逆向工程技術(shù)讓古建筑三維數(shù)字化重建

摘要：古建筑是歷史文化的載體，有著深厚的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。要讓古建筑文化在當(dāng)代得以保存，又要讓古文化遺產(chǎn)具有當(dāng)代價(jià)值，需以發(fā)展性的觀念為出發(fā)點(diǎn)，對古建筑及其所包含的文化特色進(jìn)行保護(hù)。對古建筑進(jìn)行三維數(shù)字化重建，是對其進(jìn)行保護(hù)、傳承和利用的重要手段。針對目前古建筑三維數(shù)字化重建技術(shù)存在的數(shù)據(jù)獲取困難、重建效率低等問題，現(xiàn)提出一種基于逆向工程技術(shù)的古建筑三維數(shù)字化重建方法。利用三維掃描技術(shù)對古建筑進(jìn)行掃描，獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用逆向工程軟件進(jìn)行處理，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建古建筑模型。并結(jié)合實(shí)際案例，介紹該方法在古建筑三維數(shù)字化重建中的應(yīng)用，為后續(xù)古建筑研究、保護(hù)和利用提供依據(jù)。

古建筑是我國文化的重要載體，具有較高的歷史價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。對古建筑進(jìn)行數(shù)字化重建，可以對其歷史信息、藝術(shù)信息和科學(xué)信息進(jìn)行有效提取和利用，有利于加強(qiáng)對古建筑的保護(hù)和傳承，并為古建筑研究、保護(hù)和利用提供重要的數(shù)據(jù)支撐。目前，許多專家學(xué)者利用測量技術(shù)、建模軟件等方法對古建筑進(jìn)行數(shù)字化重建。這種數(shù)字化重建需要通過三維掃描、激光測量和攝影測量等技術(shù)手段獲取古建筑的精確數(shù)據(jù)，然后，利用計(jì)算機(jī)建模軟件，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型或虛擬現(xiàn)實(shí)場景，以呈現(xiàn)出古建筑的原貌和歷史風(fēng)貌。這種數(shù)字化重建不僅可以幫助保護(hù)和保存古建筑，還能為學(xué)術(shù)研究、文化傳承和旅游展示等提供重要參考和便利。

古建筑數(shù)字化重建為我們提供了更好了解和欣賞古建筑的途徑，同時(shí)，也為傳統(tǒng)文化的傳承和推廣作出了貢獻(xiàn)。為此，本文提出了一種基于逆向工程技術(shù)的古建筑三維數(shù)字化重建方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在數(shù)據(jù)獲取、建模效率和重建精度方面的優(yōu)越性。

研究基礎(chǔ)

關(guān)于古建筑三維數(shù)字化重建，已有專家學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，并提出了多種方法，主要包括采用非接觸式激光掃描儀對古建筑進(jìn)行掃描，并利用逆向工程軟件構(gòu)建三維模型；采用多視角三維激光掃描儀對古建筑進(jìn)行掃描，并利用逆向工程軟件構(gòu)建三維模型；采用全站儀對古建筑進(jìn)行掃描，并利用逆向工程軟件構(gòu)建三維模型。其中，傳統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法在古建筑數(shù)字化重建中存在一些局限性，如采集速度較慢、數(shù)據(jù)精度有限等。為了改進(jìn)這些問題，專家學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。其一，采用更高精度的測量設(shè)備，如激光掃描儀或攝影測量系統(tǒng)。此類設(shè)備可以提供更精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并能夠快速獲取大量的數(shù)據(jù)。其二，利用計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理和優(yōu)化。通過對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、配準(zhǔn)和拼接等處理，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。

古建筑三維數(shù)字化重建原理與流程

針對古建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以利用傾斜攝影測量技術(shù)和激光三維掃描技術(shù)對古建筑進(jìn)行掃描，獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

第一，選取掃描設(shè)備。需要選擇合適的掃描設(shè)備并對其設(shè)置相關(guān)參數(shù)。在對古建筑進(jìn)行掃描時(shí)，通常需要使用多個(gè)掃描設(shè)備同時(shí)掃描多個(gè)位置或多個(gè)部位。因此，在選擇設(shè)備時(shí)需要考慮其掃描范圍、掃描速度和掃描精度等參數(shù)。

第二，獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先，對不同位置的特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并記錄其位置坐標(biāo)。其次，將獲取的帶有標(biāo)記的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件中，運(yùn)用點(diǎn)云處理模塊進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，得到完整的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，得到古建筑三維數(shù)字化模型。

