虛擬考古學(xué)的新視角
在薩克森州，德國(guó)，依靠工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)來(lái)研究和修復(fù)文化寶藏
對(duì)于博物館和修復(fù)工坊來(lái)說(shuō)，考古文物的回收和修復(fù)通常是一項(xiàng)勞動(dòng)密集、耗時(shí)且成本高昂的工作。除此之外，最重要的是不要損壞回收的物品。因此，在應(yīng)用手工和機(jī)械工具發(fā)掘文物之前，獲得文物內(nèi)部的非破壞性視角是一個(gè)決定性的優(yōu)勢(shì)。
只有通過(guò)查看內(nèi)部，才能預(yù)先確定如何最好地發(fā)掘或修復(fù)物品，有時(shí)還能確定該發(fā)現(xiàn)是否確實(shí)是一個(gè)值得進(jìn)一步研究和修復(fù)的壯觀發(fā)現(xiàn)。
先進(jìn)數(shù)字非破壞性分析方法（也用于工業(yè)質(zhì)量檢測(cè)和材料科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室）需要獲得最準(zhǔn)確的視角來(lái)盡可能深入地了解古代發(fā)現(xiàn)物的內(nèi)部情況，其中一些發(fā)現(xiàn)物在發(fā)掘時(shí)周?chē)杂型寥阑蚋g產(chǎn)物。借助現(xiàn)代工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），考古學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)材料和部件檢查中也至關(guān)重要的一點(diǎn)：使隱藏的事物可視化，以便稍后能在正確的位置使用精密機(jī)械工具和刷子。
三維識(shí)別物體特征
工業(yè)CT方法特別適合，因?yàn)樗軌騽?chuàng)建復(fù)雜物體的三維體數(shù)據(jù)集，在虛擬截面中揭示僅幾微米的細(xì)節(jié)。與經(jīng)典的X射線圖像不同，細(xì)節(jié)不會(huì)與其他結(jié)構(gòu)疊加。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它不僅可以檢查高吸收材料（如金屬），還可以檢查殘留纖維、陶瓷或木材等材料，這對(duì)考古調(diào)查至關(guān)重要。
特別是微型和納米CT，使得即使是最小且有時(shí)是最關(guān)鍵的細(xì)節(jié)也能清晰成像。通過(guò)這種方法，修復(fù)者可以確切地知道發(fā)現(xiàn)物表面下隱藏著什么。通過(guò)CT系統(tǒng)以三維體積顯示它，還可以在進(jìn)一步發(fā)掘和修復(fù)措施之前，將該文物作為“數(shù)字孿生”的一種形式進(jìn)行原始狀態(tài)記錄。同樣，關(guān)于發(fā)現(xiàn)物的保存狀態(tài)或現(xiàn)有腐蝕的問(wèn)題也能得到精確回答。這不僅使得更容易決定對(duì)發(fā)現(xiàn)物的進(jìn)一步保護(hù)處理，而且常常為確定文物的年代順序提供初步線索。
此外，在保存狀態(tài)允許的情況下，微型CT掃描還可以檢測(cè)和記錄考古文物表面的加工和使用痕跡，這是考古學(xué)中的寶貴信息。
一項(xiàng)技術(shù)，帶來(lái)眾多發(fā)現(xiàn)
維睿泰的先進(jìn)工業(yè) CT 技術(shù)也被應(yīng)用于德國(guó)下薩克森州的許多令人矚目的考古發(fā)現(xiàn)。在維睿泰與下薩克森州歷史遺跡保護(hù)局（Nieders?chsisches Landesamt für Denkmalpflege, NLD）超過(guò)十年的合作中，各種重要的出土文物在維睿泰位于溫斯托夫的客戶解決方案中心使用 Phoenix V|tome|x 系列高分辨率 CT 系統(tǒng)進(jìn)行掃描，并生成了初步的可視化圖像。隨后，3D 卷數(shù)據(jù)的分割和分析在 NLD 位于漢諾威的辦公室進(jìn)行。
