古建筑保護(hù)中的數(shù)字化技術(shù)分析

王慧賢

（臨汾市丁村民俗博物館，山西 臨汾 041500）

古建筑代表了我國(guó)建筑繼承與發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了人工測(cè)繪構(gòu)圖等傳統(tǒng)古建筑保護(hù)方式的不足，如三維激光技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等現(xiàn)代科技，通過(guò)數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)化，以及與空間、屬性等數(shù)據(jù)的結(jié)合，真實(shí)還原了古建筑風(fēng)貌，同時(shí)信息采集處理、構(gòu)建虛擬模型、信息集成等工作效率隨之提高，真正達(dá)到了古建筑保護(hù)目的。

1 古建筑保護(hù)重要性

1.1 歷史再現(xiàn)

北京故宮、天壇、頤和園、圓明園等古建筑，是歷史的再現(xiàn)，見(jiàn)證了各個(gè)時(shí)期政治、文化、經(jīng)濟(jì)等方面的變化，富有豐富的民族精神與禮制觀念。

如北京故宮博物院布局規(guī)劃，以中國(guó)五行說(shuō)、八卦理論、中庸思想、風(fēng)水思想等為基礎(chǔ)，講究天人合一，是我國(guó)古代宮殿的典范，任何構(gòu)架做法、裝飾物安排無(wú)不體現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)禮制文化。如北京四合院，是封建禮數(shù)的代表，其中“禮”涵蓋了政治等級(jí)制度和倫理道德生活規(guī)范。四合院是坐南朝北的院落，門(mén)開(kāi)在東南方向，與紫氣東來(lái)等五行八卦理論契合。如萬(wàn)里長(zhǎng)城，記錄了我國(guó)以往的屈辱史，是中華文明發(fā)展的見(jiàn)證者。

1.2 見(jiàn)證了科學(xué)技術(shù)發(fā)展

古建筑中的科學(xué)技術(shù)具有一定的前瞻性，建筑技術(shù)高超，呈現(xiàn)出建筑者精益求精的工匠精神。這種精神是現(xiàn)代人所欠缺的，也是現(xiàn)代建筑學(xué)發(fā)展的重要根基。如富有神秘感的古羅馬建筑，富有想象力的古埃及建筑等，科學(xué)力量濃厚，受到眾人稱(chēng)奇。如孔廟建筑的榫卯、斗拱結(jié)構(gòu)，以及設(shè)計(jì)表現(xiàn)等，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)與藝術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將古代技術(shù)集中體現(xiàn)[1]。

1.3 現(xiàn)代旅游業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，生活水平提高，人們開(kāi)始追求精神需求，古建筑能夠滿足人們放松心情、求知欲望、探尋歷史等需要，帶動(dòng)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)進(jìn)步，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。尤其是故宮、長(zhǎng)城等標(biāo)志性建筑物，每年帶來(lái)的旅游效益都是可觀的。但古建筑景點(diǎn)的開(kāi)放，也伴隨著一定的破壞性。對(duì)此，加強(qiáng)保護(hù)力度意義重大[2-3]。

2 古建筑數(shù)字化保護(hù)技術(shù)分類(lèi)

古建筑保護(hù)措施較多，如加強(qiáng)宣傳提高人們保護(hù)意識(shí)、加強(qiáng)城市規(guī)劃工作、加大修復(fù)投入等，配以數(shù)字化保護(hù)技術(shù)，能夠讓古建筑更好地融入現(xiàn)代社會(huì)，真正實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在兩方面；①管理保護(hù)。數(shù)字化技術(shù)，為建筑管理提供了信息化系統(tǒng)，與數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了古建筑資源整合，管理保護(hù)效率與質(zhì)量隨之加強(qiáng)。尤其是區(qū)域保護(hù)，針對(duì)區(qū)域范圍的建筑群，設(shè)立了信息系統(tǒng)，由相關(guān)部門(mén)負(fù)責(zé)管理，區(qū)域建筑群保護(hù)力度加大，規(guī)范性與系統(tǒng)性保護(hù)也成為可能。②修復(fù)保護(hù)。遭到破壞的古建筑，借助計(jì)算機(jī)輔助修復(fù)技術(shù)，建筑修復(fù)成效隨之加強(qiáng)，破壞原因、修復(fù)流程等更加明確，同時(shí)提高了修復(fù)方法的可行性，最終確保了修復(fù)效果。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在管理保護(hù)層 面，即利用三維成像技術(shù)，復(fù)原建筑原貌，該技術(shù)也被稱(chēng)作信息可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)相關(guān)信息整合，信息解讀效率隨之提高。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在硬件設(shè)施、軟件平臺(tái)、技術(shù)人員等方面，相比國(guó)外要落后。隨著人文學(xué)者、建筑師、考古學(xué)家、藝術(shù)家等其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域人才的加入，使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)古建筑文化設(shè)計(jì)制作的服務(wù)作用得以最大限度地發(fā)揮。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)原古建筑的過(guò)程，包括以下幾方面：