第三，進(jìn)行三維數(shù)字化重建。首先，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即去除點(diǎn)云中的噪聲和重復(fù)點(diǎn)。對于古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位，還需要利用相應(yīng)的軟件模塊進(jìn)行優(yōu)化處理。其次，由于古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多樣，可以將其分為不同類型的建筑部分。最后，對劃分后的建筑部分進(jìn)行優(yōu)化處理。

古建數(shù)字化過程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

非接觸式測量技術(shù)

1.三維掃描

利用激光掃描儀或結(jié)構(gòu)光掃描儀等設(shè)備對古建筑進(jìn)行三維掃描，能夠獲取建筑物的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息。這些掃描數(shù)據(jù)可以用于建筑的數(shù)字化重建、虛擬漫游和保護(hù)修復(fù)等。

2.紋理捕捉

通過高分辨率相機(jī)或多角度攝影，能夠捕捉古建筑表面的紋理信息。這些紋理數(shù)據(jù)可以與三維幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提供更真實(shí)、逼真的古建筑模型，為展示和研究提供更豐富的信息。

3.損傷檢測與分析

非接觸式測量技術(shù)可以用于損傷檢測與分析，通過比對建筑的幾何數(shù)據(jù)，檢測出可能存在的損傷、變形或結(jié)構(gòu)問題。這對于古建筑的保護(hù)與修復(fù)非常重要，可以提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

點(diǎn)云拼接與融合技術(shù)

1.完整模型重建

通過點(diǎn)云拼接與融合技術(shù)，可以將多個(gè)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一個(gè)完整的建筑模型，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀和細(xì)節(jié)。這樣可以還原古建筑的整體形態(tài)，為保護(hù)、研究和展示提供更全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.精細(xì)細(xì)節(jié)捕捉

點(diǎn)云拼接與融合技術(shù)可以高精度地捕捉古建筑的細(xì)節(jié)特征，包括雕塑、壁畫、雕刻等。通過將多個(gè)掃描點(diǎn)云進(jìn)行融合，可以獲取更豐富、更精確的細(xì)節(jié)信息，為文物修復(fù)和研究提供重要依據(jù)。

3.損傷分析與監(jiān)測

通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，可以檢測古建筑的損傷、變形等問題。點(diǎn)云拼接與融合技術(shù)可以提供全局的建筑形態(tài)信息，用于損傷評估和監(jiān)測變形情況，為建筑保護(hù)與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

逆向工程技術(shù)

1.數(shù)字重建

通過使用激光掃描儀、攝影測量或其他測量設(shè)備，能夠獲取古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)，然后，使用逆向工程算法將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為幾何模型，實(shí)現(xiàn)對古建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)的數(shù)字重建。

2.結(jié)構(gòu)分析與評估

逆向工程技術(shù)可以幫助進(jìn)行古建筑的結(jié)構(gòu)分析和評估。通過對古建筑進(jìn)行非破壞性的掃描和測量，能夠獲取其幾何形狀和結(jié)構(gòu)信息，用于評估其承載能力、穩(wěn)定性和安全性。這對于古建筑的保護(hù)與修復(fù)非常重要。

3.文物保護(hù)與修復(fù)

逆向工程技術(shù)為文物保護(hù)與修復(fù)提供了有力支持。通過對古建筑進(jìn)行數(shù)字化重建和分析，可以準(zhǔn)確記錄和保存文物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息。研究人員和修復(fù)專家能夠更好地了解古建筑的歷史和特點(diǎn)，并制訂相應(yīng)的保護(hù)和修復(fù)策略。

古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法包括兩種。一是直接掃描和逆向工程軟件處理。直接掃描法是指利用三維掃描設(shè)備對古建筑進(jìn)行掃描，獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。主要適用于單件或少量構(gòu)件的三維模型重建，如小比例模型、小型建筑、大型雕塑等。該方法操作簡單，但采集精度受掃描儀型號及掃描距離影響，且對人員技術(shù)要求較高。二是逆向工程軟件處理法，是指利用逆向工程軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到最終的古建筑三維模型。主要適用于多件或大量構(gòu)件的三維模型重建，如古建筑的復(fù)原、古建筑大場景的建模等。該流程能夠高效地獲取古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并能準(zhǔn)確地獲取古建筑特征點(diǎn)信息。

