摘要：古建筑是历史文化的载体，有着深厚的历史价值、艺术价值和科学价值。要让古建筑文化在当代得以保存，又要让古文化遗产具有当代价值，需以发展性的观念为出发点，对古建筑及其所包含的文化特色进行保护。对古建筑进行三维数字化重建，是对其进行保护、传承和利用的重要手段。针对目前古建筑三维数字化重建技术存在的数据获取困难、重建效率低等问题，现提出一种基于逆向工程技术的古建筑三维数字化重建方法。利用三维扫描技术对古建筑进行扫描，获得原始点云数据，并利用逆向工程软件进行处理，得到三维点云数据，再通过点云数据重建古建筑模型。并结合实际案例，介绍该方法在古建筑三维数字化重建中的应用，为后续古建筑研究、保护和利用提供依据。
古建筑是我国文化的重要载体，具有较高的历史价值、艺术价值和科学价值。对古建筑进行数字化重建，可以对其历史信息、艺术信息和科学信息进行有效提取和利用，有利于加强对古建筑的保护和传承，并为古建筑研究、保护和利用提供重要的数据支撑。目前，许多专家学者利用测量技术、建模软件等方法对古建筑进行数字化重建。这种数字化重建需要通过三维扫描、激光测量和摄影测量等技术手段获取古建筑的精确数据，然后，利用计算机建模软件，将这些数据转化为三维模型或虚拟现实场景，以呈现出古建筑的原貌和历史风貌。这种数字化重建不仅可以帮助保护和保存古建筑，还能为学术研究、文化传承和旅游展示等提供重要参考和便利。
古建筑数字化重建为我们提供了更好了解和欣赏古建筑的途径，同时，也为传统文化的传承和推广作出了贡献。为此，本文提出了一种基于逆向工程技术的古建筑三维数字化重建方法，并通过实验验证了该方法在数据获取、建模效率和重建精度方面的优越性。
研究基础
关于古建筑三维数字化重建，已有专家学者进行了深入的研究，并提出了多种方法，主要包括采用非接触式激光扫描仪对古建筑进行扫描，并利用逆向工程软件构建三维模型；采用多视角三维激光扫描仪对古建筑进行扫描，并利用逆向工程软件构建三维模型；采用全站仪对古建筑进行扫描，并利用逆向工程软件构建三维模型。其中，传统的点云数据采集方法在古建筑数字化重建中存在一些局限性，如采集速度较慢、数据精度有限等。为了改进这些问题，专家学者进行了一系列的研究。其一，采用更高精度的测量设备，如激光扫描仪或摄影测量系统。此类设备可以提供更精确的点云数据，并能够快速获取大量的数据。其二，利用计算机视觉和图像处理技术进行点云数据的后处理和优化。通过对采集到的点云数据进行滤波、配准和拼接等处理，提高数据的质量和完整性。
古建筑三维数字化重建原理与流程
针对古建筑的结构特点，可以利用倾斜摄影测量技术和激光三维扫描技术对古建筑进行扫描，获取原始点云数据。
第一，选取扫描设备。需要选择合适的扫描设备并对其设置相关参数。在对古建筑进行扫描时，通常需要使用多个扫描设备同时扫描多个位置或多个部位。因此，在选择设备时需要考虑其扫描范围、扫描速度和扫描精度等参数。
第二，获取原始点云数据。首先，对不同位置的特征点进行标记，并记录其位置坐标。其次，将获取的带有标记的点云数据导入逆向工程软件中，运用点云处理模块进行点云数据处理，得到完整的古建筑点云数据。最后，根据古建筑的结构特点，对点云数据进行优化处理，得到古建筑三维数字化模型。
第三，进行三维数字化重建。首先，需要对点云数据进行预处理，即去除点云中的噪声和重复点。对于古建筑结构复杂的部位，还需要利用相应的软件模块进行优化处理。其次，由于古建筑结构复杂、类型多样，可以将其分为不同类型的建筑部分。最后，对划分后的建筑部分进行优化处理。
古建数字化过程中应用的关键技术
非接触式测量技术
1.三维扫描
利用激光扫描仪或结构光扫描仪等设备对古建筑进行三维扫描，能够获取建筑物的几何形状、结构和细节信息。这些扫描数据可以用于建筑的数字化重建、虚拟漫游和保护修复等。
2.纹理捕捉
通过高分辨率相机或多角度摄影，能够捕捉古建筑表面的纹理信息。这些纹理数据可以与三维几何数据进行融合，提供更真实、逼真的古建筑模型，为展示和研究提供更丰富的信息。
3.损伤检测与分析
非接触式测量技术可以用于损伤检测与分析，通过比对建筑的几何数据，检测出可能存在的损伤、变形或结构问题。这对于古建筑的保护与修复非常重要，可以提供科学依据和指导。
点云拼接与融合技术
1.完整模型重建
