“十一五”國家科技支撐計劃項目“古代建筑保護(hù)技術(shù)及傳統(tǒng)工藝科學(xué)化研究”課題----古代建筑虛擬修復(fù)及WEB表現(xiàn)技術(shù)研究

課題承擔(dān)單位：湖南省博物館 西安交通大學(xué) 北京化工大學(xué) 中國科學(xué)院自動化研究所 中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院 北京工業(yè)大學(xué)

中國古建筑被公認(rèn)為世界三大建筑體系之一，它不僅是中華民族文化精神的載體、世界建筑藝術(shù)的瑰寶，同樣也是人類最優(yōu)秀的文化遺產(chǎn)之一，是不可再生的特殊資源，做好保護(hù)工作意義十分重大。

長期以來，關(guān)于古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)的教育相對滯后，在為數(shù)不多的學(xué)科專業(yè)里，采用的仍然是傳統(tǒng)的傳播媒介和教學(xué)方式，存在因?qū)W生獲取感性知識的途徑少、實踐機(jī)會不多、學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥，而導(dǎo)致效率不高的問題。對大多數(shù)普通公眾而言，甚至難以找到獲取古建筑及保護(hù)工藝知識的途徑。因此，通過研究虛擬仿真和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在古代建筑保護(hù)修復(fù)和面向公眾的宣傳普及古建筑文化等方面的應(yīng)用，發(fā)動更廣泛的社會力量參與，使弘揚和保護(hù)傳統(tǒng)的建筑文化成為民眾的一種文化自覺，是十分必要的。

當(dāng)前，信息化已經(jīng)廣泛滲透到社會發(fā)展的各個方面和國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，而在古建筑的保護(hù)、宣傳和教育領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步。將信息化技術(shù)與現(xiàn)有古建筑的保護(hù)和修復(fù)手段相結(jié)合，可以開拓并豐富古建筑保護(hù)和修復(fù)的手段和方法，提高保護(hù)修復(fù)的工作效率和技術(shù)水平；創(chuàng)建依托網(wǎng)絡(luò)的信息化古建筑保護(hù)新模式，這樣一方面將大大促進(jìn)古建筑文化遺產(chǎn)保護(hù)、宣傳與教育的普及化程度，實現(xiàn)更為有效的宣傳和交流途徑；另一方面，針對古建筑的保護(hù)和修復(fù)還停留在效率不高的傳統(tǒng)保護(hù)修復(fù)方法，虛擬現(xiàn)實、人工智能和計算機(jī)仿真等信息技術(shù)，則可以為古建筑的保護(hù)、修復(fù)工作提供高效的輔助手段。就目前情況而言，如何利用計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為古代建筑保護(hù)和修復(fù)提供行之有效的解決辦法，是一個亟待解決的問題。為此，由國家文物局主管，湖南省博物館承擔(dān)，西安交通大學(xué)、北京化工大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院、北京工業(yè)大學(xué)等多方合作完成了“十一五”國家科技支撐計劃項目“古代建筑保護(hù)技術(shù)及傳統(tǒng)工藝科學(xué)化研究”中的“古代建筑虛擬修復(fù)及WEB表現(xiàn)技術(shù)研究”課題。

課題主要研究內(nèi)容

（1）通過研究木結(jié)構(gòu)古建筑構(gòu)件病害信息特征，并以木結(jié)構(gòu)古建筑三維模型為信息載體，通過對多媒體表現(xiàn)手段與數(shù)據(jù)完整性和重復(fù)性校驗算法的研究，建立木結(jié)構(gòu)古建筑虛擬修復(fù)系統(tǒng)和古建筑維修信息庫，實現(xiàn)古建筑木構(gòu)件病害勘測信息的定位標(biāo)注、記錄、查詢和統(tǒng)計分析，以多媒體形式展示古建筑木結(jié)構(gòu)病害防治方法、修復(fù)規(guī)范、構(gòu)件連接關(guān)系等，為古建筑保護(hù)制定科學(xué)的修繕方案提供數(shù)據(jù)支持。

（2）建立古建筑油飾彩畫數(shù)據(jù)庫，并依此開發(fā)古建筑油飾彩畫傳統(tǒng)工藝輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)、古建筑油飾彩畫缺損修復(fù)軟件以及古建筑彩畫配色軟件，實現(xiàn)彩畫缺損的虛擬修補，為古建筑油飾彩畫保護(hù)修復(fù)虛擬仿真輔助教學(xué)提供服務(wù)。

