摘要：古建筑是歷史文化的載體，有著深厚的歷史價值、藝術(shù)價值和科學價值。要讓古建筑文化在當代得以保存，又要讓古文化遺產(chǎn)具有當代價值，需以發(fā)展性的觀念為出發(fā)點，對古建筑及其所包含的文化特色進行保護。對古建筑進行三維數(shù)字化重建，是對其進行保護、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)對古建筑進行掃描，獲得原始點云數(shù)據(jù)，并利用逆向工程軟件進行處理，得到三維點云數(shù)據(jù)，再通過點云數(shù)據(jù)重建古建筑模型。并結(jié)合實際案例，介紹該方法在古建筑三維數(shù)字化重建中的應用，為后續(xù)古建筑研究、保護和利用提供依據(jù)。

古建筑是我國文化的重要載體，具有較高的歷史價值、藝術(shù)價值和科學價值。對古建筑進行數(shù)字化重建，可以對其歷史信息、藝術(shù)信息和科學信息進行有效提取和利用，有利于加強對古建筑的保護和傳承，并為古建筑研究、保護和利用提供重要的數(shù)據(jù)支撐。目前，許多專家學者利用測量技術(shù)、建模軟件等方法對古建筑進行數(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，利用計算機建模軟件，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型或虛擬現(xiàn)實場景，以呈現(xiàn)出古建筑的原貌和歷史風貌。這種數(shù)字化重建不僅可以幫助保護和保存古建筑，還能為學術(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，也為傳統(tǒng)文化的傳承和推廣作出了貢獻。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，并通過實驗驗證了該方法在數(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

關(guān)于古建筑三維數(shù)字化重建，已有專家學者進行了深入的研究，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。為了改進這些問題，專家學者進行了一系列的研究。其一，采用更高精度的測量設備，如激光掃描儀或攝影測量系統(tǒng)。此類設備可以提供更精確的點云數(shù)據(jù)，并能夠快速獲取大量的數(shù)據(jù)。其二，利用計算機視覺和圖像處理技術(shù)進行點云數(shù)據(jù)的后處理和優(yōu)化。通過對采集到的點云數(shù)據(jù)進行濾波、配準和拼接等處理，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，可以利用傾斜攝影測量技術(shù)和激光三維掃描技術(shù)對古建筑進行掃描，獲取原始點云數(shù)據(jù)。

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

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

第三，進行三維數(shù)字化重建。首先，需要對點云數(shù)據(jù)進行預處理，即去除點云中的噪聲和重復點。對于古建筑結(jié)構(gòu)復雜的部位，還需要利用相應的軟件模塊進行優(yōu)化處理。其次，由于古建筑結(jié)構(gòu)復雜、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行優(yōu)化處理。

古建數(shù)字化過程中應用的關(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)光掃描儀等設備對古建筑進行三維掃描，能夠獲取建筑物的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和細節(jié)信息。這些掃描數(shù)據(jù)可以用于建筑的數(shù)字化重建、虛擬漫游和保護修復等。

2.紋理捕捉

通過高分辨率相機或多角度攝影，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)進行融合，提供更真實、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與修復非常重要，可以提供科學依據(jù)和指導。

點云拼接與融合技術(shù)

1.完整模型重建

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

2.精細細節(jié)捕捉

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

3.損傷分析與監(jiān)測

通過對點云數(shù)據(jù)進行比對分析，可以檢測古建筑的損傷、變形等問題。點云拼接與融合技術(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，為建筑保護與修復提供科學依據(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備，能夠獲取古建筑的點云數(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，實現(xiàn)對古建筑形態(tài)、結(jié)構(gòu)和細節(jié)的數(shù)字重建。

2.結(jié)構(gòu)分析與評估

逆向工程技術(shù)可以幫助進行古建筑的結(jié)構(gòu)分析和評估。通過對古建筑進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與修復非常重要。

3.文物保護與修復

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

古建筑點云數(shù)據(jù)獲取與處理

古建筑點云數(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備對古建筑進行掃描，獲得原始點云數(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云數(shù)據(jù)進行處理，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云數(shù)據(jù)，并能準確地獲取古建筑特征點信息。

通過對古建筑點云數(shù)據(jù)進行去除噪聲和點云合并等預處理操作，能夠獲得較為精確的點云數(shù)據(jù)。然后使用逆向工程軟件對點云數(shù)據(jù)進行特征提取，得到點云模型，并將其導入到三維模型重建軟件中進行三維模型重建。最后，對古建筑進行三維模型重建，得到精準古建筑模型。該方法適用于大型、復雜建筑物的數(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行逆向工程軟件處理，因此，需要大量的點云數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)基礎。古建筑的點云數(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云數(shù)據(jù)?！都す鈷呙杓夹g(shù)在建筑工程中應用指南》（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（Site）、基準面（Root surface）、特征線（Numerical line）和標靶（Positioning surface）。因此，在進行古建筑掃描時，需在建筑物附近進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云數(shù)據(jù)較為均勻，且可以根據(jù)點云數(shù)據(jù)進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，特征點提取功能是根據(jù)模型表面的法線方向、曲率等參數(shù)計算模型表面的特征點。通過該功能，可快速獲得模型表面上的特征點信息，使點云數(shù)據(jù)更好地與模型表面匹配。

