本发明涉及数据化技术领域，具体涉及一种物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置及方法。
背景技术：
中国物质文化遗产数量大、种类多、质量高，在人类文化遗产中地位重要。一方面物质文化遗产因年代、社会、人或自然等原因，其不可避免的变化或损害，需要一套有效的数字身份机制，对其认证、追溯与研究。另一方面，文化已成为促进经济社会可持续发展的一支重要力量。物质文化遗产作为文化的重要载体，在各国的文化竞争战略中地位重要。因此建立一套有效的物质文化数字身份机制十分必要。其一，数字身份机制可在物质文化遗产的展示、教育、文创与商业中起到去伪存真作用。其二，物质文化遗产作为独特战略资源，数字身份机制能更好的对其数字知识产权起到保护作用。在信息化浪潮的推动下，互联网和虚拟现实为代表的数字化技术方兴未艾地发展。越来越多的现实世界被数字化到虚拟空间并且已经实现自由地互联互通。数字化物质文化遗产在这样的大背景下势在必行，并且其将会是未来大国文化竞争战略资源的重要组成部分。
起初区块链作为点对点网络上的一个分类账册，在不断生成的“区块”上记录每笔交易自诞生起，所有历史，区块与区块之间以链式相连，并且公布给该网络上所有的节点，节点之间通过共识机制确认区块信息。节点成员可根据权限查阅相关交易记录，但任何单个节点都无法轻易更改整个网络上的所有区块数据。这种设计来源于2008年中本聪发表的论文《比特币：一种点对点的电子现金系统》。这篇文章提出创建一套基于密码学原理而不是基于信用的新型的电子支付系统，使得任何达成一致的双方能够直接进行支付，从而不需要第三方中介参与。
区块链技术可以构建一个高效可靠的价值传输系统，它的诞生标志着人类开始构建真正的可信互联网。区块链网络即将成为承载社会信任的网络基础设施，实现信息和价值的有效传递，因此区块链提供了一种新型的社会信任机制，为数字经济的发展奠定了新基石。区块链技术已经在全球开始部署应用，目前主要有两大应用趋势：从公共服务层面来看，区块链技术正在探索在公共管理、社会保障、知识产权管理和保护、土地所有权管理等领域的应用。从经济社会来看，区块链经济已经萌芽。许多基于区块链的解决方案，可以改善现有的商业规则，构建新型的产业协作模式，提高协作流通的效率。无论是各国央行和各大商业银行，还是联合国、国际货币基金组织以及许多国家政府研究机构，都对区块链投入极大关注。
区块链具有三大显著技术优势特征：一是多方参与交易记录行为，即各方可参与记录；二是整个网络上的节点共同维护数据存储；三是通过链式存储数据与合约，并且只能读取和写入，不可篡改。区块链的最主要技术优势使可以使参与者不需要获得交易对方基本信息的情况进行价值交易，改变了必须以第三方担保的传统互联网交易模式。这种设计模式有两大突出优势，第一，交易双方的身份通过加密手段确定，身份之间的信任使依靠共识机制实现的，相互间的交易信任由机器和算法确定。所有参与者将在无须建立信任关系的环境中。第二，交易过程可以通过智能合约由程序自动完成。这样契约的执行可以排除了人为的干扰因素，从制度上防止任何一方的抵赖。区块链技术的这种“弱中心化”特性可以有效降低交易成本，提高交易效率，减少因交易一致性所引发的摩擦。
物质文化遗产的多模态数字身份管理与区块链技术的两大设计思想非常吻合。首先物质文化遗产的多模态数字身份作为数字资产与其本体有一一对应的关系，这样就要求物质文化遗产的数字身份要绝对安全，生成之后即不能被篡改。这一要求与区块链的安全层面设计思想高度契合。其次，物质文化遗产的数字身份作为数字资产是会在信息领域受控流通的，例如数字身份所包含的三维模型以及材质信息可以授权给研究机构来做远程考古元研究以及虚拟化展示。这样，依托区块链在交易层面的独特设计，物质文化遗产的数字身份便能够安全高效低成本的流通，从而实现其应有经济价值和社会价值。
在三维重建领域运用较多的是基于结构光的三维成像，主要是区别于纯粹的像双目立体视觉之类的被动三维测量技术，因而被称为主动三维测量。因为他需要主动去投射结构光到被测物体上，通过结构光的变形(或者飞行时间等)来确定被测物的尺寸参数。例如光栅投影技术通过计算机编程产生正弦条纹，将该正弦条纹通过投影设备投影至被测物，利用ccd相机拍摄条纹受物体调制的弯曲程度，解调该弯曲条纹得到相位，再将相位转化为全场的高度。
在三维重建中使用广泛的另一技术是三维激光扫描技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测等。三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。