（3）古建筑快速三維建模技術(shù)的研究。通過提取二維圖像中的紋理和色彩信息，自動獲得三維模型，實現(xiàn)了古建筑三維外部結(jié)構(gòu)的真實再現(xiàn)。

（4）基于語義理解的古建筑三維動畫自動輔助生成系統(tǒng)研究，通過完成包括宮殿、寺廟、木塔和磚塔等相關(guān)的各種知識庫（例如動作庫、斗拱庫、部件庫、核算規(guī)則庫等），建立和知識庫之間關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計出特殊的建筑描述語言。用戶依該語言輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)將基于知識庫進(jìn)行推理，結(jié)合已有的素材資源，正確生成古建筑物建造過程的演示動畫。

（5）古建筑保護(hù)和修復(fù)信息服務(wù)平臺研究。通過對網(wǎng)絡(luò)用戶需求和習(xí)慣的研究，建立基于Web2.0的門戶管理框架，并制定基于XML的古代建筑保護(hù)與傳統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。將古建筑虛擬修復(fù)系統(tǒng)、古建筑三維快速建模系統(tǒng)、古建筑建造過程動畫自動生成系統(tǒng)集成為一個整體，通過古建筑保護(hù)技術(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動和資源共享。

課題研究創(chuàng)新點

在本課題的研究中，成功搭建了國內(nèi)首個古代建筑保護(hù)修復(fù)信息服務(wù)平臺，平臺集成了包括古代建筑油飾彩畫虛擬繪制及工藝輔助教學(xué)、木結(jié)構(gòu)古代建筑構(gòu)件病害標(biāo)定與統(tǒng)計分析、古代建筑建造過程動畫自動輔助生成、古建筑三維重建設(shè)軟件系統(tǒng)在內(nèi)的四大功能。平臺支持古建筑知識庫信息錄入管理服務(wù)、基于自然語言的古建筑知識庫查詢服務(wù)和古建筑多媒體知識檢索服務(wù)，使用簡單、設(shè)計體貼、技術(shù)先進(jìn)、功能強大。無論是從事古建保護(hù)、修繕、研究工作的專業(yè)人員，還是普通的古建愛好者，都能從中獲得想要的服務(wù)。

該項目使用了先進(jìn)的計算機(jī)輔助修復(fù)、計算機(jī)仿真、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實、自動動畫生成的技術(shù)，并自主研發(fā)了大視角下準(zhǔn)稠密擴(kuò)散技術(shù)、基于遍歷的自標(biāo)定技術(shù)等多項新型技術(shù)。具體來說，該項目的主要創(chuàng)新點如下：

（1）開發(fā)出了基于知識庫知識分析的木結(jié)構(gòu)古建筑關(guān)鍵部件的典型病害計算機(jī)輔助修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)針對具有代表性和典型性的木結(jié)構(gòu)古建筑，基于知識庫知識分析其關(guān)鍵部件的典型病害起因、現(xiàn)象、修繕措施，利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字化圖形圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)木結(jié)構(gòu)古建筑關(guān)鍵部件的典型病害計算機(jī)輔助修復(fù)。

（2）研發(fā)了油飾彩畫修復(fù)的計算機(jī)仿真技術(shù)。該技術(shù)融合了具有代表性和典型性的古建筑油飾彩畫的保護(hù)修復(fù)的現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合修復(fù)材料配比模型，利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字化圖形圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)油飾彩畫的虛擬修復(fù)。該技術(shù)將繁復(fù)、精細(xì)的油飾彩畫修復(fù)工作搬移到計算機(jī)中來，在計算機(jī)中做虛擬修復(fù)，為實際修復(fù)工作提供經(jīng)驗和支持，使得修復(fù)工作更加順利，在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)偈讋?chuàng)，對我國文物保護(hù)和修繕工作有著重大意義。

（3）開發(fā)了古建筑三維重建軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有全自動重建功能，使得用戶根本無需了解復(fù)雜的重建原理，只需輸入同一空間物體的兩個不同視角下的圖像，系統(tǒng)即可自動復(fù)原空間物體的三維表面，并以友好界面顯示。該系統(tǒng)使用門檻低，使用者無需掌握復(fù)雜的古建筑知識和重建原理。在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)，對文博領(lǐng)域人士特別是古建筑愛好者有著極大的幫助。

