故宮古建筑三維數字化建模研究范文

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

1古建筑三維數字化技術和方法

古建筑三維數字化建模研究的起點是數據的獲取。目前基礎數據的獲取方法主要有:1)傳統的方法，組織大規模人力現場采集測量，積累了大量的古建筑工程測繪圖紙和文檔資料。2)隨著數碼攝影的廣泛使用，利用數碼攝影技術記錄古建筑的二維影像也是基礎數據的來源之一。3)隨著三維掃描技術的不斷發展完善，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據。從這三種基礎數據獲取方法衍生出三種三維建模技術和方法: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據精確完整的情況下，建模者可以按照圖紙上的建筑結構來精確建立三維模型，重建后的古建筑三維模型數據，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據，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，通過高清數碼相機輔助拍攝進行手動貼圖映射，可以呈現出逼真的帶有紋理信息的三維模型。該方法的缺點是:獲取的數據三角面片數量巨大，而且布線雜亂，后期數據處理耗時量巨大，適合局部特殊需求使用，不建議大規模將該技術使用在古建筑三維建模上。故宮古建筑以優美的結構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，故宮古建筑三維數字化技術和方法是:結構造型上依靠工程結構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的優點。

2故宮古建筑三維數字化

對于古建筑三維模型數據而言，不光是數字模型，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字化研究就是如何實現數字模型和色彩的對應統一。故宮古建筑三維數字化建模包括制作管理策劃、基礎數據采集、貼圖照片數據處理、模型數據制作、數據質量監控等多個步驟。

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范，減少或避免三維模型數據和數據制作進度方面的問題發生，確保數據采集和模型加工等各環節的工作有序進行。

2.1.1采集、加工標準的制定第一，在數據采集上，參考故宮博物院文物攝影的方法，再結合古建筑數字化的特點制定相應的采集標準，規范采集數據的流程、光照、色彩、角度以及數據的大小和清晰度，為數據加工提供優質的基礎素材數據，最大程度的滿足古建筑三維模型數據加工環節的需求。第二，在數據加工上，根據故宮古建筑自身的特點、數據利用的目的和軟硬件的要求等因素條件，制定了一個統一的標準:1)對模型和貼圖數據的文件格式、命名方式、尺寸大小進行規范，滿足存儲、利用和傳輸過程中對古建筑三維模型數據的需求;2)規范模型和貼圖數據的制作方法、紋理修復程度以及數據的精細程度，例如展示、保護或研究等，數據的用途不同，對三維數據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放給每一位參與古建筑三維數字化項目的團隊成員，在數據采集、加工過程中必須嚴格按標準執行。

2.1.2制定工時進度管理故宮古建筑的數字化項目，時間跨度長，參與人員多，制作的工作量大和數據量多而復雜，在整個項目推進的過程中，可以說是環環相扣，互相制約和影響，如:單位部門之間的協調、團隊成員之間的溝通、數據模型統一、時間安排等等。所以，要想有條理地進行這項巨大的數字工程，保證中間不出什么亂子，必須合理地安排每一個環節，制定一個合理的進度管理表。

2.2基礎數據采集

基礎數據采集是三維數字化的基礎，它的具體環節是:數字化對象分析、采集方案制定、現場基礎數據采集。

2.2.1數字化對象分析根據建筑的構成特點來進行數字化對象分析。故宮古建筑以木材、磚瓦為主要建材，以木架構為建筑結構方式，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律，建筑造型優美，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。彩繪如內外屋檐的梁枋、斗拱及其室內天花、藻井和住頭，構圖與形狀密切結合，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，題材內容豐富，需要根據構成特點來制定采集方案。

2.2.2采集方案制定復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，制作工程結構三維模型需要大量的尺寸信息，僅靠故宮現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構組成，需要進行更多細部結構尺寸的測繪工作。其次，豐富多彩的裝飾紋理數量很多，加上文化遺產數字化存儲和利用的數據必須具有真實性和不重復性，在貼圖紋理映射還原過程中需要大量的基礎素材，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據，才能保證數據的真實性、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，制定相應的作業規范，規避作業人員、設備對古建筑造成破壞，以及作業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判工作，確定出一套安全、完善的采集方案。

2.2.3基礎數據采集基礎數據包括:獲取古建筑的結構尺寸空間信息、建筑表面的貼圖紋理顏色信息，以及參考照片拍攝紀錄。1)尺寸數據采集，在收集到已有的古建筑工程測繪圖紙基礎上，針對數據錯誤或缺失尺寸數據，進行人工實地測量補充，盡量滿足制作外形和細部結構三維模型的需要，保證模型的每一結構都是有測量數據支撐的，而不是隨意憑空而來。2)貼圖照片數據采集，使用高清照像機，全方位、多視角拍攝所有結構部件的每一個細節，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境，古建筑結構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據整合作業時起到參考指導的作用。

