劉思琦

摘 要：古建筑是全人類的文化遺產(chǎn)，在歷史發(fā)展過(guò)程中，留下了具有重要意義和研究?jī)r(jià)值的珍貴文物，但是隨著時(shí)間的變遷，環(huán)境和人為因素，受到或多或少的破壞，造成不可挽回的損失?，F(xiàn)今人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)文物的研究與保護(hù)。本文以一卷一殿式勾連搭關(guān)帝殿為例，利用三維激光掃描技術(shù)以及建筑物本體量測(cè)獲取全方面數(shù)據(jù)，最后利用Autodesk 3dsMax軟件進(jìn)行三維建模。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，此方法可以高效快速的得到1：1復(fù)原場(chǎng)景的古建筑建模，為古建存檔、修繕提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;本體量測(cè);Autodesk 3dsMax

1 數(shù)據(jù)采集

1.1三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描技術(shù)是通過(guò)高密度的掃描點(diǎn)來(lái)表達(dá)和記錄被測(cè)物體尺寸和形態(tài)的技術(shù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是最為原始的測(cè)量數(shù)據(jù)，被測(cè)物體的三維幾何信息都蘊(yùn)含在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中。立體模型可構(gòu)建三維數(shù)字模型，作虛擬現(xiàn)實(shí)和模擬修復(fù)等應(yīng)用，亦可制成各類工程圖、結(jié)圖、切面圖等。

FARO FocusS 350是法如最受歡迎的，簡(jiǎn)約輕便且直觀的的三維激光掃描儀，一方面與其他測(cè)量方法相比，三維激光掃描儀具有非接觸性，這使其不用接觸文物表面就可以迅速獲取三維坐標(biāo)信息。在古文物測(cè)繪中，不僅提高了測(cè)量人員的人身安全，而且最大化的降低了對(duì)文物自身的損害。另一方面，功能齊全、進(jìn)行準(zhǔn)確、可與多種通用的商業(yè)軟件配合使用等等。全面的現(xiàn)狀測(cè)量是分析結(jié)構(gòu)變形和繪制設(shè)計(jì)圖紙的工作基礎(chǔ)。掃描數(shù)據(jù)的高密度、可視化、三維數(shù)字化為測(cè)量以及修復(fù)提供了更加精確更加完善的依據(jù)，所以對(duì)古建筑數(shù)據(jù)采集使用三維激光掃描儀更加適合。掃描儀參數(shù)：

數(shù)據(jù)采集設(shè)備：FARO FocusS 350三維激光掃描儀

激光等級(jí)：1級(jí)激光

測(cè)量速度（pts/秒）：122，000/244，000/488，000/976，000

三維位置精度：10m：2mm/25m：3.5mm

測(cè)距誤差：±1mm

文物依照其特點(diǎn)、歷史文化背景、規(guī)模大小有很多分類，但沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法。本次實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是不可移動(dòng)文物關(guān)帝殿。其屋頂形式為一殿一卷式勾連搭，五檁無(wú)廊式大木結(jié)構(gòu)。正式掃描前進(jìn)行預(yù)掃描，確定掃描位置，掃描范圍與掃描站，以保證最佳掃描方案。一站掃描時(shí)間約8分鐘。

三維激光掃描快速獲取對(duì)象真實(shí)的尺寸，但是對(duì)于一些掃描死角，并未采集到其有效數(shù)據(jù)。這時(shí)就要利用傳統(tǒng)的古建測(cè)繪方法以直尺和角尺、垂球等工具直接量取建筑物及其構(gòu)件的尺寸而獲取的最終資料。

1.2本體測(cè)量數(shù)據(jù)采集

建筑本體測(cè)繪首先通過(guò)對(duì)文保單位文保檔案的調(diào)查，明確需測(cè)繪的文物建筑，劃定建筑測(cè)繪的工作范圍。對(duì)于文物建筑，進(jìn)行反映建筑大木結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、規(guī)制等歷史信息的測(cè)繪，并繪制CAD圖紙;對(duì)于其它復(fù)建、新建建筑，則根據(jù)實(shí)際情況，沿用設(shè)計(jì)圖紙，或做部分?jǐn)?shù)據(jù)補(bǔ)充測(cè)繪。

測(cè)繪方法：采用三維激光掃描、全站儀及手工測(cè)量相結(jié)合的方法進(jìn)行，對(duì)于裝飾構(gòu)件采用近景攝影測(cè)量方法以便CAD圖紙的描繪。

各單體建筑的測(cè)繪內(nèi)容包括：臺(tái)基、踏步、地面墁磚、大木梁架結(jié)構(gòu)、墻體、鋪?zhàn)?、門窗、裝飾構(gòu)件、屋頂?shù)冉ㄖ亍?/p>

（1）地面測(cè)量：臺(tái)基總尺寸、柱網(wǎng)、墻體等;柱徑、柱礎(chǔ)的各部分尺寸、柱與墻或門窗交接部分等;臺(tái)基、地面的高程和細(xì)部，包括踏跺、階條、鋪地磚石、散水等。

