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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)合多家單位開展技術(shù)創(chuàng)新研究，為文物建立“數(shù)字指紋”庫，用硬核技術(shù)守護(hù)文物安全。

前不久，國家文物局部署推進(jìn)全國國有博物館館藏文物安全管理專項(xiàng)行動，全面開展國有館藏文物盤庫清點(diǎn)和安全隱患排查整治工作。

我國是文物大國，海量的可移動文物涵蓋陶、瓷、青銅、漆木、書畫、玉石等多種材質(zhì)，器型各異。隨著國內(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)。過去，博物館文物在保存和展覽過程中，進(jìn)出庫管理主要靠人工標(biāo)記。近年來，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)合多家單位開展技術(shù)創(chuàng)新研究，為文物建立獨(dú)一無二的“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。

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

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

“這都指向同一個問題：文物本體與身份標(biāo)識的同一性判別。簡單來說，就是確保‘它是它’。”天津大學(xué)視覺智能實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人馮偉教授說。

傳統(tǒng)的文物身份鑒別與管理，高度依賴專家經(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，而這些物理標(biāo)識與文物本體是分離的，人工判別容易出現(xiàn)失誤。同時，在文物頻繁流轉(zhuǎn)的場景中，人工盤點(diǎn)、交接中的身份確認(rèn)耗時費(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、無線射頻識別等外置數(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。其中無線射頻識別，是給文物貼一個帶芯片的微型“電子身份證”，用無線電波非接觸讀取，本質(zhì)上還是給文物“外掛”一個數(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)識與本體綁定、無法剝離的目標(biāo)。”天津大學(xué)視覺智能實(shí)驗(yàn)室成員李楠博士介紹，“它們的短板是缺乏專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?！?/p>

將文物放大到微米級，比對其獨(dú)有的表面紋理特征

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

依托國家重點(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難題。用無損、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留下的指紋，而是文物放大到微米級，在微觀尺度下獨(dú)有的表面紋理特征。

走進(jìn)天津大學(xué)視覺智能實(shí)驗(yàn)室，玻璃箱體中的機(jī)械手臂正靈活移動角度，給瓷器花瓶拍攝圖像。工作人員在玻璃箱外輕點(diǎn)電腦鍵盤發(fā)出指令，機(jī)械臂末端的探頭自動對準(zhǔn)瓶身某個關(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——文物的“數(shù)字指紋”就此生成。

下次文物出庫巡展回來，只需把它放上設(shè)備載物臺，人工智能算法會自動找到當(dāng)初那個“指紋”點(diǎn)位，重新拍攝、提取特征、與數(shù)據(jù)庫比對。單點(diǎn)鑒別不超過3分鐘，精度超過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，這種觀測尺度下物體材質(zhì)呈現(xiàn)出的物理隨機(jī)性與人類指紋的原理相似，具備唯一性，且穩(wěn)定、普遍存在，不可被復(fù)制?！瘪T偉解釋，只要將一個物體局部點(diǎn)位放大百倍，細(xì)到微米級，就會發(fā)現(xiàn)每個物體都有屬于自己的物理特性。

具體操作方法是通過設(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特征，系統(tǒng)會自動選擇關(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)識生成后，如何保證下次比對時選取的是同一個點(diǎn)位？

“應(yīng)用初期是通過人工原位比對，如今的創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了自主原位比對?！瘪T偉介紹，現(xiàn)在只需將文物放在設(shè)備載物臺上，裝備和算法會自動去尋找相應(yīng)的指紋區(qū)域，并拍攝圖像、提取特征、比對鑒別，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展示范驗(yàn)證工作。

“通過比對前后兩次采集的微觀視覺特性，可以實(shí)現(xiàn)高精度判別文物身份，這將為文物出庫、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，對加強(qiáng)館藏文物安全管理發(fā)揮重要作用?！焙鲜〔┪镳^館長段曉明說，湖南省博物館將對超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，是一套時空智能視覺感知技術(shù)和裝備體系，這也是一個能精準(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”，而是長期累積、緩慢發(fā)展的“慢性病”。

以古代壁畫為例，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、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，整個過程隱蔽而漫長。

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

聽起來簡單，做起來難?！霸谝粋€復(fù)雜甚至極端環(huán)境中，對文物開展長周期精密測量、精準(zhǔn)感知文物變化的難度要高于標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)場景。”李楠解釋，工業(yè)場景一般是恒溫恒濕、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)境千差萬別，既可能是溫濕度波動劇烈、陰暗潮濕、空氣密閉的洞窟與庫房，也可能是露天野外、風(fēng)吹雨淋的開放場所，環(huán)境干擾多。

團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套面向復(fù)雜文物場景的時空智能視覺感知技術(shù)和裝備體系。簡單來說，對某件文物只需要提供一幅過去監(jiān)測中記錄的清晰影像，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的相機(jī)位置和光照情況，并在當(dāng)前場景中精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，在同一時空坐標(biāo)里進(jìn)行對比。通過這一技術(shù)，“文物醫(yī)生”對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。

從無法偽造的文物“數(shù)字指紋”，到能監(jiān)測文物健康狀況的“文物醫(yī)生”，現(xiàn)代科技讓珍貴文物的身份可查詢、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）