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2019-11-20

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  韩冬(前排左一)与团队成员一起查看测量数据天津大学供图

  暑假已至可天津大学文化遗产保护与传承信息技术研究中心实验室仍是一派忙碌景象。当科技日报记者走进实验室时一台3D打印机正在打印着一座“人俑”——秦始皇帝陵二号青铜马车的驭手。前不久经过7轮近一年的现场采集天津大学软件学院副教授韩冬率队用三维技术完成了秦始皇帝陵二号青铜马车的精准“量体”工作获取了51G的点云数据。

  “数据收集只是第一步。我们正在将工作进一步深入考虑如何才能更好地利用这些数据让文物真的‘活’起来。”7月18日韩冬在接受科技日报记者采访时说。

  从颐与园开始“门外汉”走进虚拟重建领域

  韩冬接触文物是从古建筑测绘虚拟复原工作开始的。那时数字媒体专业出身的韩冬还是文物领域的“门外汉”。

  2011年那时的韩冬在寻找数字技术合适的应用场景机缘巧合他得知天津大学古建筑研究团队正在做颐与园内德与园大修项目的测绘工作。

  “当时我们就考虑能否用数字技术实现古建筑的三维重建并以数字化为基础进行建造模拟演示。之后我便联系了古建筑研究团队双方对合作都很感兴趣。”韩冬说。

  “测绘出的数据与图纸在修缮完毕后一般就会被‘束之高阁’了。但经数字化后就可以对这些数据进行二次利用如实现虚拟演示、状态模拟等。”韩冬说这是他第一次接触文物领域的数字化工作尽管这个领域对他来说是全新的但他并不觉得陌生。“这可能与家庭的熏陶有关。”韩冬说他的父亲从事美术创作与教育工作家里有着浓厚的艺术氛围这让他对于艺术与美有着与生俱来的熟悉与亲切。

  德与园三维虚拟重建项目结束后韩冬又与该古建筑研究团队一起完成了甘肃张掖大佛寺的数字虚拟重建工作。他们利用三维扫描技术对佛像与寺庙建筑进行了全面数据采集在此基础上完成了更加精准的仿真模拟。之后他们又参与了湖南马王堆汉墓、故宫端门数字馆、秦始皇帝陵等多个项目。经过这些历练韩冬渐渐爱上了数字虚拟重建这份工作。

  率队常年在全国各地奔走希望更多人爱上文博

  回顾过去8年的“重建”工作让韩冬印象最深的一次是参与实施故宫端门数字馆的交互建设。数字馆中的“〖兰亭集序〗数字书法交互体验内容”是韩冬与团队其他老师共同完成的。这个项目让韩冬深刻体会到数字技术在文物博物馆领域将“大有可为”它能让的文物“活”起来让观众更直接地了解文物的“前世今生”。

  团队用增强现实技术还原了〖兰亭集序〗中描写的曲水流觞的场景。游客可以当一回王羲之在现场书写〖兰亭集序〗而计算机则帮助人们模拟出水墨渲染的逼真效果。“当时游客天天都排长队体验。”韩冬回忆说。

  “现在越来越多的博物馆都在进行数字化、智慧化建设工作。而数字技术也必将改变博物馆的传统展陈方式。”韩冬说数据采集仅是重建工作的一部分还有更多的问题需要我们去解决。

  “就像正在打印的驭手俑就是基于精准测量的数据。但真正打印起来却并不像想象中的那么简单依旧要在实践中解决诸多难题。”韩冬拿起一匹已经打印好的“马”对科技日报记者说马之所以分成上下两部分打印就是因为马肚子等部位没有支撑点无法悬空打印也就不能实现按原比例精准打印。

  如今韩冬团队也吸纳了计算机软件、动画等各专业的青年学生他们常年马不停蹄地奔走在全国各地。“希望通过一个个项目让这些青年学生与我一样最终深深地爱上了这份工作把现代科技融入文物博物馆领域为人类打造通向古老文明的桥梁。”韩冬说。(记者孙玉松 通讯员 刘晓艳)

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  我国高性能条纹相机研制成功

  捕捉1微秒内的超快现象(解码·发现)

  5月22日由中科院西安光学与精密机械研究所(以下简称中科院西安光机所)承担的国家重大科研装备研制项目“高性能条纹相机的研制”顺利通过验收标志着我国具有自主产权的高性能条纹相机进入实用阶段。

