、秦始皇陵兵馬俑、麥積山石窟等50余處重要遺產(chǎn)地與博物館，不斷為文物保護(hù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

從無(wú)法偽造的文物“數(shù)字指紋”，到能監(jiān)測(cè)文物健康狀況的“文物醫(yī)生”，現(xiàn)代科技讓珍貴文物的身份可查詢(xún)、健康可感知，讓千年文明在科技守護(hù)下永續(xù)傳承、歷久彌新。（記者 龔相娟）