（4）針對傳統(tǒng)的擴(kuò)散方法只適用于立體圖像且對在大視角圖像對上效果較差、精度較低的問題，開發(fā)出了準(zhǔn)稠密擴(kuò)散技術(shù)。這種方法很好地解決了大視角下的擴(kuò)散問題，使得古建筑三維重建設(shè)軟件系統(tǒng)能夠得到較好的實體恢復(fù)(重建)效果，結(jié)果更加清晰、準(zhǔn)確，具有更高的使用價值，在同類技術(shù)中具有先進(jìn)性。

（5）針對目前基于兩幅圖像的自標(biāo)定技術(shù)魯棒性差的問題，研究出了基于遍歷的自標(biāo)定算法。該算法在焦距的取值范圍內(nèi)根據(jù)定義的準(zhǔn)則，全面搜索最優(yōu)解，避免了局部最優(yōu)問題，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這在智能數(shù)字圖像處理領(lǐng)域是一項重要突破。隨著數(shù)碼圖像設(shè)備的普及，這項技術(shù)普及面廣，應(yīng)用前景廣闊。

（6）基于人工智能和動畫技術(shù)，實現(xiàn)了古建筑營造過程的動畫輔助生成系統(tǒng)。將定性描述通過構(gòu)建規(guī)則轉(zhuǎn)化為較精確的量化描述，使計算機(jī)自動識別各個構(gòu)建的結(jié)構(gòu)特征，以及構(gòu)件之間的連接關(guān)系。用戶只需輸入古建筑基本形制的描述，系統(tǒng)即可自動生成該古建筑的搭建過程的動畫模擬。這一系統(tǒng)為古建筑愛好者搭建了一個強大的了解中國古代建筑結(jié)構(gòu)和知識的學(xué)習(xí)平臺，為提高普通公眾對古建筑的保護(hù)意識提供了強大支撐。

課題研究中共申請了4 項發(fā)明專利，取得了7項軟件著作權(quán)， 在SCI或EI期刊或期刊檢索源上發(fā)表科技論文27篇，其中，向國外發(fā)表8篇，制訂了“基于XML的古代建筑保護(hù)信息交換標(biāo)準(zhǔn)”草案。人才方面，培養(yǎng)了4名博士研究生和30名碩士研究生。各課題參與單位在課題研究中都在技術(shù)上取得了不同程度的突破，為進(jìn)一步的相關(guān)研究工作做好了準(zhǔn)備。

課題是信息技術(shù)領(lǐng)域和古建筑研究領(lǐng)域的一次重要結(jié)合，在古建筑構(gòu)造、修繕、保護(hù)、展示、教育等方面填補了國內(nèi)空白，積極推進(jìn)了我國文化遺產(chǎn)相關(guān)工作的信息化進(jìn)程。該課題為古建筑修復(fù)工作以及工藝傳承提供了新的手段。其中虛擬修復(fù)系統(tǒng)為古建筑修復(fù)開辟新的模式和方法；古建筑動畫系統(tǒng)為理解古建筑構(gòu)造過程提供了強有力的支持；三維建模為快速獲得古建筑三維立體模型提供了幫助。隨著計算機(jī)視覺、計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟以及知識庫的不斷充實，古建筑保護(hù)信息服務(wù)平臺必將成為古建筑保護(hù)領(lǐng)域科學(xué)研究和知識普及中不可缺少的工具，在古建筑保護(hù)技術(shù)研究、學(xué)習(xí)和教育中將發(fā)揮積極作用。

課題主要研究成果

（一） 木結(jié)構(gòu)古建筑虛擬修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究

課題組深入古建筑保護(hù)維修現(xiàn)場，考察學(xué)習(xí)了古建筑保護(hù)修繕施工的工藝過程，結(jié)合該過程中收集整理的古建筑保護(hù)領(lǐng)域相關(guān)信息，完成了古建筑保護(hù)虛擬修復(fù)系統(tǒng)的需求分析等前期工作。課題組以前期工作成果為基礎(chǔ)，利用天津薊縣獨樂寺觀音閣和山西省五臺山佛光寺東大殿的實際勘測數(shù)據(jù)構(gòu)建了理論模型和實現(xiàn)算法，最終利用多媒體展示手段完成應(yīng)用層設(shè)計，進(jìn)而開發(fā)出了木結(jié)構(gòu)古建筑構(gòu)件信息統(tǒng)計分析系統(tǒng)和古建筑木結(jié)構(gòu)輔助病害標(biāo)定與修復(fù)輔助系統(tǒng)。

