故宮古建筑三維數(shù)字化建模研究范文

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故宮博物院是建立在明清兩朝的皇宮———紫禁城的基礎(chǔ)上，有世界上規(guī)模最大、保存最完整的紫禁城木結(jié)構(gòu)宮殿建筑群。它是中華民族的驕傲所在，也是全人類的珍貴文化遺產(chǎn)［1］。這些古建筑有很高的歷史價值和藝術(shù)價值，也有很高的科學價值，是研究歷史科學的實物例證［2］。對故宮古建筑數(shù)字化及三維建模技術(shù)的研究，是一件功在當代、利在千秋的偉大事業(yè)。故宮文化資產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用研究所(以下簡稱“數(shù)研所”)成立于2003年10月，旨在應(yīng)用先進的數(shù)字化技術(shù)，保護、研究和展示故宮博物院珍貴的人類文化遺產(chǎn)。數(shù)研所將利用三維掃描、數(shù)碼攝影、三維建模等數(shù)字化手段，采集、加工、存儲古建筑和其他文物的數(shù)據(jù)，致力于建立故宮古建筑和文物的三維數(shù)據(jù)庫;利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其他數(shù)字技術(shù)，立體再現(xiàn)文化遺產(chǎn)的原貌，更好地促進對于文化遺產(chǎn)的研究和展示;探索新的表現(xiàn)形式和展示方式，全方位推進數(shù)字技術(shù)在故宮博物院的綜合應(yīng)用。

1古建筑三維數(shù)字化技術(shù)和方法

古建筑三維數(shù)字化建模研究的起點是數(shù)據(jù)的獲取。目前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取方法主要有:1)傳統(tǒng)的方法，組織大規(guī)模人力現(xiàn)場采集測量，積累了大量的古建筑工程測繪圖紙和文檔資料。2)隨著數(shù)碼攝影的廣泛使用，利用數(shù)碼攝影技術(shù)記錄古建筑的二維影像也是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的來源之一。3)隨著三維掃描技術(shù)的不斷發(fā)展完善，對古建筑進行非接觸式三維掃描來獲取古建筑的三維點云數(shù)據(jù)。從這三種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方法衍生出三種三維建模技術(shù)和方法:第一，依靠古建筑工程測繪圖紙進行手工三維建模。在圖紙上大小尺寸數(shù)據(jù)精確完整的情況下，建模者可以按照圖紙上的建筑結(jié)構(gòu)來精確建立三維模型，重建后的古建筑三維模型數(shù)據(jù)，由于無法提供精確真實的裝飾紋理信息，還是無法滿足研究學者對古建筑高精度的需求。第二，依靠二維影像進行手工建模。這種方法建模者主觀性大，物體大小尺寸無法達到精確無誤，重建后的古建筑三維模型數(shù)據(jù)，雖然同樣無法滿足研究者對古建筑高精度的需求［5］，但是可以得到高清晰度的紋理色彩信息，剛好與第一種方法形成有效的互補。第三，使用三維掃描儀進行三維掃描建模。這種方法能夠精準地獲取古建筑的三維形狀，通過高清數(shù)碼相機輔助拍攝進行手動貼圖映射，可以呈現(xiàn)出逼真的帶有紋理信息的三維模型。該方法的缺點是:獲取的數(shù)據(jù)三角面片數(shù)量巨大，而且布線雜亂，后期數(shù)據(jù)處理耗時量巨大，適合局部特殊需求使用，不建議大規(guī)模將該技術(shù)使用在古建筑三維建模上。故宮古建筑以優(yōu)美的結(jié)構(gòu)造型和豐富多彩的裝飾紋理為基本要素，全方位的故宮古建筑信息保護應(yīng)包括建筑所在的空間信息和建筑表面的顏色信息，只有這樣，才能真實全面地反映故宮古建筑的全部。因此，故宮古建筑三維數(shù)字化技術(shù)和方法是:結(jié)構(gòu)造型上依靠工程結(jié)構(gòu)圖紙和手工測繪進行三維建模，裝飾紋理上利用二維影像進行手工貼圖，針對制作難度大且造型不規(guī)則以及做工精細的雕刻部件進行三維掃描建模。該混合建模方法充分利用了以上三種建模技術(shù)的優(yōu)點。