為子孫后代保護(hù)文化寶藏
但是，為什么在進(jìn)行手工精細(xì)工作之前要先進(jìn)行CT掃描和分割呢？事實(shí)上，有許多應(yīng)用場(chǎng)景都證明了CT在現(xiàn)代考古學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。對(duì)于古代文化文物的保護(hù)尤其如此，因?yàn)榉瞧茐男缘姆椒ù_保了文物在數(shù)字上保持完整。這種方法有助于文物的斷代，以及檢測(cè)某些顆粒和纖維（如紡織品）。
通過(guò)虛擬切片進(jìn)行虛擬發(fā)掘
2016年，在德國(guó)維斯貝克（Visbeck）發(fā)現(xiàn)了一把中世紀(jì)早期的撒克遜劍，該劍是在周?chē)寥佬纬傻耐翂K中被發(fā)現(xiàn)的，研究人員使用Phoenix V|tome|x L 450計(jì)算機(jī)斷層掃描儀對(duì)其進(jìn)行了檢查。對(duì)這把75厘米長(zhǎng)的劍（此前已進(jìn)行了經(jīng)典的二維X射線檢查）的掃描體積進(jìn)行虛擬切片后，掃描后不久便發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)驚喜：劍鞘上飾有鉚釘，鉚釘上又裝飾著非常小的珠狀金屬絲飾物。與鐵相比，較高的灰度值也表明這些鉚釘是銀制的。這一推測(cè)在隨后的發(fā)掘中得到了證實(shí)。對(duì)劍柄的仔細(xì)觀察還顯示，在劍的右側(cè)下方藏著另一把小刀。
借助CT，不僅可以記錄劍及其陪葬品的精確三維模型，而且在隨后的發(fā)掘過(guò)程中，從一開(kāi)始就很清楚哪里會(huì)有純土，以及在接近重要細(xì)節(jié)時(shí)需要特別小心的地方。
因此，通過(guò)CT獲得的3D信息是一個(gè)無(wú)價(jià)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗环矫婀?jié)省了時(shí)間，另一方面有助于提高修復(fù)質(zhì)量。
數(shù)字除銹——點(diǎn)擊鼠標(biāo)一鍵曝光
當(dāng)土壤中的金屬物體發(fā)生腐蝕時(shí)，與剩余的純金屬相比，由于吸收了氧氣，其X射線吸收率會(huì)降低。這使得只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就可以在CT體數(shù)據(jù)集的直方圖中隱藏剩余金屬芯周?chē)g材料和附著土壤的特定灰度值。
例如，對(duì)CT體數(shù)據(jù)集的虛擬后處理和單個(gè)物體的著色，使得能夠識(shí)別出2018年在圣安德烈亞斯貝格（Sankt Andreasberg）發(fā)現(xiàn)的16把錘子和鎬頭的集合體，據(jù)推測(cè)這些工具來(lái)自16世紀(jì)。
該非破壞性方法的另一個(gè)例子是2013年在胡姆靈（Hümmling）的韋斯特洛（Westerloh）發(fā)現(xiàn)的結(jié)殼羅馬錢(qián)幣卷。這些錢(qián)幣被一層厚度不一的腐蝕物覆蓋得面目全非。為了進(jìn)行年代鑒定，需要將這些錢(qián)幣分開(kāi)并暴露出來(lái)，但這需要結(jié)合濕法化學(xué)處理，導(dǎo)致大量物質(zhì)損失。對(duì)堆疊物的切片顯示，這里共有九枚錢(qián)幣。然而，在進(jìn)行微型CT掃描和三維重建后，便能夠相對(duì)輕松地在虛擬環(huán)境中逐層翻閱錢(qián)幣堆疊層。在這個(gè)過(guò)程中，統(tǒng)治者的象征和肖像反復(fù)出現(xiàn)。這些使得該發(fā)現(xiàn)在不破壞的情況下被歸類(lèi)為4世紀(jì)中期。
所獲得的結(jié)果、成功地對(duì)各個(gè)硬幣進(jìn)行了年代鑒定，以及圖像的使用，最終證明了將硬幣卷保留在完整遺址中的決定是正確的，從而為后代保存了這一發(fā)現(xiàn)。