(1)前期工作。即項(xiàng)目策劃，需明確選擇三維體驗(yàn)，還是圖片瀏覽等虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)手法；需考慮古建筑系統(tǒng)展示在網(wǎng)絡(luò)上，或是PC機(jī)上的平臺(tái)；決定虛擬作品的分辨率、清晰度、文件大小等；安排制作時(shí)間；根據(jù)項(xiàng)目情況、文件類(lèi)型等分類(lèi)管理文件；成立項(xiàng)目組，并要求分工明確，確保開(kāi)發(fā)效率。

(2)中期工作。首先實(shí)地考察古建筑，利用三維激光雷達(dá)掃描技術(shù)等，獲得平面數(shù)據(jù)與周?chē)饬炼鹊葦?shù)據(jù)，以提高虛擬建筑藝術(shù)美感。拍攝古建筑的內(nèi)外結(jié)構(gòu)，包括細(xì)節(jié)紋理等。收集周邊人文環(huán)境、發(fā)展概況、歷史背景等資料，加深文化了解。然后匯總分析資料，資料應(yīng)當(dāng)分類(lèi)存放，利用Auto CAD軟件繪制實(shí)體數(shù)據(jù)立面圖、平面圖。利用3dx max模型制作軟件與曲面、多邊形等建模方法，進(jìn)行模型制作。建筑周?chē)剿炔灰?guī)則物體，可用分形集合技術(shù)制作模型。貼圖修復(fù)多采用PS、Fireworks，通過(guò)插件處理光影效果。烘培后，將模型光影以貼圖形式，導(dǎo)入到交互或虛擬漫游軟件，最終完成虛擬交互與漫游制作。

(3)后期工作。主要是對(duì)虛擬作品測(cè)試與調(diào)整，在不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)、硬件配置機(jī)器、使用者之間交叉測(cè)試，提出問(wèn)題并修改。

2.2 信息管理技術(shù)

針對(duì)館藏文物以及古建筑遺址的信息化管理，主要是指信息化系統(tǒng)，能夠?qū)沤ㄖ┮匀轿还芾恚瑸楸Ｗo(hù)工作展開(kāi)奠定良好基礎(chǔ)。應(yīng)用于信息管理的數(shù)字化技術(shù)，也可以在區(qū)域古建筑群保護(hù)中應(yīng)用，進(jìn)一步拓展了保護(hù)職能。

(1)實(shí)現(xiàn)文物數(shù)字化，設(shè)立影像數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。利用掃描儀，掃描破損藏品，拼接處理成圖像資料，并存儲(chǔ)在光盤(pán)內(nèi)。

(2)設(shè)立檢索、藏品與資料等數(shù)據(jù)庫(kù)，錄入龐大數(shù)據(jù)，并設(shè)立文物、藏品、圖書(shū)等各個(gè)管理系統(tǒng)軟件。設(shè)立藏品信息結(jié)構(gòu)體系等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(3)設(shè)立館藏文物，以及古建筑遺址等信息指標(biāo)項(xiàng)，如原始分類(lèi)號(hào)、藏品類(lèi)別等信息項(xiàng)。設(shè)立文物編號(hào)，便于查找與保管。軟件系統(tǒng)涉及信息維護(hù)、信息接收、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等模塊，涉及古建筑遺址等管理的各個(gè)環(huán)節(jié)與內(nèi)容。

2.3 三維激光測(cè)量技術(shù)

三維激光掃描儀由高清晰攝像機(jī)、反光棱鏡、激光測(cè)距儀等組成，依據(jù)測(cè)量激光束，從發(fā)射與返回時(shí)間，計(jì)算出測(cè)得測(cè)站、掃描點(diǎn)間的斜距；配合掃描豎直角、水平角,求出測(cè)站點(diǎn)、各掃描點(diǎn)間的坐標(biāo)差，若某個(gè)定向點(diǎn)，與測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)已知,則可求出各掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在非接觸測(cè)量、數(shù)據(jù)采樣率高、主動(dòng)發(fā)射掃描光源、數(shù)字化采集、高分辨率等特征。工作流程如下：

(1)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用掃描儀及其配套軟件，采集測(cè)量數(shù)據(jù)。古建筑物體積較大，需通過(guò)多測(cè)站采集古建筑數(shù)據(jù)，掃描過(guò)程設(shè)置多個(gè)標(biāo)靶，古建筑結(jié)構(gòu)采樣點(diǎn)密度以毫米精度掃描，確保拼接精度，要求各站掃描重疊度，應(yīng)超過(guò)10%。將標(biāo)靶視為臨點(diǎn)云數(shù)據(jù)公共控制點(diǎn)，最終獲得被測(cè)物整體拼接效果圖。