2故宮古建筑三維數(shù)字化

對于古建筑三維模型數(shù)據(jù)而言，不光是數(shù)字模型，還需要對其色彩進行記錄，即三維模型幾何形狀信息(以下簡稱“模型信息”)和表面的貼圖紋理色彩信息(以下簡稱“色彩信息”)。故宮古建筑的三維數(shù)字化研究就是如何實現(xiàn)數(shù)字模型和色彩的對應(yīng)統(tǒng)一。故宮古建筑三維數(shù)字化建模包括制作管理策劃、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、貼圖照片數(shù)據(jù)處理、模型數(shù)據(jù)制作、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控等多個步驟。

2.1制作管理策劃制作管理策劃屬于前期準備階段的工作，制定采集、加工標準與模型制作工作計劃，在整個古建筑三維數(shù)字化工作中起著非常重要的作用，可以對整個制作過程進行規(guī)范，減少或避免三維模型數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)制作進度方面的問題發(fā)生，確保數(shù)據(jù)采集和模型加工等各環(huán)節(jié)的工作有序進行。

2.1.1采集、加工標準的制定第一，在數(shù)據(jù)采集上，參考故宮博物院文物攝影的方法，再結(jié)合古建筑數(shù)字化的特點制定相應(yīng)的采集標準，規(guī)范采集數(shù)據(jù)的流程、光照、色彩、角度以及數(shù)據(jù)的大小和清晰度，為數(shù)據(jù)加工提供優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)素材數(shù)據(jù)，最大程度的滿足古建筑三維模型數(shù)據(jù)加工環(huán)節(jié)的需求。第二，在數(shù)據(jù)加工上，根據(jù)故宮古建筑自身的特點、數(shù)據(jù)利用的目的和軟硬件的要求等因素條件，制定了一個統(tǒng)一的標準:1)對模型和貼圖數(shù)據(jù)的文件格式、命名方式、尺寸大小進行規(guī)范，滿足存儲、利用和傳輸過程中對古建筑三維模型數(shù)據(jù)的需求;2)規(guī)范模型和貼圖數(shù)據(jù)的制作方法、紋理修復(fù)程度以及數(shù)據(jù)的精細程度，例如展示、保護或研究等，數(shù)據(jù)的用途不同，對三維數(shù)據(jù)的各個方面需求程度自然也不同。將制定的標準，以文字和表格的形式發(fā)放給每一位參與古建筑三維數(shù)字化項目的團隊成員，在數(shù)據(jù)采集、加工過程中必須嚴格按標準執(zhí)行。

2.1.2制定工時進度管理故宮古建筑的數(shù)字化項目，時間跨度長，參與人員多，制作的工作量大和數(shù)據(jù)量多而復(fù)雜，在整個項目推進的過程中，可以說是環(huán)環(huán)相扣，互相制約和影響，如:單位部門之間的協(xié)調(diào)、團隊成員之間的溝通、數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一、時間安排等等。所以，要想有條理地進行這項巨大的數(shù)字工程，保證中間不出什么亂子，必須合理地安排每一個環(huán)節(jié)，制定一個合理的進度管理表。

2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集是三維數(shù)字化的基礎(chǔ)，它的具體環(huán)節(jié)是:數(shù)字化對象分析、采集方案制定、現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。

2.2.1數(shù)字化對象分析根據(jù)建筑的構(gòu)成特點來進行數(shù)字化對象分析。故宮古建筑以木材、磚瓦為主要建材，以木架構(gòu)為建筑結(jié)構(gòu)方式，從建筑的體形來看，建筑的平、立面布局具有一種簡明的對稱組織規(guī)律，建筑造型優(yōu)美，尤其以屋頂造型最為突出，主要有廡殿、歇山、懸山、硬山等等。故宮古建筑的裝飾豐富多彩，裝飾包括彩繪和雕飾。彩繪如內(nèi)外屋檐的梁枋、斗拱及其室內(nèi)天花、藻井和住頭，構(gòu)圖與形狀密切結(jié)合，繪制精巧，色彩豐富;雕飾如墻上磚雕、臺基和石欄上的石雕、金銀銅鐵等建筑飾物，種類樣式多，題材內(nèi)容豐富，需要根據(jù)構(gòu)成特點來制定采集方案。