虛擬發(fā)掘的另一個(gè)例子是一個(gè)部分修復(fù)且嚴(yán)重腐蝕的鐵制腰帶帶扣，該帶扣帶有銀質(zhì)覆蓋層，是在一個(gè)古老的撒克遜墓地中發(fā)現(xiàn)的，并在維睿泰進(jìn)行了掃描。在CT體積中屏蔽掉周?chē)牧虾螅F環(huán)和銀質(zhì)覆蓋層都可以被看到。還可以可視化先前X射線檢查中未檢測(cè)到的其他裝飾。
數(shù)字木材——虛擬樹(shù)木年代學(xué)
雖然經(jīng)典的樹(shù)木年代學(xué)可以依靠橫截面或鉆芯來(lái)測(cè)定歷史建筑的年代，但由于這種方法的破壞性，導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)這種方法無(wú)法應(yīng)用于獨(dú)特的木制藝術(shù)品或樂(lè)器。
例如，2004年，phoenix|x-ray（現(xiàn)為維睿泰）制造的一個(gè)微焦點(diǎn)X射線管被用來(lái)以特別高的分辨率掃描德國(guó)南部的三個(gè)凱爾特木制神像。這使得不僅能夠在非破壞性虛擬截面中可視化髓射線和年輪，甚至還能可視化單個(gè)木材細(xì)胞。這不僅證明了這三個(gè)神像都是由同一棵橡樹(shù)雕刻而成，而且還實(shí)現(xiàn)了世界上首次虛擬樹(shù)木年代學(xué)檢查。這樣，這三個(gè)神像就可以被精確地測(cè)定為公元前127年。
通過(guò)高科技一窺石器時(shí)代
高分辨率CT掃描的潛力也被用來(lái)研究史前木制工具。20世紀(jì)90年代，在舍寧根（Sch?ningen）露天褐煤礦發(fā)現(xiàn)了幾把木制長(zhǎng)矛和投擲棒——這是世界上現(xiàn)存最古老的完整狩獵武器。這些木制物品可追溯到大約30萬(wàn)年前，為舊石器時(shí)代人類(lèi)祖先（海德堡人，Homo heidelbergensis）的早期智慧提供了前所未有的視角。它們提供了關(guān)于早期人類(lèi)狩獵實(shí)踐和社會(huì)組織的重要信息。近年來(lái)，這些人工制品在下薩克森州歷史遺跡保護(hù)國(guó)家辦公室（NLD）領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究項(xiàng)目中得到了研究。
研究的重點(diǎn)是一個(gè)雙尖投擲棍，它可能用于以最高 30 米的距離獵捕小型動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)。研究結(jié)果令人印象深刻地展示了早期人類(lèi)的技藝：這根棍子是用精心去皮的云杉枝制作的，并被塑造成具有空氣動(dòng)力學(xué)和人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的投擲工具。痕跡表明，早期人類(lèi)故意加工木材以避免出現(xiàn)裂縫和變形。這表明早期人類(lèi)對(duì)材料特性有著出乎意料的深刻理解。
使用維睿泰的Phoenix V|tome|x M 300掃描儀拍攝的微型CT圖像，使科學(xué)家們能夠確定木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。CT掃描中可見(jiàn)的63個(gè)非常緊密、偏心的年輪證明，這種極硬的木材（由于生長(zhǎng)非常緩慢）并非像長(zhǎng)矛一樣取自樹(shù)干，而是取自一棵生長(zhǎng)極其緩慢的云杉的樹(shù)枝，可能來(lái)自低山脈的高海拔地區(qū)，這使得它比該地區(qū)今天可用的云杉要堅(jiān)硬得多。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，投擲棒可能是在湖邊丟失的，并迅速嵌入泥中。這種快速掩埋使得該人工制品得以保存，但也留下了痕跡：踩踏損壞、真菌感染、根部損壞和壓縮。