通过点云拼接与融合技术，可以将多个扫描点云数据拼接成一个完整的建筑模型，包括内部结构、外观和细节。这样可以还原古建筑的整体形态，为保护、研究和展示提供更全面的数据基础。
2.精细细节捕捉
点云拼接与融合技术可以高精度地捕捉古建筑的细节特征，包括雕塑、壁画、雕刻等。通过将多个扫描点云进行融合，可以获取更丰富、更精确的细节信息，为文物修复和研究提供重要依据。
3.损伤分析与监测
通过对点云数据进行比对分析，可以检测古建筑的损伤、变形等问题。点云拼接与融合技术可以提供全局的建筑形态信息，用于损伤评估和监测变形情况，为建筑保护与修复提供科学依据。
逆向工程技术
1.数字重建
通过使用激光扫描仪、摄影测量或其他测量设备，能够获取古建筑的点云数据或图像数据，然后，使用逆向工程算法将这些数据转化为几何模型，实现对古建筑形态、结构和细节的数字重建。
2.结构分析与评估
逆向工程技术可以帮助进行古建筑的结构分析和评估。通过对古建筑进行非破坏性的扫描和测量，能够获取其几何形状和结构信息，用于评估其承载能力、稳定性和安全性。这对于古建筑的保护与修复非常重要。
3.文物保护与修复
逆向工程技术为文物保护与修复提供了有力支持。通过对古建筑进行数字化重建和分析，可以准确记录和保存文物的形态、结构和细节信息。研究人员和修复专家能够更好地了解古建筑的历史和特点，并制订相应的保护和修复策略。
古建筑点云数据获取与处理
古建筑点云数据获取方法包括两种。一是直接扫描和逆向工程软件处理。直接扫描法是指利用三维扫描设备对古建筑进行扫描，获得原始点云数据。主要适用于单件或少量构件的三维模型重建，如小比例模型、小型建筑、大型雕塑等。该方法操作简单，但采集精度受扫描仪型号及扫描距离影响，且对人员技术要求较高。二是逆向工程软件处理法，是指利用逆向工程软件对点云数据进行处理，得到最终的古建筑三维模型。主要适用于多件或大量构件的三维模型重建，如古建筑的复原、古建筑大场景的建模等。该流程能够高效地获取古建筑点云数据，并能准确地获取古建筑特征点信息。
通过对古建筑点云数据进行去除噪声和点云合并等预处理操作，能够获得较为精确的点云数据。然后使用逆向工程软件对点云数据进行特征提取，得到点云模型，并将其导入到三维模型重建软件中进行三维模型重建。最后，对古建筑进行三维模型重建，得到精准古建筑模型。该方法适用于大型、复杂建筑物的数字化重建工作，能够极大地提高建模效率和精度。
数据采集
古建筑三维数字化重建主要是对古建筑进行逆向工程软件处理，因此，需要大量的点云数据作为数据基础。古建筑的点云数据通常是通过激光扫描仪获取，利用其不同型号的激光发射器发射的激光光束，扫描并记录古建筑表面的点云数据。《激光扫描技术在建筑工程中应用指南》（GB/T 22159—2008）中关于建筑工程测量的相关规定指出，建筑物或构筑物通常有四种测量距离，即定位点（Site）、基准面（Root surface）、特征线（Numerical line）和标靶（Positioning surface）。因此，在进行古建筑扫描时，需在建筑物附近进行多次测量才能获取较为精确的数据。激光扫描仪扫描时采用每秒3次脉冲激光发射、10次扫描的方式，而每次扫描间隔为0.5s。这样便可使采集到的点云数据较为均匀，且可以根据点云数据进行特征提取和曲面重构等操作。
特征提取
在逆向工程软件中，特征点提取功能是根据模型表面的法线方向、曲率等参数计算模型表面的特征点。通过该功能，可快速获得模型表面上的特征点信息，使点云数据更好地与模型表面匹配。
首先，应使用参数曲面法对模型进行特征点提取，保证法线方向、曲率等参数的正确，否则会导致特征点提取失败。参数曲面法是一种基于坐标系变换的特征提取方法。由于古建筑是具有空间几何信息和色彩信息的复杂对象，因此，可将古建筑点云数据通过参数曲面法进行处理，将点云数据转化为一个三维空间几何模型。
其次，在对点云数据进行特征点提取时，可通过坐标变换使法线方向、曲率等参数在模型表面上正确反映，从而提高特征点提取精度。对点云数据进行特征点提取时，可根据古建筑的特点进行特征提取，通过对点云数据进行多次投影变换，使其在模型表面上表现出不同的特征，以提高模型表面特征点的准确度。