(2)三維建模。首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行去噪處理，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用率，減少噪點(diǎn)對(duì)建模精度的干擾。其次統(tǒng)一采樣，相鄰兩站掃描后，會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)域，拼接中也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)布置閾值后，需要重新采樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而確保計(jì)算機(jī)運(yùn)算成效。在填補(bǔ)空洞環(huán)節(jié)，為還原古建筑實(shí)體表面，需利用指定算法，還原古建筑表面，尤其是其拓?fù)潢P(guān)系；對(duì)此，構(gòu)建三角網(wǎng)意義重大。數(shù)據(jù)采集時(shí)，古建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法獲取的部位，直接降低了點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用價(jià)值，如樹(shù)木遮擋，屋頂信息采集缺失，針對(duì)數(shù)據(jù)空洞，需在建模中補(bǔ)充，確保三維模型可視化?；诮ㄖ锏膶?duì)稱(chēng)性，可借助鏡像方法處理，除去數(shù)據(jù)空洞部位后，復(fù)制平移處理數(shù)據(jù)，即可完成遮擋后建筑物模型設(shè)立。紋理映像目的，主要是為了處理紋理關(guān)系，從而將影像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)移到三維模型上，使影像像素，與模型三角定點(diǎn)，能夠相對(duì)對(duì)應(yīng)。將相機(jī)影像紋理，轉(zhuǎn)移到三角網(wǎng)模型上，從而提高模型紋理的真實(shí)性。但數(shù)碼項(xiàng)目的圖像，不屬于正射圖，照片中的紋理信息，與實(shí)際存在一定差異；對(duì)此，需先矯正成正射圖，在映射紋理，以改善紋理偏差。最后是制作線劃圖件產(chǎn)品，作為測(cè)繪成果，涉及剖面圖、立面圖等圖件，能夠展示建筑物結(jié)構(gòu)，以及尺寸等信息。將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助CloudWorx插件，整理至Auto CAD軟件，借助其繪圖功能，可完成線劃圖制作。

3 數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 技術(shù)應(yīng)用前提

(1)要有雄厚的科技實(shí)力，古建筑保護(hù)數(shù)字化，屬于新興技術(shù)，根計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密聯(lián)系，相比傳統(tǒng)技術(shù)繁瑣；對(duì)此，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，還需掌握一定科技實(shí)力。古建筑情況存在差異，設(shè)立通用數(shù)字化系統(tǒng)的同時(shí)，還需根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。

(2)應(yīng)有豐富使用經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，依托于傳統(tǒng)建筑保護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為技術(shù)應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

(3)經(jīng)濟(jì)支持。古建筑保護(hù)工作是長(zhǎng)期性、系統(tǒng)性工程，需要花費(fèi)大量的人力、資金等資源。尤其是的數(shù)字化技術(shù)投入使用后，短期內(nèi)保護(hù)工作成本直接提高，長(zhǎng)期使用數(shù)字化技術(shù)，成本隨之減少，應(yīng)用加之隨之提高，但經(jīng)濟(jì)支持是必不可少的。

3.2 數(shù)字化保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法

(1)采集與處理信息，古建筑的信息化保護(hù)，需錄入、傳輸與存儲(chǔ)、管理相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)各種手段，增強(qiáng)數(shù)據(jù)真實(shí)性，最終帶動(dòng)信息化技術(shù)提高。數(shù)字化成果包括實(shí)體信息成像、數(shù)字化為文獻(xiàn)資料、則會(huì)圖虛擬模型3類(lèi)。

(2)構(gòu)建虛擬模型，依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，整合多媒體信息技術(shù)，與計(jì)算機(jī)數(shù)字測(cè)圖技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)收集資料類(lèi)別化加工，最終形成三維數(shù)字模型，多方位展現(xiàn)古建筑原貌。

(3)信息集成，即采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，或編碼、規(guī)范等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資料共享。信息資源融合，是標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，涉及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化等。集成平臺(tái)通過(guò)對(duì)各種開(kāi)放式集成技術(shù)有效處理，最終實(shí)現(xiàn)信息融合。

4 結(jié)束語(yǔ)

古建筑保護(hù)中的數(shù)字化技術(shù)，包括三維激光掃描技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，前者屬于攝影與測(cè)量技術(shù)，后者屬于建筑修復(fù)技術(shù)。結(jié)合館藏文物、古建筑遺址和數(shù)字化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助修復(fù)技術(shù)，可有效提高古建筑管理保護(hù)、修復(fù)保護(hù)的成效。古建筑保護(hù)工作，隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步而完善，對(duì)此，加強(qiáng)古建筑數(shù)字化保護(hù)的研究意義重大。