通過對古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去除噪聲和點(diǎn)云合并等預(yù)處理操作，能夠獲得較為精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后使用逆向工程軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，得到點(diǎn)云模型，并將其導(dǎo)入到三維模型重建軟件中進(jìn)行三維模型重建。最后，對古建筑進(jìn)行三維模型重建，得到精準(zhǔn)古建筑模型。該方法適用于大型、復(fù)雜建筑物的數(shù)字化重建工作，能夠極大地提高建模效率和精度。

數(shù)據(jù)采集

古建筑三維數(shù)字化重建主要是對古建筑進(jìn)行逆向工程軟件處理，因此，需要大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。古建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常是通過激光掃描儀獲取，利用其不同型號的激光發(fā)射器發(fā)射的激光光束，掃描并記錄古建筑表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)?！都す鈷呙杓夹g(shù)在建筑工程中應(yīng)用指南》（GB/T 22159—2008）中關(guān)于建筑工程測量的相關(guān)規(guī)定指出，建筑物或構(gòu)筑物通常有四種測量距離，即定位點(diǎn)（Site）、基準(zhǔn)面（Root surface）、特征線（Numerical line）和標(biāo)靶（Positioning surface）。因此，在進(jìn)行古建筑掃描時(shí)，需在建筑物附近進(jìn)行多次測量才能獲取較為精確的數(shù)據(jù)。激光掃描儀掃描時(shí)采用每秒3次脈沖激光發(fā)射、10次掃描的方式，而每次掃描間隔為0.5s。這樣便可使采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為均勻，且可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和曲面重構(gòu)等操作。

特征提取

在逆向工程軟件中，特征點(diǎn)提取功能是根據(jù)模型表面的法線方向、曲率等參數(shù)計(jì)算模型表面的特征點(diǎn)。通過該功能，可快速獲得模型表面上的特征點(diǎn)信息，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更好地與模型表面匹配。

首先，應(yīng)使用參數(shù)曲面法對模型進(jìn)行特征點(diǎn)提取，保證法線方向、曲率等參數(shù)的正確，否則會(huì)導(dǎo)致特征點(diǎn)提取失敗。參數(shù)曲面法是一種基于坐標(biāo)系變換的特征提取方法。由于古建筑是具有空間幾何信息和色彩信息的復(fù)雜對象，因此，可將古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過參數(shù)曲面法進(jìn)行處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)三維空間幾何模型。

其次，在對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取時(shí)，可通過坐標(biāo)變換使法線方向、曲率等參數(shù)在模型表面上正確反映，從而提高特征點(diǎn)提取精度。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)提取時(shí)，可根據(jù)古建筑的特點(diǎn)進(jìn)行特征提取，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多次投影變換，使其在模型表面上表現(xiàn)出不同的特征，以提高模型表面特征點(diǎn)的準(zhǔn)確度。

最后，通過對古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多次投影變換后得到的三維模型，可計(jì)算其各特征點(diǎn)的法線方向和曲率等參數(shù)。根據(jù)法線方向、曲率等參數(shù)可以獲取模型表面上各個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，從而得到該特征點(diǎn)對應(yīng)的三維模型。通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多次投影變換后得到的三維模型，不僅可顯示古建筑建筑表面特征，而且可直觀地表現(xiàn)其幾何形態(tài)。

模型重建

三維模型重建

1.古建筑細(xì)節(jié)處理

古建筑的細(xì)節(jié)部分包括門窗、屋頂?shù)龋@些部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度較高，需要對其進(jìn)行平滑處理。根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用移動(dòng)窗口的方式對古建筑進(jìn)行局部平滑處理。由于古建筑中門窗的形狀各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證建筑物整體效果的一致性，需要對門窗進(jìn)行統(tǒng)一處理，并采用不同顏色的線條來表示；對古建筑進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度較高，需要對其進(jìn)行平滑處理，并使用貼圖技術(shù)來對其進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。在對古建筑細(xì)節(jié)部分進(jìn)行平滑處理時(shí)，需要注意平滑效果與紋理相結(jié)合，在平滑效果與紋理之間找到平衡點(diǎn)。對于門窗等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位，為了讓模型整體更好地展現(xiàn)，可以采用貼圖技術(shù)來對其進(jìn)行細(xì)節(jié)處理。貼圖技術(shù)能夠很好地模擬古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，達(dá)到細(xì)節(jié)表現(xiàn)和紋理表現(xiàn)相結(jié)合的目的。