在材质信息获取方面我们主要借助于高光谱成像技术，高光谱成像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者r、g、b的区别，而是在光谱维度上也有n个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。
申请人博士期间主要从事中国古代物质文化遗产研究。对物质文化遗产内部文化信息结构有深入的探讨。按照物质文化遗产的时空不同信息层，分区块的从物理形态、材质特性、纹理特征等方面，探寻了其社会文化发展规律。同时对物质文化遗产保护也有较为深入的认识。
申请人博士后研究方向是文化遗产数字化保护与传播。在站期间承担了国家社科基金艺术学重点项目《虚拟现实文化创意产品的设计理论与应用研究》。工作中对数字技术以及虚拟现实技术等手段进行了全面梳理，设计研发了基于传统文化传播的增强现实软件，发表了文化数字化的相关论文。在物质文化遗产数字化重建方面，探寻了一套数字信息重建的解决方案，并应用于故宫的陶瓷、金属等不同材质类别的珍贵文物数字重建项目中。深入研究了区块链体系的构成机制，并且通过腾讯trust平台对于物质文化遗产的区块链身份机制做了一些前期研究工作。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置及方法，结合背景技术的理念，通过多源异构数据融合高精度三维重建、高光谱色彩纹理分析采集等技术，采集记录形态、材质、纹理等数据，为物质文化遗产建立较为全面的数字信息档案，通过区块链技术，把采集的多维信息绑定在区块链上，确定数字物质文化遗产在互联网中，具有唯一、有效的身份信息。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置，所述构建装置包括文物身份创建单元、私有链管理单元、数字身份存储单元和公有链管理单元，所述文物身份创建单元与所述私有链管理单元建立连接关系，文物身份创建单元包括三维构型模块、高光谱数据采集模块和基础描述数据采集模块，所述三维构型模块用于对区块链多模态数字身份构建的物质文化遗产对象进行三维模型构建，所述高光谱数据采集模块用于获取作为物质文化遗产材质信息表示数据的高光谱数据；所述基础描述数据采集模块用于获取物质文化遗产对象的基础描述数据；所述数字身份存储单元包括分布式大数据存储平台模块，所述分布式大数据存储模块用于快速存储由文物身份创建单元生成的海量数字身份文件；所述私有链管理单元设有身份数据哈希处理模块和身份数据聚合模块，所述身份数据哈希处理模块用于对一个创建的物质文化遗产对象身份数据生成一个哈希值处理，所述身份数据聚合模块与身份数据哈希处理模块建立连接关系，身份数据聚合模块用于将每次新建的物质文化遗产对象数字身份的哈希值跟已有的所有的哈希值聚合成一个文件；所述公有链管理单元包括聚合数据哈希处理模块，所述聚合数据哈希处理模块用于对聚合后的物质文化遗产对象数字身份文件进行哈希处理。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置，所述三维构型模块配置有结构光相机，所述结构光相机用于对扫描精度要求高、物体尺寸适中且镜面反射低的物质文化遗产对象进行三维模型构建。根据被扫描对象的类别不同可采用不同的三维模型构建技术，对于扫描精度要求高但物体尺寸适中且镜面反射低的对象采用结构光相机进行三维模型构建，根据结构光相机设置的不同其建模精度可达100至10微米级。结构光相机三维成像是将结构光投射至物体表面，再使用摄像机接收该物体表面反射的结构光图案，由于接收图案必会因物体的立体形状而发生变形，故可以通过该图案在结构光相机的位置和形变程度来计算物体表面的空间信息。通过使用投射光栅图案结构光的方法来实现高精度三维模型构建，光栅图案结构光投射到被测物表面，受物体高度的调制，光栅条纹发生形变，这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理计算出高度进而得到对象物体的三维模型。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置，所述三维构型模块配置有激光扫描仪，所述激光扫描仪用于对表面材质镜面反射强烈的物质文化遗产对象进行三维模型构建。三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置，所述基础描述数据采集模块采集的信息包括物质文化遗产对象的名称、用途、出土或发现时间、外形尺寸、出土或保存地点gps坐标、三维模型构建时间戳、三维模型构建的设备信息序列号、高光谱成像的时间戳、高光谱成像的设备信息序列号以及扫描操作员的基本信息。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置，所述装置对接有区块链服务平台。区块链服务平台属于现有技术，目前，互联网上存在众多的区块链服务平台，如腾讯区块链服务平台。