2.2.2采集方案制定復(fù)雜形狀具體的信息難以少量的二維圖紙和影像信息全面描述。首先，制作工程結(jié)構(gòu)三維模型需要大量的尺寸信息，僅靠故宮現(xiàn)有的測繪圖紙是遠遠不夠的，一個單體建筑往往由成千上萬個結(jié)構(gòu)組成，需要進行更多細部結(jié)構(gòu)尺寸的測繪工作。其次，豐富多彩的裝飾紋理數(shù)量很多，加上文化遺產(chǎn)數(shù)字化存儲和利用的數(shù)據(jù)必須具有真實性和不重復(fù)性，在貼圖紋理映射還原過程中需要大量的基礎(chǔ)素材，因此必須多角度、全方位忠實地采集紀錄古建筑的紋理影像數(shù)據(jù)，才能保證數(shù)據(jù)的真實性、完整性以及高精度。再次，出于古建筑和人員的安全考慮，必須盡量限制采集的次數(shù)，制定相應(yīng)的作業(yè)規(guī)范，規(guī)避作業(yè)人員、設(shè)備對古建筑造成破壞，以及作業(yè)過程中人員意外傷害的可能性。綜合以上幾點，要求必須在采集前進行大量的分析預(yù)判工作，確定出一套安全、完善的采集方案。

2.2.3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括:獲取古建筑的結(jié)構(gòu)尺寸空間信息、建筑表面的貼圖紋理顏色信息，以及參考照片拍攝紀錄。1)尺寸數(shù)據(jù)采集，在收集到已有的古建筑工程測繪圖紙基礎(chǔ)上，針對數(shù)據(jù)錯誤或缺失尺寸數(shù)據(jù)，進行人工實地測量補充，盡量滿足制作外形和細部結(jié)構(gòu)三維模型的需要，保證模型的每一結(jié)構(gòu)都是有測量數(shù)據(jù)支撐的，而不是隨意憑空而來。2)貼圖照片數(shù)據(jù)采集，使用高清照像機，全方位、多視角拍攝所有結(jié)構(gòu)部件的每一個細節(jié)，詳實記錄古建筑上裝飾紋理的色彩信息，這樣對真實虛擬重建出古建筑三維模型非常有幫助。3)參考照片拍攝紀錄，主要紀錄古建筑具體的空間環(huán)境，古建筑結(jié)構(gòu)部件的位置和整體情況，主要用于在古建筑模型制作和場景數(shù)據(jù)整合作業(yè)時起到參考指導的作用。

2.3貼圖照片數(shù)據(jù)處理

2.3.1數(shù)據(jù)分類和管理通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，有共同特性，比較散亂，數(shù)據(jù)量巨大，為了滿足基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在使用上的便捷和存儲的需要，數(shù)研所根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)特點，按照相互關(guān)系，采用分層級的方式，進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類和管理，存儲數(shù)據(jù)文件層級按照“建筑項目名－數(shù)據(jù)類型－結(jié)構(gòu)部件名稱－部件大小規(guī)格－部件空間位置(八個方位)－照片數(shù)據(jù)文件”的大原則進行數(shù)據(jù)分類管理。如:故宮《角樓》項目中，采集到的照片類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)細分為7層結(jié)構(gòu)(見圖1)，數(shù)據(jù)量情況:貼圖照片數(shù)據(jù)10.9G，參考照片數(shù)據(jù)1.1G，作業(yè)過程記錄工作照0.5G。

2.3.2貼圖照片數(shù)據(jù)色彩管理為了真實還原古建筑雕飾和彩繪上的紋理色彩信息，必須對多個照明環(huán)境下和多個角度采集到的基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)進行色彩校正和統(tǒng)一的亮度、色彩平衡，消除不同環(huán)境光對貼圖紋理造成的色差和明暗差異，模擬出與實際建筑環(huán)境色彩一致的三維模型數(shù)據(jù)。目前攝影界傳統(tǒng)平面影像色彩校正應(yīng)用技術(shù)非常成熟，如果按照傳統(tǒng)的色彩校正方法［9］來處理成千上萬張影像數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，單色彩管理這項工作將是一個非常巨大的工作量。所以，數(shù)研所參照傳統(tǒng)方法，結(jié)合自己的實際需求進行簡練和調(diào)整，從源頭上建立了統(tǒng)一的故宮古建筑三維模型貼圖色彩標準，在貼圖照片數(shù)據(jù)色彩校正過程中嚴格按照該標準執(zhí)行，解決了以上問題。

