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故宫古建筑三维数字化建模研究

2015/09/17 阅读:

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:单位部门之间的协调、团队成员之间的沟通、数据模型统一、时间安排等等。所以,要想有条理地进行这项巨大的数字工程,保证中间不出什么乱子,必须合理地安排每一个环节,制定一个合理的进度管理表。

2.2基础数据采集

基础数据采集是三维数字化的基础,它的具体环节是:数字化对象分析、采集方案制定、现场基础数据采集。

2.2.1数字化对象分析根据建筑的构成特点来进行数字化对象分析。故宫古建筑以木材、砖瓦为主要建材,以木架构为建筑结构方式,从建筑的体形来看,建筑的平、立面布局具有一种简明的对称组织规律,建筑造型优美,尤其以屋顶造型最为突出,主要有庑殿、歇山、悬山、硬山等等。故宫古建筑的装饰丰富多彩,装饰包括彩绘和雕饰。彩绘如内外屋檐的梁枋、斗拱及其室内天花、藻井和住头,构图与形状密切结合,绘制精巧,色彩丰富;雕饰如墙上砖雕、台基和石栏上的石雕、金银铜铁等建筑饰物,种类样式多,题材内容丰富,需要根据构成特点来制定采集方案。

2.2.2采集方案制定复杂形状具体的信息难以少量的二维图纸和影像信息全面描述。首先,制作工程结构三维模型需要大量的尺寸信息,仅靠故宫现有的测绘图纸是远远不够的,一个单体建筑往往由成千上万个结构组成,需要进行更多细部结构尺寸的测绘工作。其次,丰富多彩的装饰纹理数量很多,加上文化遗产数字化存储和利用的数据必须具有真实性和不重复性,在贴图纹理映射还原过程中需要大量的基础素材,因此必须多角度、全方位忠实地采集纪录古建筑的纹理影像数据,才能保证数据的真实性、完整性以及高精度。再次,出于古建筑和人员的安全考虑,必须尽量限制采集的次数,制定相应的作业规范,规避作业人员、设备对古建筑造成破坏,以及作业过程中人员意外伤害的可能性。综合以上几点,要求必须在采集前进行大量的分析预判工作,确定出一套安全、完善的采集方案。

2.2.3基础数据采集基础数据包括:获取古建筑的结构尺寸空间信息、建筑表面的贴图纹理颜色信息,以及参考照片拍摄纪录。1)尺寸数据采集,在收集到已有的古建筑工程测绘图纸基础上,针对数据错误或缺失尺寸数据,进行人工实地测量补充,尽量满足制作外形和细部结构三维模型的需要,保证模型的每一结构都是有测量数据支撑的,而不是随意凭空而来。2)贴图照片数据采集,使用高清照像机,全方位、多视角拍摄所有结构部件的每一个细节,详实记录古建筑上装饰纹理的色彩信息,这样对真实虚拟重建出古建筑三维模型非常有帮助。3)参考照片拍摄纪录,主要纪录古建筑具体的空间环境,古建筑结构部件的位置和整体情况,主要用于在古建筑模型制作和场景数据整合作业时起到参考指导的作用。

2.3贴图照片数据处理

2.3.1数据分类和管理通过基础数据采集到的数据,有共同特性,比较散乱,数据量巨大,为了满足基础数据在使用上的便捷和存储的需要,数研所根据古建筑的结构特点,按照相互关系,采用分层级的方式,进行基础数据分类和管理,存储数据文件层级按照“建筑项目名-数据类型-结构部件名称-部件大小规格-部件空间位置(八个方位)-照片数据文件”的大原则进行数据分类管理。如:故宫《角楼》项目中,采集到的照片类基础数据细分为7层结构(见图1),数据量情况:贴图照片数据10.9G,参考照片数据1.1G,作业过程记录工作照0.5G。

2.3.2贴图照片数据色彩管理为了真实还原古建筑雕饰和彩绘上的纹理色彩信息,必须对多个照明环境下和多个角度采集到的基础影像数据进行色彩校正和统一的亮度、色彩平衡,消除不同环境光对贴图纹理造成的色差和明暗差异,模拟出与实际建筑环境色彩一致的三维模型数据。目前摄影界传统平面影像色彩校正应用技术非常成熟,如果按照传统的色彩校正方法[9]来处理成千上万张影像数基础数据,单色彩管理这项工作将是一个非常巨大的工作量。所以,数研所参照传统方法,结合自己的实际需求进行简练和调整,从源头上建立了统一的故宫古建筑三维模型贴图色彩标准,在贴图照片数据色彩校正过程中严格按照该标准执行,解决了以上问题。

2.3.3贴图照片几何校正对贴图照片进行几何校正的目的是:为了消除在基础数据采集过程中由于角度、位置、焦距、透视以及遮挡等拍摄条件对贴图照片数据造成的各种几何变形。现场拍照时为了文物安全,并最大限度减少对观众参观的影响,加上有的建筑空间本身就不大,这种情况下摄影师只能在狭窄空间内,选择最理想距离和角度进行拍照,拍出来的照片一般都会存在不同程度的几何变形。在古建筑节目展示和数字保护性纪录项目中,我们常用多个方位、多角度对同一个建筑部件进行采集的方法来保证数据的完整性,因此,贴图照片数据上各种几何变形是无法避免的。