本发明还提供一种物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法，所述构建方法采用上述的构建装置，所述构建方法包括：
步骤一：通过三维构型模块对待进行区块链多模态数字身份构建的物质文化遗产对象进行三维模型构建，通过高光谱数据采集模块获取作为物质文化遗产对象材质信息表示数据的高光谱数据，通过基础描述数据采集模块获取物质文化遗产对象的基础描述数据；
步骤二：将三维模型数据、高光谱数据和基础描述数据合并生成物质文化遗产的多模态数字身份，并在分布式大数据存储平台模块上保存和管理生成的多模态数字身份文件；
步骤三：利用身份数据哈希处理模块对每个创建的物质文化遗产对象身份数据生成一个哈希值，并将每个物质文化遗产对象身份数据的哈希值放在私有链管理单元管理；
步骤四：利用身份数据聚合模块将每次新建的物质文化遗产对象数字身份的哈希值跟已有的所有哈希值聚合成一个文件；
步骤五：通过聚合数据哈希处理模块对聚合后的物质文化遗产对象数字身份文件进行哈希处理，并将哈希处理的结果作为当前私有链整体的数据指纹挂载到公有链管理单元上。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法，当物质文化遗产对象的扫描精度要求高、物体尺寸适中且镜面反射低时，通过结构光相机对物质文化遗产对象进行三维模型构建。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法，当物质文化遗产对象的表面材质镜面反射强烈时，通过激光扫描仪对物质文化遗产对象进行三维模型构建。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法，基础描述数据采集模块获取物质文化遗产对象的基础描述数据包括物质文化遗产对象的名称、用途、出土或发现时间、外形尺寸、出土或保存地点gps坐标、三维模型构建时间戳、三维模型构建的设备信息序列号、高光谱成像的时间戳、高光谱成像的设备信息序列号以及扫描操作员的基本信息。
如上所述的物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法，通过高可用性、可扩展性的分布式大数据存储平台结合私有区块链平台管理物质文化遗产对象的多模态身份，利用私有结合公有区块链的应用服务层支持多模态身份的校验、远程授权或虚拟展示。
在每一次对单体物质文化遗产进行身份创建后，经数字签名的身份文件存入分布式大数据存储平台，同时将生成数字签名也就是身份文件的哈希值，挂载到私有区块链上作永久记录并管理。然后利用身份数据聚合模块，将每次新建的物质文化遗产对象数字身份的哈希值，与已有的所有哈希值聚合成一个文件。通过聚合数据哈希处理模块对聚合后的物质文化遗产对象数字身份文件进行哈希处理，并将哈希处理的结果作为当前私有链整体的数据指纹挂载到公有链管理单元上。如利用腾讯的trustplatform高可用性、可扩展性的区块链应用基础平台，结合其trustsql底层区块链平台以及分布式大数据存储系统，管理多模态身份。同时利用其上层的trustapplication应用服务层支持多模态身份的校验、远程授权、虚拟展示等实际应用场景。
本发明具有如下优点：中国物质文化遗产数量巨大、种类丰富、精品众多，在全人类社会文化遗产中地位重要，本发明对物质文化遗产认证、追溯、修复与研究有重要意义；当今社会，文化已成为促进经济社会可持续发展的一支重要力量，物质文化遗产作为文化的重要载体，在各国的文化竞争战略中地位重要，因此本发明有益于提高我国文化竞争力；在物质文化遗产的展示、教育、文创与商业中，数字身份模态机制可起到去伪存真的重要作用；数字身份模态机制能更好的对物质文化遗产数字知识产权起到保护作用，同时加强了其数字文化的信息安全，在全球文化竞争大环境中，起到对中国数字物质文化遗产这一独特文化战略资源的保护作用；数字物质文化遗产身份模态机制成为数字经济中的重要组成部分。