2.3貼圖照片數據處理

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

2.3.2貼圖照片數據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，必須對多個照明環境下和多個角度采集到的基礎影像數據進行色彩校正和統一的亮度、色彩平衡，消除不同環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境色彩一致的三維模型數據。目前攝影界傳統平面影像色彩校正應用技術非常成熟，如果按照傳統的色彩校正方法［9］來處理成千上萬張影像數基礎數據，單色彩管理這項工作將是一個非常巨大的工作量。所以，數研所參照傳統方法，結合自己的實際需求進行簡練和調整，從源頭上建立了統一的故宮古建筑三維模型貼圖色彩標準，在貼圖照片數據色彩校正過程中嚴格按照該標準執行，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:為了消除在基礎數據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據造成的各種幾何變形。現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，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。在古建筑節目展示和數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據的完整性，因此，貼圖照片數據上各種幾何變形是無法避免的。

2.3.4彩畫貼圖照片數據拼接目前數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據所需的貼圖照片基礎數據。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據才能滿足數研所對高精度數據利用的需求。在此提醒一下，該方法是突破高清三維模型數據紋理的瓶頸，處理過程中會產生龐大的數據量，需要加大計算機的圖像處理方面性能。

2.3.5貼圖照片數據修復貼圖照片數據修復的主要對象是文物本身破損和后來采集過程中的問題:1)古建筑的走廊和內部由于光線昏暗，受實地采集環境的限制不能隨意布置適合的光源設備，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，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照片數據。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。貼圖數據修復:主要是參照院內已經修復的古建，修復已經剝落退色的彩畫、油飾，恢復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據時，需要很強的耐心，使用修復圖章工具一點一點地進行人工修復。

2.4三維模型數據制作

2.4.1場景空間環境搭建場景空間環境搭建是古建筑三維模型重建的基礎，利用古建筑工程測繪圖紙，要求圖紙中完整地記錄臺基、磚墻和門窗木構瓦頂等結構，在三維軟件里將平面、正面、背面、左右側面以及屋頂這6個方位的圖紙按照設定的虛擬坐標位置、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境，通俗理解就是用圖紙搭建的結構大框架。

2.4.2古建筑結構部件模型制作結構部件模型制作是一個數據積累的過程，如果把結構部件模型比作積木，完成所有結構部件模型制作才算積累出一副完整的積木模型。古建筑結構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、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構再到屋頂，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節。

2.4.3三維掃描輔助建模通過三維掃描建模方法，將造型復雜、工藝精美的建筑雕塑部件真實、完美地呈現在電腦屏幕上。我們選擇使用三維掃描建模的對象物體均是外形復雜，加之對三維模型數據的精度需求高，依靠手工建立三維模型比較困難或無法完成的部件結構。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場景數據整合場景數據整合主要是:1)在搭建好的虛擬圖紙場景環境中，參照局部實際照片進行結構部件模型的嵌入合成作業。2)古建筑三維模型搭建好之后，就要統一處理場景中的光影、明暗效果，協調色彩關系，提高場景的逼真程度，這時候，采集的古建筑整體環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進行光影環境模擬，達到逼真程度。

2.5數據質量監控數據質量監控主要手段是進行古建筑三維數據審查，其目的是，判定符合文物三維數字化要求的程度，判定依據是制作標準、圖紙資料照片和實際需求。通過審查發現和記錄模型數據的錯誤問題，進行返工修改，盡量減少數據誤差，保證數據的完整和準確，提高模型的質量，使文物三維數據能滿足在保存、研究、展示和文物附加商品的設計開發等方面的實際需求。故宮三維數據審查的方式有兩種:1)數研所內部階段性審查，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力所能及的范圍內發現問題、解決問題(見圖2)。2)邀請業內專家和領導審查，通過更高層次專業人士幫助發現問題、解決問題，獲得業界對數據的認可，標志數據的最終完成。

3結束語

就古建筑三維數字化建模技術而言，該技術在文化遺產領域有諸多的研究和實踐活動，該技術的應用也非常成熟。數研所從事該技術應用研究已有十多年的歷史，通過總結分析，主要癥結表現在:不同用途的古建筑三維模型數據的精細程度與數據量控制的管理，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。從應用角度來說，上述癥結不僅僅是標準制定問題，也有團隊成員對標準執行力度、技術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據精度又能控制數據量，既保證紋理色彩信息真實的還原又能控制工時量，要實現這一目標，需要數研所從問題實際出發，更深入地研究，找到一個切實有效的解決辦法;或者，隨著技術和設備發展更新，大數據量的運行和海量數據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