（2）檐下、梁架：檐下梁架尺寸，檐柱柱頂柱徑、各梁枋定位、斷面及出頭部分尺寸，斗拱定位尺寸及細(xì)部尺寸，檐出部分椽子及連檐等細(xì)部尺寸，門窗及墻體上部尺寸等;下金桁及相關(guān)梁枋尺寸，包括下金桁高程及斷面尺寸;梁枋點(diǎn)墊板等定位及斷面尺寸;金柱上部尺寸等;上金桁相關(guān)梁枋尺寸，包括脊桁、上金桁、下金桁水平間距，上金桁高程及斷面尺寸，梁枋、墊板等定位及斷面尺寸，瓜柱尺寸等;脊桁及相關(guān)梁枋尺寸，包括脊桁高程及斷面尺寸，梁枋、墊板等定位及斷面尺寸，瓜柱尺寸等。

（3）屋面測(cè)量：總尺寸、重要定位尺寸及高程;屋面曲線;正脊與垂脊斷面、吻獸及各類其他瓦件細(xì)節(jié)部分尺寸。

（4）建筑油飾彩繪及小木裝修調(diào)查記錄：近景影像拍攝，采用多角度，全方位拍攝;對(duì)油飾彩繪等文物本體，進(jìn)行紋理等基本信息的測(cè)繪與調(diào)查，并提取出相關(guān)紋飾記錄信息。

（5）構(gòu)件材料調(diào)查記錄：對(duì)建筑物的各個(gè)構(gòu)件材料的信息進(jìn)行詳盡的記錄，將不同構(gòu)件的材料名稱通過(guò)電子記錄和紙質(zhì)記錄相結(jié)合的方式將構(gòu)件材料的信息進(jìn)行采集，并在CAD圖上標(biāo)明其構(gòu)件材料特征及規(guī)格尺寸，為后期模型的建立做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

（6）圖形數(shù)據(jù)的編輯：對(duì)于油飾彩繪及小木作裝修的調(diào)查，應(yīng)建立其正攝影像，采用圖形編輯軟件，對(duì)其彩畫紋樣、裝修形式進(jìn)行線畫描繪與編輯。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

固定式三維激光掃描儀在對(duì)古建筑群進(jìn)行掃描時(shí)，都要通過(guò)多個(gè)測(cè)站、全方位掃描才能掃描完成，外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，可利用SCENE軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，使之成為一個(gè)整體。整個(gè)過(guò)程就是點(diǎn)云拼接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接可基于控制點(diǎn)拼接、基于幾何拼接或基于算法拼接等等。將多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理掃描一系列處理后，可導(dǎo)出掃描點(diǎn)。最后導(dǎo)出切片創(chuàng)建建筑平面圖，為下一步繪平立剖做基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 平立剖繪制與模型建立

切片導(dǎo)出后為tif格式圖片，將其加載到AutoCAD中，按點(diǎn)云圖片進(jìn)行依比例繪制平立剖圖。

上述過(guò)程已經(jīng)獲取了關(guān)帝殿的平面圖和立面圖，這已經(jīng)具備建立模型數(shù)據(jù)的條件，本文選用Autodesk 3DsMax軟件對(duì)關(guān)帝殿進(jìn)行建模。Autodesk 3DsMax軟件使用者多，容易操作，且可輸出多種數(shù)據(jù)格式。3DsMax建模分為幾何重建和紋理貼圖。紋理貼圖可1：1比例完全還原古建。如下步驟所示：

（1）在建模前，首先分析建模數(shù)據(jù)及建模所需的材質(zhì)貼圖。在CAD軟件中，對(duì)平立剖數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，刪去無(wú)用的費(fèi)線，如填充的圖案，文字、標(biāo)尺及圖層等。再將CAD電子圖導(dǎo)入3Dsmax軟件中，注意建模前設(shè)置單位為“米”。

（2）在將建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件中后，開(kāi)始進(jìn)行建模?？衫?Dsmax軟件中幾何體功能按照相應(yīng)順序進(jìn)行模型制作。

（3）為滿足1：1完全還原古建筑，我們最后要對(duì)幾何模型賦予材質(zhì)，紋理貼圖。貼圖的材質(zhì)照片獲?。河蓪I(yè)人員去現(xiàn)場(chǎng)拍攝正射影像照片，要注意避免照片曝光，色差等。具體步驟依據(jù)軟件步驟操作。最后根據(jù)所需提交的模型格式輸出數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)講述古北口關(guān)帝殿案例分析來(lái)闡明文物建筑數(shù)字化保護(hù)工作的重要性。以外業(yè)數(shù)據(jù)采集（三維激光掃描、本體量測(cè)）、Autodesk 3DsMax三維重建技術(shù)。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)探究出一條適合文物建筑數(shù)字化保護(hù)和傳承的實(shí)現(xiàn)路徑，對(duì)我國(guó)古建筑數(shù)字化保護(hù)有非常重要的意義。