這些分析證實(shí)了該投擲棒被用作投擲棒，即狩獵武器的解釋?zhuān)?qiáng)調(diào)了30萬(wàn)年前早期人類(lèi)高度發(fā)達(dá)的木材加工技能。因此，德國(guó)下薩克森州舍寧根（Sch?ningen）的發(fā)現(xiàn)是人類(lèi)祖先智慧和適應(yīng)能力的令人印象深刻的證明。
分析結(jié)果確認(rèn)了該棍子被用作投擲棍，同時(shí)也作為一種狩獵武器，并強(qiáng)調(diào)了早期人類(lèi)在 30 萬(wàn)年前高度發(fā)達(dá)的木工技能。如此一來(lái)，來(lái)自德國(guó)下薩克森州舍寧根（Sch?ningen）的發(fā)現(xiàn)成為了我們?nèi)祟?lèi)祖先的聰明才智和強(qiáng)大適應(yīng)能力的見(jiàn)證。
尼安德特人的藝術(shù)才華被揭開(kāi)
在另一個(gè)案例中，使用Phoenix V|tome|x M微型CT掃描儀檢查了一件尼安德特人的早期“藝術(shù)品”。該發(fā)現(xiàn)于2019年在德國(guó)哈爾茨山脈的獨(dú)角獸洞穴的前入口門(mén)廊處被發(fā)現(xiàn)。該物品是巨鹿的跖骨，5萬(wàn)多年前，尼安德特人在上面裝飾了幾何角形圖案?；贑T掃描，NLD創(chuàng)建了一個(gè)表面的數(shù)字三維模型。任務(wù)是對(duì)雕刻的加工痕跡進(jìn)行更仔細(xì)的檢查，以便對(duì)其起源得出結(jié)論。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些幾毫米深的凹槽由一個(gè)垂直的、部分呈階梯狀分布的剖面，后面跟著一個(gè)水平面組成?？脊艑?shí)驗(yàn)表明，這些圖案可以通過(guò)在骨頭上進(jìn)行垂直切割，然后刮擦周?chē)砻鎭?lái)最有效地創(chuàng)建。實(shí)驗(yàn)還表明，這些相當(dāng)深的凹槽需要至少90分鐘才能制作出來(lái)。因此，尼安德特人有足夠的時(shí)間來(lái)思考這個(gè)物品及其意義。CT掃描還允許在三維模型上收集測(cè)量數(shù)據(jù)，有趣的是，這突出了工作的精確性。單個(gè)凹槽之間的距離為8-10毫米，并以大約90度的角度相交。這種意想不到的精確性使人們對(duì)尼安德特人有了更深入的認(rèn)識(shí)。
工業(yè)CT技術(shù)為文物保護(hù)帶來(lái)的不可估量?jī)?yōu)勢(shì)
在數(shù)十年間，二維X射線始終作為文物修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)輔助手段，而工業(yè)CT技術(shù)近期開(kāi)始以高分辨率三維影像革新文物的原貌記錄方式。該技術(shù)可精準(zhǔn)預(yù)判塊狀發(fā)掘物、陶罐或完全腐蝕凝結(jié)物的內(nèi)部狀態(tài)，評(píng)估修復(fù)措施的必要性，并以毫米級(jí)精度定位發(fā)掘過(guò)程中需格外謹(jǐn)慎的操作點(diǎn)。
針對(duì)珍貴木質(zhì)文物，工業(yè)CT實(shí)現(xiàn)了非破壞性年輪分析，結(jié)合三維打印技術(shù)，不僅能復(fù)刻激光掃描可及的表面細(xì)節(jié)，更能還原文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，制作出全維度精確復(fù)制品。
得益于近年來(lái)技術(shù)的飛躍式發(fā)展——掃描與重建時(shí)間大幅縮短，分辨率持續(xù)提升——工業(yè)CT早已從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)線，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造及電子工業(yè)。鑒于其不可替代的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)博物館與修復(fù)工坊有望全面引入工業(yè)CT技術(shù)，為文物保護(hù)提供革命性支持。