2.古建筑模型構(gòu)建

古建筑的三維模型構(gòu)建主要包括以下幾個(gè)步驟。首先，將掃描的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Autodesk軟件中，對古建筑進(jìn)行分割、建模。其次，利用Autodesk軟件，在模型構(gòu)建完成后，利用逆向工程技術(shù)對古建筑模型進(jìn)行優(yōu)化。最后，對古建筑模型進(jìn)行優(yōu)化后，還需要將古建筑的細(xì)節(jié)部分處理完成。由于古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)較多，且在Autodesk軟件中處理后的結(jié)果較為雜亂，不利于三維建模。因此，可對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，使用Geomagic Design X對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Geomagic Design X可對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡、優(yōu)化以及簡化等操作，最終得到符合古建筑實(shí)際情況的三維模型。

古建筑模型表面貼圖

首先，在Autodesk軟件中選擇“貼圖貼面”選項(xiàng)卡。其次，在“貼圖”對話框中選擇“法線貼圖”選項(xiàng)卡根據(jù)古建筑模型表面的幾何形狀，選擇合適的法線貼圖紋理進(jìn)行貼圖操作。最后，根據(jù)貼圖貼面的需要進(jìn)行紋理編輯操作，如添加紋理、裁剪紋理等。

模型的三維可視化

在Geomagic Studio軟件中，利用Body3D工具對古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后，可得到一個(gè)帶有紋理的三維模型。例如，在對古建筑進(jìn)行建模后，可以在Autodesk軟件中制作一個(gè)帶有法線貼圖的三維模型。通過Autodesk軟件中的Reverb工具，對古建筑表面進(jìn)行貼圖，可得到一個(gè)表面貼圖效果的三維模型。

模型表面貼圖效果在建筑遺產(chǎn)保護(hù)中的應(yīng)用

將基于點(diǎn)云和點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建的古建筑三維模型表面貼圖效果應(yīng)用于古建筑保護(hù)，可以有效地提高古建筑數(shù)字模型表面貼圖的真實(shí)感和立體感。根據(jù)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)與重建后三維模型的法線關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對不同材質(zhì)和不同光照下建筑物三維模型表面貼圖效果的處理。

模型表面貼圖效果可應(yīng)用于建筑遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)展示。采用基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建后古建筑三維模型表面貼圖效果后，可以更加真實(shí)地還原古建筑的原有特征和建筑風(fēng)格，在保持古建筑三維模型真實(shí)性和完整性的同時(shí)，還可以提高建筑遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)展示效果。基于Autodesk軟件的古建筑數(shù)字化保護(hù)展示技術(shù)具有簡單、易學(xué)、高效等特點(diǎn)。

實(shí)例應(yīng)用

本文以蘭州市博物館白衣寺塔古建筑為例，該古建筑是明初肅王朱楧為祈福、記載功德所建，距今已有近400年的歷史，是目前保存較為完好的塔類古建。白衣寺塔塔基長、寬各7米，塔身最大處直徑6米，受白衣寺塔周邊建筑密集因素的影響，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)采取多方位、多測站的方式。由于建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的數(shù)字化保護(hù)手段很難獲取準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)，因此，需要利用傾斜攝影測量技術(shù)和激光三維掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

基于對文物本體的保護(hù)，依據(jù)文物數(shù)字化采集標(biāo)準(zhǔn)，文物數(shù)字化過程需采用非接觸式測量技術(shù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的獲取。通過點(diǎn)云拼接與融合技術(shù)，生成高精度的古建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，基于逆向工程技術(shù)對古建筑進(jìn)行全面、精確的數(shù)字化重建，以獲得逼真的古建筑三維數(shù)字模型，用于虛擬展示和交互。通過將數(shù)字模型與虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，用戶可以身臨其境地體驗(yàn)古建筑，進(jìn)行虛擬漫游、交互式學(xué)習(xí)和參觀等，宣傳推廣古建文化遺產(chǎn)的價(jià)值。

綜上，逆向工程技術(shù)在古建數(shù)字化中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，為古建筑的保護(hù)、研究和傳承提供有力的技術(shù)支持。

蘭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目“白衣寺塔數(shù)字化重建與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)互動(dòng)體驗(yàn)技術(shù)研究應(yīng)用”（編號：2021-1-179）。