  具备同时测量超高时间分辨率与高空间分辨率的唯一高端科学仪器

  超快现象(持续时间小于1微秒即百万分之一秒)广泛存在于自然或科学技术研究中。例如植物的光合作用过程、超大规模集成电路所产生的电脉冲、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲、强光与物质相互作用物理过程等其发生的时间多在皮秒、飞秒甚至阿秒量级范围内。

  中科院西安光机所所长赵卫说:“超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。但是捕捉这种现象靠人眼与普通相机是不行的。”

  中国科学院院士侯洵说:“我们人类眼睛的分辨能力是1/24秒也就是说任何变化快于1/24秒的过程我们眼睛是看不清楚的。事情发生了眼睛只能看到的是起始的情况与最终的情况中间的过程是看不清楚的。”

  那么该借助什么仪器来捕捉超快现象呢?答案是高性能条纹相机。

  赵卫说:“高性能条纹相机是具备能够同时测量超高时间分辨率(皮秒与飞秒)与高空间分辨率(微米)的唯一高端科学仪器涉及的仪器与技术已接近物理极限代表了当前光电诊断技术的最高水平。”

  “高性能条纹相机主要是提高了人类的时间分辨能力。”侯洵说“通俗来说条纹相机把时间分辨率转换成空间分辨率。举个例子假如有一队人依次进入一个房间假如你想弄清楚谁先进来谁后进来一个办法就是让先进来的人站屋子的一头后面进来的人依次排在他旁边站队。最后根据空间上他们站的位置就可以清楚地知道谁先来谁后来。”

  侯洵进一步解释“一束光照射光电阴极光照在上面时会发出电子那么当然先到的光发出的电子也在前面。电子进来之后我们就可以用电磁场来操纵就是扫描。电子经过扫描之后假如第一个来的电子坐在最左边第二个在它之后后面依次类推。然后根据它们的空间位置成像看到图像中的空间位置就可以推断出时间顺序了。”

  可应用于正负电子对撞机等大型装置与航天等领域

  条纹相机的应用领域很广。

  侯洵说:“在同步辐射装置以及正负电子对撞机等大型装置中条纹相机可以诊断粒子束团与光束长度等关键性指标对重大装置的改进与性能进一步提高提供参考依据;在航天领域也有非常大的需求是一种可以在探测器与目标同时瞬变情况下进行实时成像的系统。”

  然而因为条纹相机应用领域的前瞻性与敏感性一直以来条纹相机的国际学术研究成果及器件设备的共享性很低。赵卫说:“目前我们国内对条纹相机的需求量每年大约50台。与其受制于人不如我们自我努力来研制。”

  于是2012年起在中国科学院与财政部的策划捧场下中国科学院西安光学与精密机械研究所启动了“高性能条纹相机的研制”项目针对高性能条纹相机的时间分辨率、动态范围与同步频率三个主要技术指标的提升开始进行攻关。

  虽然在此之前中科院西安光机所在条纹相机领域已经有50多年的研究历史有一定的技术积累但攻关过程仍然十分艰辛。项目团队克服了很多难以想象的困难最终解决了条纹相机制备过程中存在的各种工艺问题与工程实施难题在很多关键技术领域取得了系列突破获得了多项创新性成果成功研制条纹相机相关大型设备8台套。

  目前已实现小批量生产争取2020年年底走向市场

  项目验收会上专家组认为:项目组完成了飞秒条纹相机、同步扫描条纹相机与大动态范围条纹相机的研制工作所有指标均达到实施方案规定的考核指标要求三类条纹相机均已达到实用化其整体性能达到国际先进水平。部分核心关键技术与工艺难题得以突破达到国际领先水平。

  赵卫说:“项目还促进了两大新领域的发展。一是提出全光固体超快成像技术研制方案国内首次研制成功同时具有超快时间分辨率、二维超高空间分辨率的全光固体相机实现了条纹相机技术从真空到固体的跨越式发展各项指标也达到国际水平。二是基于条纹相机研究团队在电真空器件领域的专业优势突破了大面积光电增倍管关键技术为我国中微子探测实验提供了技术保障。”

  此外项目研制期间还建成了设计与仿真平台、电真空器件制备平台、超快电子技术平台、综合测试与分析评估平台形成了模块化、小批量条纹相机的研制生产能力并培养了一支高水平的条纹相机专业化研发团队。

  中国科学院副院长张涛表示研制仪器的最终目的是要能用好。“希望项目团队能进一步加强仪器设别的科学应用促进重大科研成果产出做好产业化推广更好地服务国家基础前沿研究。”

  赵卫透露:“目前项目已实现了小批量生产预计到2020年年中实现条纹相机的规模化生产与销售达到每年200台到2020年年底走向市场。”

  本报记者 吴月辉

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