最后，通过对古建筑点云数据进行多次投影变换后得到的三维模型，可计算其各特征点的法线方向和曲率等参数。根据法线方向、曲率等参数可以获取模型表面上各个特征点的空间坐标，从而得到该特征点对应的三维模型。通过对点云数据进行多次投影变换后得到的三维模型，不仅可显示古建筑建筑表面特征，而且可直观地表现其几何形态。
模型重建
三维模型重建
1.古建筑细节处理
古建筑的细节部分包括门窗、屋顶等，这些部分的点云数据密度较高，需要对其进行平滑处理。根据古建筑的结构，应采用移动窗口的方式对古建筑进行局部平滑处理。由于古建筑中门窗的形状各异、结构复杂，为了保证建筑物整体效果的一致性，需要对门窗进行统一处理，并采用不同颜色的线条来表示；对古建筑进行点云数据处理后得到的点云数据密度较高，需要对其进行平滑处理，并使用贴图技术来对其进行细节处理。在对古建筑细节部分进行平滑处理时，需要注意平滑效果与纹理相结合，在平滑效果与纹理之间找到平衡点。对于门窗等结构复杂的部位，为了让模型整体更好地展现，可以采用贴图技术来对其进行细节处理。贴图技术能够很好地模拟古建筑结构复杂的特点，达到细节表现和纹理表现相结合的目的。
2.古建筑模型构建
古建筑的三维模型构建主要包括以下几个步骤。首先，将扫描的古建筑点云数据导入Autodesk软件中，对古建筑进行分割、建模。其次，利用Autodesk软件，在模型构建完成后，利用逆向工程技术对古建筑模型进行优化。最后，对古建筑模型进行优化后，还需要将古建筑的细节部分处理完成。由于古建筑点云数据较多，且在Autodesk软件中处理后的结果较为杂乱，不利于三维建模。因此，可对点云数据进行精简，使用Geomagic Design X对点云数据进行处理。Geomagic Design X可对点云数据进行精简、优化以及简化等操作，最终得到符合古建筑实际情况的三维模型。
古建筑模型表面贴图
首先，在Autodesk软件中选择“贴图贴面”选项卡。其次，在“贴图”对话框中选择“法线贴图”选项卡根据古建筑模型表面的几何形状，选择合适的法线贴图纹理进行贴图操作。最后，根据贴图贴面的需要进行纹理编辑操作，如添加纹理、裁剪纹理等。
模型的三维可视化
在Geomagic Studio软件中，利用Body3D工具对古建筑点云数据进行匹配后，可得到一个带有纹理的三维模型。例如，在对古建筑进行建模后，可以在Autodesk软件中制作一个带有法线贴图的三维模型。通过Autodesk软件中的Reverb工具，对古建筑表面进行贴图，可得到一个表面贴图效果的三维模型。
模型表面贴图效果在建筑遗产保护中的应用
将基于点云和点云数据重建的古建筑三维模型表面贴图效果应用于古建筑保护，可以有效地提高古建筑数字模型表面贴图的真实感和立体感。根据原始点云数据与重建后三维模型的法线关系，可实现对不同材质和不同光照下建筑物三维模型表面贴图效果的处理。
模型表面贴图效果可应用于建筑遗产数字化保护展示。采用基于点云数据重建后古建筑三维模型表面贴图效果后，可以更加真实地还原古建筑的原有特征和建筑风格，在保持古建筑三维模型真实性和完整性的同时，还可以提高建筑遗产数字化保护展示效果。基于Autodesk软件的古建筑数字化保护展示技术具有简单、易学、高效等特点。
实例应用
本文以兰州市博物馆白衣寺塔古建筑为例，该古建筑是明初肃王朱楧为祈福、记载功德所建，距今已有近400年的历史，是目前保存较为完好的塔类古建。白衣寺塔塔基长、宽各7米，塔身最大处直径6米，受白衣寺塔周边建筑密集因素的影响，在进行数据采集时采取多方位、多测站的方式。由于建筑结构复杂，使用传统的数字化保护手段很难获取准确、全面的数据，因此，需要利用倾斜摄影测量技术和激光三维扫描技术进行数据采集。
基于对文物本体的保护，依据文物数字化采集标准，文物数字化过程需采用非接触式测量技术进行原始数据的获取。通过点云拼接与融合技术，生成高精度的古建筑点云数据后，基于逆向工程技术对古建筑进行全面、精确的数字化重建，以获得逼真的古建筑三维数字模型，用于虚拟展示和交互。通过将数字模型与虚拟现实、增强现实技术相结合，用户可以身临其境地体验古建筑，进行虚拟漫游、交互式学习和参观等，宣传推广古建文化遗产的价值。
综上，逆向工程技术在古建数字化中具有重要的应用价值，为古建筑的保护、研究和传承提供有力的技术支持。
兰州市科技计划项目“白衣寺塔数字化重建与增强现实互动体验技术研究应用”（编号：2021-1-179）。