木結(jié)構(gòu)古建筑虛擬修復(fù)系統(tǒng)支持不斷添加新的古建筑維修工程項目，能管理大量具有很大實用價值的數(shù)據(jù)信息，為公眾學(xué)習(xí)提供參考。該系統(tǒng)可以推廣應(yīng)用于古建筑維修勘測工程實踐，也可以運用該系統(tǒng)對古建筑的測繪、勘測、維修數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)整理，并借助于計算機(jī)把這些有價值維修信息永久性管理存儲和科學(xué)應(yīng)用。

（二） 古建筑油飾彩畫虛擬修復(fù)系統(tǒng)開發(fā)

完成了包括文字、圖像、視頻等多媒體油飾彩畫修復(fù)數(shù)據(jù)采集與分類整理工作，建立了古建筑油飾彩畫數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了古建筑油飾彩畫傳統(tǒng)工藝輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)、古建筑油飾彩畫缺損修復(fù)軟件以及古建筑彩畫配色軟件，實現(xiàn)了彩畫缺損的虛擬修補。

（1）建立古建筑油飾彩畫傳統(tǒng)工藝輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實現(xiàn)了古建筑彩畫傳統(tǒng)工藝的可視化參考分析，通過視頻、圖片、文字三者結(jié)合的方式向用戶展示油飾彩畫工程施工、修繕等工藝流程。用戶可以將實際采集的工藝視頻、圖片和文字輕松地創(chuàng)建成項目展示課件，從視頻、圖片和文字三方面，生動直觀地展示油飾彩畫工程的各個具體流程，使得用戶在較短的時期內(nèi)，掌握油飾彩畫傳統(tǒng)工藝的概念和操作方法。

（2）通過對古建筑油飾彩畫相關(guān)的歷史資料、建筑測繪圖、修繕實測圖、修繕設(shè)計圖、修繕過程記錄、現(xiàn)狀勘察報告、修繕概要說明，以及古建筑技術(shù)設(shè)計圖、施工樣圖、技術(shù)和施工說明書、殘損現(xiàn)狀說明、特征照片、拓片等資料的深入分析研究，設(shè)計出了彩畫虛擬修補分析算法；根據(jù)古建筑彩畫配色數(shù)據(jù)，同時通過分析古建筑油飾彩畫病害，建立了古建筑彩畫配色模型，進(jìn)而開發(fā)完成了古建筑油飾彩畫缺損修補及配色軟件系統(tǒng)。輸入缺損彩畫后，系統(tǒng)將進(jìn)行缺損部位標(biāo)定，自動實現(xiàn)修補過程，所采用的虛擬修復(fù)相關(guān)算法達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

（三） 基于語義理解的古建筑建造過程動畫輔助生成系統(tǒng)開發(fā)

通過研究古建筑知識普及領(lǐng)域的需求，分析國內(nèi)外計算機(jī)輔助動畫制作的進(jìn)展，提出了古建筑構(gòu)造過程動畫輔助生成系統(tǒng)的需求用例?；谛枨笥美O(shè)計出了一套虛擬古建筑生成規(guī)則，結(jié)合將自然語言進(jìn)行理解進(jìn)而分解成定性描述語言和定量描述語言的方法，可將整個生成過程轉(zhuǎn)化為一系列的粗、細(xì)粒度描述文件。最終系統(tǒng)中的動畫腳本生成模塊將根據(jù)描述文件生成所需的演示動畫。

（1）完成了定性動畫描述語言設(shè)計，由粗到細(xì)地描述建筑各部件在動畫片中出現(xiàn)的動作，包括動作的類型、位置、方向、速度、時間點等，并實現(xiàn)了從定性動畫到定量動畫的規(guī)劃計算。

（2）分別完成了廡殿、歇山、硬山小式木架結(jié)構(gòu)的全過程動畫自動生成系統(tǒng)。以廡殿系統(tǒng)為例，用戶輸入對所需廡殿結(jié)構(gòu)的描述，系統(tǒng)自動規(guī)劃計算直至生成一個動畫片，反映該木架結(jié)構(gòu)從無到有的搭建過程，系統(tǒng)基于200條規(guī)則自動推理每根木頭部件的出現(xiàn)順序，基于300條規(guī)則自動計算每根木頭部件的尺寸、位置、方向。其中榫卯的類型、尺寸和位置是動態(tài)推理計算的，相應(yīng)地榫卯三維模型也是動態(tài)構(gòu)造而成的，共實現(xiàn)了十大類榫卯。