附图说明
图1为物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置示意图；
图2为结构光相机重建三维模型构建实例示意图；
图3为激光扫描仪重建的三维模型构建实例示意图；
图4为高光谱数据采集模块通过高光谱相机采集的壁画光谱指纹数据示意图；
图5为物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法示意图；
图6为双层区块链物质文化遗产数字身份管理示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明中需要指出的是，材质信息是在物质文化遗产的三维构型的以外的另一重要身份特征信息，忠实记录了物质文化遗产的物质构成成分，可以为研究其产地以及制作工艺提供重要的佐证信息。在不破坏采集对象的前提下声请人提出获取物质文化遗产的高光谱数据作为其材质信息的表示数据。光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式，地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。肉眼光学成像能看到物质的形状、尺寸等信息，光谱分析则能获取物质的成分信息。要获取更丰富、精细的物质成分信息，除了提升分光系统性能外，还可以改进分光方法、呈现方式即高光谱成像。高光谱相机拍摄物体表面，获取图像上每个点的光谱数据，因为高光谱连续成像的特征，能够获得目标数百张不同波长的图像，这些图像叠加起来，在三维空间上就能形成一个图像立方体，将每个像素对应的数百张数字图像的数值连接起来，就成为一条光谱曲线。不同物质甚至不同年代的物质反映出的光谱信息会有差异，也就是呈现为一条独属于它的指纹光谱。参见图4为高光谱相机对壁画数据生成的材质光谱指纹数据。
如图1所示，物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置，所述构建装置包括文物身份创建单元1、私有链管理单元3、数字身份存储单元2和公有链管理单元4，所述文物身份创建单元1与所述私有链管理单元3建立连接关系，文物身份创建单元1包括三维构型模块101、高光谱数据采集模块102和基础描述数据采集模块103，所述三维构型模块101用于对区块链多模态数字身份构建的物质文化遗产对象进行三维模型构建，所述高光谱数据采集模块102用于获取作为物质文化遗产材质信息表示数据的高光谱数据；所述基础描述数据采集模块103用于获取物质文化遗产对象的基础描述数据；所述数字身份存储单元2包括分布式大数据存储平台模块201，所述分布式大数据存储模块301用于快速存储由文物身份创建单元生成的海量数字身份文件；所述私有链管理单元3设有身份数据哈希处理模块301和身份数据聚合模块302，所述身份数据哈希处理模块301用于对一个创建的物质文化遗产对象身份数据生成一个哈希值处理，所述身份数据聚合模块302与身份数据哈希处理模块301建立连接关系，身份数据聚合模块302用于将每次新建的物质文化遗产对象数字身份的哈希值跟已有的所有的哈希值聚合成一个文件；所述公有链管理单元4包括聚合数据哈希处理模块401，所述聚合数据哈希处理模块401用于对聚合后的物质文化遗产对象数字身份文件进行哈希处理。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置的一个实施例中，所述三维构型模块101配置有结构光相机，所述结构光相机用于对扫描精度要求高、物体尺寸适中且镜面反射低的物质文化遗产对象进行三维模型构建。参见图2，根据被扫描对象的类别不同可采用不同的三维模型构建技术，对于扫描精度要求高但物体尺寸适中且镜面反射低的对象采用结构光相机进行三维模型构建，根据结构光相机设置的不同其建模精度可达100至10微米级。结构光相机三维成像是将结构光投射至物体表面，再使用摄像机接收该物体表面反射的结构光图案，由于接收图案必会因物体的立体形状而发生变形，故可以通过该图案在结构光相机的位置和形变程度来计算物体表面的空间信息。通过使用投射光栅图案结构光的方法来实现高精度三维模型构建，光栅图案结构光投射到被测物表面，受物体高度的调制，光栅条纹发生形变，这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理计算出高度进而得到对象物体的三维模型。