故宫古建筑三维数字化建模研究

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：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。