故宫古建筑三维数字化建模研究.doc

故宫古建筑三维数字化建模研究 故宫博物院是建立在明清两朝的皇宫———紫禁城的基础上，有世界上规模最大、保存最完整的紫禁城木结构宫殿建筑群。它是中华民族的骄傲所在，也是全人类的珍贵文化遗产［1］。这些古建筑有很高的历史价值和艺术价值，也有很高的科学价值，是研究历史科学的实物例证［2］。对故宫古建筑数字化及三维建模技术的研究，是一件功在当代、利在千秋的伟大事业。故宫文化资产数字化应用研究所(以下简称“数研所”)成立于2003年10月，旨在应用先进的数字化技术，保护、研究和展示故宫博物院珍贵的人类文化遗产。数研所将利用三维扫描、数码摄影、三维建模等数字化手段，采集、加工、存储古建筑和其他文物的数据，致力于建立故宫古建筑和文物的三维数据库;利用虚拟现实技术及其他数字技术，立体再现文化遗产的原貌，更好地促进对于文化遗产的研究和展示;探索新的表现形式和展示方式，全方位推进数字技术在故宫博物院的综合应用。 1古建筑三维数字化技术和方法 古建筑三维数字化建模研究的起点是数据的获取。目前基础数据的获取方法主要有：1)传统的方法，组织大规模人力现场采集测量，积累了大量的古建筑工程测绘图纸和文档资料。2)随着数码摄影的广泛使用，利用数码摄影技术记录古建筑的二维影像也是基础数据的来源之一。3)随着三维扫描技术的不断发展完善，对古建筑进行非接触式三维扫描来获取古建筑的三维点云数据。从这三种基础数据获取方法衍生出三种三维建模技术和方法：第一，依靠古建筑工程测绘图纸进行手工三维建模。在图纸上大小尺寸数据精确完整的情况下，建模者可以按照图纸上的建筑结构来精确建立三维模型，重建后的古建筑三维模型数据，由于无法提供精确真实的装饰纹理信息，还是无法满足研究学者对古建筑高精度的需求。第二，依靠二维影像进行手工建模。这种方法建模者主观性大，物体大小尺寸无法达到精确无误，重建后的古建筑三维模型数据，虽然同样无法满足研究者对古建筑高精度的需求［5］，但是可以得到高清晰度的纹理色彩信息，刚好与第一种方法形成有效的互补。第三，使用三维扫描仪进行三维扫描建模。这种方法能够精准地获取古建筑的三维形状，通过高清数码相机辅助拍摄进行手动贴图映射，可以呈现出逼真的带有纹理信息的三维模型。该方法的缺点是：获取的数据三角面片数量巨大，而且布线杂乱，后期数据处理耗时量巨大，适合局部特殊需求使用，不建议大规模将该技术使用在古建筑三维建模上。故宫古建筑以优美的结构造型和丰富多彩的装饰纹理为基本要素，全方位的故宫古建筑信息保护应包括建筑所在的空间信息和建筑表面的颜色信息，只有这样，才能真实全面地反映故宫古建筑的全部。因此，故宫古建筑三维数字化技术和方法是：结构造型上依靠工程结构图纸和手工测绘进行三维建模，装饰纹理上利用二维影像进行手工贴图，针对制作难度大且造型不规则以及做工精细的雕刻部件进行三维扫描建模。该混合建模方法充分利用了以上三种建模技术的优点。 2故宫古建筑三维数字化 对于古建筑三维模型数据而言，不光是数字模型，还需要对其色彩进行记录，即三维模型几何形状信息(以下简称“模型信息”)和表面的贴图纹理色彩信息(以下简称“色彩信息”)。故宫古建筑的三维数字化研究就是如何实现数字模型和色彩的对应统一。故宫古建筑三维数字化建模包括制作管理策划、基础数据采集、贴图照片数据处理、模型数据制作、数据质量监控等多个步骤。 2.1制作管理策划制作管理策划属于前期准备阶段的工作，制定采集、加工标准与模型制作工作计划，在整个古建筑三维数字化工作中起着非常重要的作用，可以对整个制作过程进行规范，减少或避免三维模型数据和数据制作进度方面的问题发生，确保数据采集和模型加工等各环节的工作有序进行。 2.1.1采集、加工标准的制定第一，在数据采集上，参考故宫博物院文物摄影的方法，再结合古建筑数字化的特点制定相应的采集标准，规范采集数据的流程、光照、色彩、角度以及数据的大小和清晰度，为数据加工提供优质的基础素材数据，最大程度的满足古建筑三维模型数据加工环节的需求。第二，在数据加工上，根据故宫古建筑自身的特点、数据利用的目的和软硬件的要求等因素条件，制定了一个统一的标准：1)对模型和贴图数据的文件格式、命名方式、尺寸大小进行规范，满足存储、利用和传输过程中对古建筑三维模型数据的需求;2)规范模型和贴图数据的制作方法、纹理修复程度以及数据的精细程度，例如展示、保护或研究等，数据的用途不同，对三维数据的各个方面需求程度自然也不同。将制定的标准，以文字和表格的形式发放给每一位参与古建筑三维数字化项目的团队成员，在数据采集、加工过程中必须严格按标准执行。 2.1.2制定工时进度管理故宫古建筑的数字化项目，时间跨度长，参与人员多，制作的工作量大和数据量多而复杂，在整个项目推进的过程中，可以说是环环相扣，互相制约和影响，如