2.3.3貼圖照片幾何校正對貼圖照片進行幾何校正的目的是:為了消除在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集過程中由于角度、位置、焦距、透視以及遮擋等拍攝條件對貼圖照片數(shù)據(jù)造成的各種幾何變形。現(xiàn)場拍照時為了文物安全，并最大限度減少對觀眾參觀的影響，加上有的建筑空間本身就不大，這種情況下攝影師只能在狹窄空間內(nèi)，選擇最理想距離和角度進行拍照，拍出來的照片一般都會存在不同程度的幾何變形。在古建筑節(jié)目展示和數(shù)字保護性紀錄項目中，我們常用多個方位、多角度對同一個建筑部件進行采集的方法來保證數(shù)據(jù)的完整性，因此，貼圖照片數(shù)據(jù)上各種幾何變形是無法避免的。

2.3.4彩畫貼圖照片數(shù)據(jù)拼接目前數(shù)碼相機無法通過一次拍照，采集到制作高清彩畫三維模型數(shù)據(jù)所需的貼圖照片基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為了得到高精度彩畫貼圖紋理，我們對單幅彩畫進行分段采集，得到多張不同位置的局部貼圖照片，通過平面軟件的圖像拼接技術(shù)對彩畫貼圖照片進行無縫拼接處理［10］，這樣制作完成的三維模型數(shù)據(jù)才能滿足數(shù)研所對高精度數(shù)據(jù)利用的需求。在此提醒一下，該方法是突破高清三維模型數(shù)據(jù)紋理的瓶頸，處理過程中會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量，需要加大計算機的圖像處理方面性能。

2.3.5貼圖照片數(shù)據(jù)修復(fù)貼圖照片數(shù)據(jù)修復(fù)的主要對象是文物本身破損和后來采集過程中的問題:1)古建筑的走廊和內(nèi)部由于光線昏暗，受實地采集環(huán)境的限制不能隨意布置適合的光源設(shè)備，使得表面紋理上接受光照不均勻，拍攝到的貼圖照片不是曝光不足就是一邊過亮另一邊過暗。針對這一類修復(fù)，我們采用同一位置不同的曝光程度進行多次拍攝，再在軟件中進行合成修復(fù)照片數(shù)據(jù)。2)由于歷史久遠原因，許多古建筑部件的表面被腐蝕造成嚴重破損，即使是室內(nèi)裝飾也有不同程度的退色、霉變，甚至因為蟲蛀導致缺損。貼圖數(shù)據(jù)修復(fù):主要是參照院內(nèi)已經(jīng)修復(fù)的古建，修復(fù)已經(jīng)剝落退色的彩畫、油飾，恢復(fù)脫釉的琉璃瓦面光澤，去除石雕表面的污跡等等，在處理這一類問題數(shù)據(jù)時，需要很強的耐心，使用修復(fù)圖章工具一點一點地進行人工修復(fù)。

2.4三維模型數(shù)據(jù)制作

2.4.1場景空間環(huán)境搭建場景空間環(huán)境搭建是古建筑三維模型重建的基礎(chǔ)，利用古建筑工程測繪圖紙，要求圖紙中完整地記錄臺基、磚墻和門窗木構(gòu)瓦頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)，在三維軟件里將平面、正面、背面、左右側(cè)面以及屋頂這6個方位的圖紙按照設(shè)定的虛擬坐標位置、單位比例、尺寸大小進行穿插搭建，完成一個虛擬立體空間里的圖紙場景環(huán)境，通俗理解就是用圖紙搭建的結(jié)構(gòu)大框架。