（3）完成了斗栱全過程動畫自動生成系統(tǒng)，包括宋式和清式兩大類斗栱，設(shè)計了斗栱生成語言，描述斗栱各組件的類型、數(shù)目、之間的定性空間關(guān)系和相關(guān)的約束?；谶@樣的斗栱語言，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的斗栱基本信息，自動生成斗栱三維模型。

（4）完成了古塔結(jié)構(gòu)全過程動畫自動生成系統(tǒng)，包括樓閣式、密檐式、亭閣式、金剛寶座、覆缽式、和花塔。用戶輸入對塔的描述，系統(tǒng)通過對塔的各個組成部分的尺寸、位置、方向進(jìn)行自動計算，自動生成該塔的模型。

（四） 古建筑快速三維建模軟件系統(tǒng)研究與開發(fā)

（1）完成了古建筑的圖形、圖像特征提取與匹配算法研究，開發(fā)了支持靈活建模的古建筑三維重構(gòu)軟件系統(tǒng)。基于古建筑外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)外部裝飾的圖形、圖片和圖像資料，運用計算機(jī)視覺、圖形圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了古建筑三維外部結(jié)構(gòu)的真實再現(xiàn)。

（2）完成了基于多幅圖像的古建筑的特征提取和匹配、多視點重建結(jié)果融合，以及整體優(yōu)化等，實現(xiàn)了基于兩幅圖像的古建筑局部重建。

（3） 采用基于仿攝像機(jī)模型的分解法。在古建筑物的三維重建中，由于拍攝條件的限制，拍攝圖像的視場一般都比較大，建筑物與相機(jī)的距離一般不能太小。因此，采用仿射相機(jī)模型代替透視相機(jī)模型會更加合理。同時，由于分解法利用了多幅圖像的共同匹配點，具有更好的整體性。

（4）利用稀疏的LM算法對融合結(jié)果進(jìn)行總體的捆綁調(diào)整，提高了優(yōu)化的效率。對多視角下重建結(jié)果的融合而言，捆綁調(diào)整算法是必不可少的，它將大大提高整體的重建精度。由于需要優(yōu)化的參數(shù)較多，使用傳統(tǒng)的LM算法時間復(fù)雜度很高，很難滿足實時的要求。研究表明，稀疏的LM算法在執(zhí)行效率及優(yōu)化效果上都有很大提高?；诖顺晒崿F(xiàn)了基于稀疏LM算法對整體重建結(jié)果的融合。

（5）開發(fā)了基于圖像直線特征的自動提取與匹配原形系統(tǒng)。在三維重建過程中，圖像特征點的匹配數(shù)量及定位精度，直接影響重建的效果。目前自動提取系統(tǒng)采用的是SIFT特征點進(jìn)行擴(kuò)散，得到了均勻分布的準(zhǔn)稠密圖像對應(yīng)點。研究發(fā)現(xiàn)，對古建筑重建而言，除了點的信息，包含關(guān)鍵點的直線的信息是十分重要的?；诖?提出了一種自動提取圖像線特征，并進(jìn)行匹配的算法，完成了圖像直線特征自動提取與匹配的原形系統(tǒng)。該系統(tǒng)是對基于圖像特征點的自動提取與匹配原形系統(tǒng)的有利補充。

（五） 古建筑保護(hù)和修復(fù)信息服務(wù)平臺建設(shè)

（1）完成了個性化古建筑博物館開發(fā)，它能以多種形式展示古建筑保護(hù)與修復(fù)的知識，使用戶能在線體驗、參與虛擬漫游服務(wù)，使得古建筑保護(hù)和修復(fù)知識以大眾普遍接受的娛樂、體驗和教育方式表達(dá)，達(dá)到知識普及作用。

（2）完成了古建筑保護(hù)技術(shù)知識搜索、 RSS文檔摘要、古建筑百科、博客等功能模塊開發(fā)。其中搜索模塊將與自然語言檢索和多媒體檢索相結(jié)合，形成了對古建筑保護(hù)技術(shù)知識的多層次檢索服務(wù)機(jī)制。

（3）研究了基于內(nèi)容聚合的個性化RSS訂閱技術(shù)，實現(xiàn)了對古建筑保護(hù)新聞、個性化古建筑博物館、古建筑博客和古建筑百科的內(nèi)容聚合支持。用戶可以選擇訂閱相關(guān)的信息、瀏覽定制的古建筑信息。

（4）完成了古建筑保護(hù)技術(shù)信息平臺統(tǒng)一身份認(rèn)證，采取Web Service和令牌兩套統(tǒng)一認(rèn)證方案，實現(xiàn)了用戶身份與訪問統(tǒng)一管理與控制。