首先，應使用參數(shù)曲面法對模型進行特征點提取，保證法線方向、曲率等參數(shù)的正確，否則會導致特征點提取失敗。參數(shù)曲面法是一種基于坐標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雜對象，因此，可將古建筑點云數(shù)據(jù)通過參數(shù)曲面法進行處理，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個三維空間幾何模型。

其次，在對點云數(shù)據(jù)進行特征點提取時，可通過坐標變換使法線方向、曲率等參數(shù)在模型表面上正確反映，從而提高特征點提取精度。對點云數(shù)據(jù)進行特征點提取時，可根據(jù)古建筑的特點進行特征提取，通過對點云數(shù)據(jù)進行多次投影變換，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的準確度。

最后，通過對古建筑點云數(shù)據(jù)進行多次投影變換后得到的三維模型，可計算其各特征點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特征點的空間坐標，從而得到該特征點對應的三維模型。通過對點云數(shù)據(jù)進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.古建筑細節(jié)處理

古建筑的細節(jié)部分包括門窗、屋頂?shù)?，這些部分的點云數(shù)據(jù)密度較高，需要對其進行平滑處理。根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)，應采用移動窗口的方式對古建筑進行局部平滑處理。由于古建筑中門窗的形狀各異、結(jié)構(gòu)復雜，為了保證建筑物整體效果的一致性，需要對門窗進行統(tǒng)一處理，并采用不同顏色的線條來表示；對古建筑進行點云數(shù)據(jù)處理后得到的點云數(shù)據(jù)密度較高，需要對其進行平滑處理，并使用貼圖技術(shù)來對其進行細節(jié)處理。在對古建筑細節(jié)部分進行平滑處理時，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。對于門窗等結(jié)構(gòu)復雜的部位，為了讓模型整體更好地展現(xiàn)，可以采用貼圖技術(shù)來對其進行細節(jié)處理。貼圖技術(shù)能夠很好地模擬古建筑結(jié)構(gòu)復雜的特點，達到細節(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步驟。首先，將掃描的古建筑點云數(shù)據(jù)導入Autodesk軟件中，對古建筑進行分割、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)對古建筑模型進行優(yōu)化。最后，對古建筑模型進行優(yōu)化后，還需要將古建筑的細節(jié)部分處理完成。由于古建筑點云數(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，可對點云數(shù)據(jù)進行精簡，使用Geomagic Design X對點云數(shù)據(jù)進行處理。Geomagic Design X可對點云數(shù)據(jù)進行精簡、優(yōu)化以及簡化等操作，最終得到符合古建筑實際情況的三維模型。

古建筑模型表面貼圖

首先，在Autodesk軟件中選擇“貼圖貼面”選項卡。其次，在“貼圖”對話框中選擇“法線貼圖”選項卡根據(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行貼圖操作。最后，根據(jù)貼圖貼面的需要進行紋理編輯操作，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工具對古建筑點云數(shù)據(jù)進行匹配后，可得到一個帶有紋理的三維模型。例如，在對古建筑進行建模后，可以在Autodesk軟件中制作一個帶有法線貼圖的三維模型。通過Autodesk軟件中的Reverb工具，對古建筑表面進行貼圖，可得到一個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)保護中的應用

將基于點云和點云數(shù)據(jù)重建的古建筑三維模型表面貼圖效果應用于古建筑保護，可以有效地提高古建筑數(shù)字模型表面貼圖的真實感和立體感。根據(jù)原始點云數(shù)據(jù)與重建后三維模型的法線關(guān)系，可實現(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用于建筑遺產(chǎn)數(shù)字化保護展示。采用基于點云數(shù)據(jù)重建后古建筑三維模型表面貼圖效果后，可以更加真實地還原古建筑的原有特征和建筑風格，在保持古建筑三維模型真實性和完整性的同時，還可以提高建筑遺產(chǎn)數(shù)字化保護展示效果?；贏utodesk軟件的古建筑數(shù)字化保護展示技術(shù)具有簡單、易學、高效等特點。

實例應用

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，在進行數(shù)據(jù)采集時采取多方位、多測站的方式。由于建筑結(jié)構(gòu)復雜，使用傳統(tǒng)的數(shù)字化保護手段很難獲取準確、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)進行數(shù)據(jù)采集。

基于對文物本體的保護，依據(jù)文物數(shù)字化采集標準，文物數(shù)字化過程需采用非接觸式測量技術(shù)進行原始數(shù)據(jù)的獲取。通過點云拼接與融合技術(shù)，生成高精度的古建筑點云數(shù)據(jù)后，基于逆向工程技術(shù)對古建筑進行全面、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、增強現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，用戶可以身臨其境地體驗古建筑，進行虛擬漫游、交互式學習和參觀等，宣傳推廣古建文化遺產(chǎn)的價值。

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

蘭州市科技計劃項目“白衣寺塔數(shù)字化重建與增強現(xiàn)實互動體驗技術(shù)研究應用”（編號：2021-1-179）。