2.3.4彩画贴图照片数据拼接目前数码相机无法通过一次拍照,采集到制作高清彩画三维模型数据所需的贴图照片基础数据。为了得到高精度彩画贴图纹理,我们对单幅彩画进行分段采集,得到多张不同位置的局部贴图照片,通过平面软件的图像拼接技术对彩画贴图照片进行无缝拼接处理[10],这样制作完成的三维模型数据才能满足数研所对高精度数据利用的需求。在此提醒一下,该方法是突破高清三维模型数据纹理的瓶颈,处理过程中会产生庞大的数据量,需要加大计算机的图像处理方面性能。

2.3.5贴图照片数据修复贴图照片数据修复的主要对象是文物本身破损和后来采集过程中的问题:1)古建筑的走廊和内部由于光线昏暗,受实地采集环境的限制不能随意布置适合的光源设备,使得表面纹理上接受光照不均匀,拍摄到的贴图照片不是曝光不足就是一边过亮另一边过暗。针对这一类修复,我们采用同一位置不同的曝光程度进行多次拍摄,再在软件中进行合成修复照片数据。2)由于历史久远原因,许多古建筑部件的表面被腐蚀造成严重破损,即使是室内装饰也有不同程度的退色、霉变,甚至因为虫蛀导致缺损。贴图数据修复:主要是参照院内已经修复的古建,修复已经剥落退色的彩画、油饰,恢复脱釉的琉璃瓦面光泽,去除石雕表面的污迹等等,在处理这一类问题数据时,需要很强的耐心,使用修复图章工具一点一点地进行人工修复。

2.4三维模型数据制作

2.4.1场景空间环境搭建场景空间环境搭建是古建筑三维模型重建的基础,利用古建筑工程测绘图纸,要求图纸中完整地记录台基、砖墙和门窗木构瓦顶等结构,在三维软件里将平面、正面、背面、左右侧面以及屋顶这6个方位的图纸按照设定的虚拟坐标位置、单位比例、尺寸大小进行穿插搭建,完成一个虚拟立体空间里的图纸场景环境,通俗理解就是用图纸搭建的结构大框架。

2.4.2古建筑结构部件模型制作结构部件模型制作是一个数据积累的过程,如果把结构部件模型比作积木,完成所有结构部件模型制作才算积累出一副完整的积木模型。古建筑结构部件模型制作包括几何模型制作和贴图纹理映射。几何模型制作指:台基、砖墙、门窗、柱梁、斗拱、瓦顶脊兽等无纹理贴图的模型制作;贴图纹理映射指[11]:将修复、拼接和处理完成的建筑表面纹理贴图在三维软件中,参照实地纪录的参考照片,利用三维软件中的贴图UV功能赋予给素色几何模型,真实还原该部件的造型和色彩原状。要注意:古建筑三维模型制作跟实际建造古建筑一样,最好是从地基到墙体结构再到屋顶,按照这样的顺序进行制作,因此,控制好单体模型制作的时间进度,在整个古建筑三维模型制作中也是非常重要的环节。

2.4.3三维扫描辅助建模通过三维扫描建模方法,将造型复杂、工艺精美的建筑雕塑部件真实、完美地呈现在电脑屏幕上。我们选择使用三维扫描建模的对象物体均是外形复杂,加之对三维模型数据的精度需求高,依靠手工建立三维模型比较困难或无法完成的部件结构。如:建筑台基或墙体上的动植物雕饰,天花顶上的盘龙藻井等。

2.4.4场景数据整合场景数据整合主要是:1)在搭建好的虚拟图纸场景环境中,参照局部实际照片进行结构部件模型的嵌入合成作业。2)古建筑三维模型搭建好之后,就要统一处理场景中的光影、明暗效果,协调色彩关系,提高场景的逼真程度,这时候,采集的古建筑整体环境参考照片就起到重要的参考作用,目前故宫基本采用光影烘焙技术进行光影环境模拟,达到逼真程度。

2.5数据质量监控数据质量监控主要手段是进行古建筑三维数据审查,其目的是,判定符合文物三维数字化要求的程度,判定依据是制作标准、图纸资料照片和实际需求。通过审查发现和记录模型数据的错误问题,进行返工修改,尽量减少数据误差,保证数据的完整和准确,提高模型的质量,使文物三维数据能满足在保存、研究、展示和文物附加商品的设计开发等方面的实际需求。故宫三维数据审查的方式有两种:1)数研所内部阶段性审查,主要解决大的明显的硬性错误问题,在自己知识面和图纸照片等依据力所能及的范围内发现问题、解决问题(见图2)。2)邀请业内专家和领导审查,通过更高层次专业人士帮助发现问题、解决问题,获得业界对数据的认可,标志数据的最终完成。

3结束语

就古建筑三维数字化建模技术而言,该技术在文化遗产领域有诸多的研究和实践活动,该技术的应用也非常成熟。数研所从事该技术应用研究已有十多年的历史,通过总结分析,主要症结表现在:不同用途的古建筑三维模型数据的精细程度与数据量控制的管理,以及三维模型的颜色和纹理与实际颜色和纹理的匹配程度管理。从应用角度来说,上述症结不仅仅是标准制定问题,也有团队成员对标准执行力度、技术能力和方法技巧是否掌握等诸多方面因素,如要提高模型信息的数据精度又能控制数据量,既保证纹理色彩信息真实的还原又能控制工时量,要实现这一目标,需要数研所从问题实际出发,更深入地研究,找到一个切实有效的解决办法;或者,随着技术和设备发展更新,大数据量的运行和海量数据进行色彩管理的难点得以解决,这一切就都不是问题了。

作者:欧阳宏 单位:故宫博物院 资料信息部

故宫古建筑三维数字化建模研究

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