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置的一个实施例中，所述三维构型模块101配置有激光扫描仪，所述激光扫描仪用于对表面材质镜面反射强烈的物质文化遗产对象进行三维模型构建。参见图3，三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置的一个实施例中，所述基础描述数据采集模块103采集的信息包括物质文化遗产对象的名称、用途、出土或发现时间、外形尺寸、出土或保存地点gps坐标、三维模型构建时间戳、三维模型构建的设备信息序列号、高光谱成像的时间戳、高光谱成像的设备信息序列号以及扫描操作员的基本信息。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建装置的一个实施例中，所述装置对接有区块链服务平台。区块链服务平台属于现有技术，目前，互联网上存在众多的区块链服务平台，如腾讯区块链服务平台。
参见图5，本发明还提供一种物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法，所述构建方法采用上述的构建装置，所述构建方法包括：
s1：通过三维构型模块101对待进行区块链多模态数字身份构建的物质文化遗产对象进行三维模型构建，通过高光谱数据采集模块102获取作为物质文化遗产对象材质信息表示数据的高光谱数据，通过基础描述数据采集模块103获取物质文化遗产对象的基础描述数据；
s2：将三维模型数据、高光谱数据和基础描述数据合并生成物质文化遗产的多模态数字身份，并在分布式大数据存储平台模块201上保存和管理生成的多模态数字身份文件；
s3：利用身份数据哈希处理模块301对每个创建的物质文化遗产对象身份数据生成一个哈希值，并将每个物质文化遗产对象身份数据的哈希值放在私有链管理单元3管理；
s4：利用身份数据聚合模块302将每次新建的物质文化遗产对象数字身份的哈希值跟已有的所有哈希值聚合成一个文件；
s5：通过聚合数据哈希处理模块401对聚合后的物质文化遗产对象数字身份文件进行哈希处理，并将哈希处理的结果作为当前私有链整体的数据指纹挂载到公有链管理单元上。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法的一个实施例中，当物质文化遗产对象的扫描精度要求高、物体尺寸适中且镜面反射低时，通过结构光相机对物质文化遗产对象进行三维模型构建。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法的一个实施例中，当物质文化遗产对象的表面材质镜面反射强烈时，通过激光扫描仪对物质文化遗产对象进行三维模型构建。
物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法的一个实施例中，基础描述数据采集模块103获取物质文化遗产对象的基础描述数据包括物质文化遗产对象的名称、用途、出土或发现时间、外形尺寸、出土或保存地点gps坐标、三维模型构建时间戳、三维模型构建的设备信息序列号、高光谱成像的时间戳、高光谱成像的设备信息序列号以及扫描操作员的基本信息。
参见图6，物质文化遗产区块链多模态数字身份构建方法的一个实施例中，通过高可用性、可扩展性的分布式大数据存储平台结合私有区块链平台管理物质文化遗产对象的多模态身份，利用私有结合公有区块链的应用服务层支持多模态身份的校验、远程授权或虚拟展示。在每一次对单体物质文化遗产进行身份创建后，经数字签名的身份文件存入分布式大数据存储平台，同时将生成数字签名也就是身份文件的哈希值，挂载到私有区块链上作永久记录并管理。然后利用身份数据聚合模块，将每次新建的物质文化遗产对象数字身份的哈希值，与已有的所有哈希值聚合成一个文件。通过聚合数据哈希处理模块对聚合后的物质文化遗产对象数字身份文件进行哈希处理，并将哈希处理的结果作为当前私有链整体的数据指纹挂载到公有链管理单元上。如利用腾讯的trustplatform高可用性、可扩展性的区块链应用基础平台，结合其trustsql底层区块链平台以及分布式大数据存储系统，管理多模态身份。同时利用其上层的trustapplication应用服务层支持多模态身份的校验、远程授权、虚拟展示等实际应用场景。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。