2.4.2古建筑結(jié)構(gòu)部件模型制作結(jié)構(gòu)部件模型制作是一個數(shù)據(jù)積累的過程，如果把結(jié)構(gòu)部件模型比作積木，完成所有結(jié)構(gòu)部件模型制作才算積累出一副完整的積木模型。古建筑結(jié)構(gòu)部件模型制作包括幾何模型制作和貼圖紋理映射。幾何模型制作指:臺基、磚墻、門窗、柱梁、斗拱、瓦頂脊獸等無紋理貼圖的模型制作;貼圖紋理映射指［11］:將修復(fù)、拼接和處理完成的建筑表面紋理貼圖在三維軟件中，參照實地紀錄的參考照片，利用三維軟件中的貼圖UV功能賦予給素色幾何模型，真實還原該部件的造型和色彩原狀。要注意:古建筑三維模型制作跟實際建造古建筑一樣，最好是從地基到墻體結(jié)構(gòu)再到屋頂，按照這樣的順序進行制作，因此，控制好單體模型制作的時間進度，在整個古建筑三維模型制作中也是非常重要的環(huán)節(jié)。

2.4.3三維掃描輔助建模通過三維掃描建模方法，將造型復(fù)雜、工藝精美的建筑雕塑部件真實、完美地呈現(xiàn)在電腦屏幕上。我們選擇使用三維掃描建模的對象物體均是外形復(fù)雜，加之對三維模型數(shù)據(jù)的精度需求高，依靠手工建立三維模型比較困難或無法完成的部件結(jié)構(gòu)。如:建筑臺基或墻體上的動植物雕飾，天花頂上的盤龍藻井等。

2.4.4場景數(shù)據(jù)整合場景數(shù)據(jù)整合主要是:1)在搭建好的虛擬圖紙場景環(huán)境中，參照局部實際照片進行結(jié)構(gòu)部件模型的嵌入合成作業(yè)。2)古建筑三維模型搭建好之后，就要統(tǒng)一處理場景中的光影、明暗效果，協(xié)調(diào)色彩關(guān)系，提高場景的逼真程度，這時候，采集的古建筑整體環(huán)境參考照片就起到重要的參考作用，目前故宮基本采用光影烘焙技術(shù)進行光影環(huán)境模擬，達到逼真程度。

2.5數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控主要手段是進行古建筑三維數(shù)據(jù)審查，其目的是，判定符合文物三維數(shù)字化要求的程度，判定依據(jù)是制作標準、圖紙資料照片和實際需求。通過審查發(fā)現(xiàn)和記錄模型數(shù)據(jù)的錯誤問題，進行返工修改，盡量減少數(shù)據(jù)誤差，保證數(shù)據(jù)的完整和準確，提高模型的質(zhì)量，使文物三維數(shù)據(jù)能滿足在保存、研究、展示和文物附加商品的設(shè)計開發(fā)等方面的實際需求。故宮三維數(shù)據(jù)審查的方式有兩種:1)數(shù)研所內(nèi)部階段性審查，主要解決大的明顯的硬性錯誤問題，在自己知識面和圖紙照片等依據(jù)力所能及的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題(見圖2)。2)邀請業(yè)內(nèi)專家和領(lǐng)導審查，通過更高層次專業(yè)人士幫助發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，獲得業(yè)界對數(shù)據(jù)的認可，標志數(shù)據(jù)的最終完成。

3結(jié)束語

就古建筑三維數(shù)字化建模技術(shù)而言，該技術(shù)在文化遺產(chǎn)領(lǐng)域有諸多的研究和實踐活動，該技術(shù)的應(yīng)用也非常成熟。數(shù)研所從事該技術(shù)應(yīng)用研究已有十多年的歷史，通過總結(jié)分析，主要癥結(jié)表現(xiàn)在:不同用途的古建筑三維模型數(shù)據(jù)的精細程度與數(shù)據(jù)量控制的管理，以及三維模型的顏色和紋理與實際顏色和紋理的匹配程度管理。從應(yīng)用角度來說，上述癥結(jié)不僅僅是標準制定問題，也有團隊成員對標準執(zhí)行力度、技術(shù)能力和方法技巧是否掌握等諸多方面因素，如要提高模型信息的數(shù)據(jù)精度又能控制數(shù)據(jù)量，既保證紋理色彩信息真實的還原又能控制工時量，要實現(xiàn)這一目標，需要數(shù)研所從問題實際出發(fā)，更深入地研究，找到一個切實有效的解決辦法;或者，隨著技術(shù)和設(shè)備發(fā)展更新，大數(shù)據(jù)量的運行和海量數(shù)據(jù)進行色彩管理的難點得以解決，這一切就都不是問題了。

作者：歐陽宏 單位：故宮博物院 資料信息部