古代建筑虚拟修复及WEB表现技术研究
中国古建筑被公认为世界三大建筑体系之一，它不仅是中华民族文化精神的载体、世界建筑艺术的瑰宝，同样也是人类最优秀的文化遗产之一，是不可再生的特殊资源，做好保护工作意义十分重大。
长期以来，关于古建筑文化遗产保护的教育相对滞后，在为数不多的学科专业里，采用的仍然是传统的传播媒介和教学方式，存在因学生获取感性知识的途径少、实践机会不多、学习内容枯燥，而导致效率不高的问题。对大多数普通公众而言，甚至难以找到获取古建筑及保护工艺知识的途径。因此，通过研究虚拟仿真和互联网技术在古代建筑保护修复和面向公众的宣传普及古建筑文化等方面的应用，发动更广泛的社会力量参与，使弘扬和保护传统的建筑文化成为民众的一种文化自觉，是十分必要的。
当前，信息化已经广泛渗透到社会发展的各个方面和国民经济的各行各业，而在古建筑的保护、宣传和教育领域的应用才刚刚起步。将信息化技术与现有古建筑的保护和修复手段相结合，可以开拓并丰富古建筑保护和修复的手段和方法，提高保护修复的工作效率和技术水平；创建依托网络的信息化古建筑保护新模式，这样一方面将大大促进古建筑文化遗产保护、宣传与教育的普及化程度，实现更为有效的宣传和交流途径；另一方面，针对古建筑的保护和修复还停留在效率不高的传统保护修复方法，虚拟现实、人工智能和计算机仿真等信息技术，则可以为古建筑的保护、修复工作提供高效的辅助手段。就目前情况而言，如何利用计算机及网络技术为古代建筑保护和修复提供行之有效的解决办法，是一个亟待解决的问题。为此，由国家文物局主管，湖南省博物馆承担，西安交通大学、北京化工大学、中国科学院自动化研究所、中国科学院数学与系统科学研究院、北京工业大学等多方合作完成了“十一五”国家科技支撑计划项目“古代建筑保护技术及传统工艺科学化研究”中的“古代建筑虚拟修复及WEB表现技术研究”课题。
课题主要研究内容
（1）通过研究木结构古建筑构件病害信息特征，并以木结构古建筑三维模型为信息载体，通过对多媒体表现手段与数据完整性和重复性校验算法的研究，建立木结构古建筑虚拟修复系统和古建筑维修信息库，实现古建筑木构件病害勘测信息的定位标注、记录、查询和统计分析，以多媒体形式展示古建筑木结构病害防治方法、修复规范、构件连接关系等，为古建筑保护制定科学的修缮方案提供数据支持。
（2）建立古建筑油饰彩画数据库，并依此开发古建筑油饰彩画传统工艺辅助学习系统、古建筑油饰彩画缺损修复软件以及古建筑彩画配色软件，实现彩画缺损的虚拟修补，为古建筑油饰彩画保护修复虚拟仿真辅助教学提供服务。
（3）古建筑快速三维建模技术的研究。通过提取二维图像中的纹理和色彩信息，自动获得三维模型，实现了古建筑三维外部结构的真实再现。
（4）基于语义理解的古建筑三维动画自动辅助生成系统研究，通过完成包括宫殿、寺庙、木塔和砖塔等相关的各种知识库（例如动作库、斗拱库、部件库、核算规则库等），建立和知识库之间关联关系，设计出特殊的建筑描述语言。用户依该语言输入参数，系统将基于知识库进行推理，结合已有的素材资源，正确生成古建筑物建造过程的演示动画。
（5）古建筑保护和修复信息服务平台研究。通过对网络用户需求和习惯的研究，建立基于Web2.0的门户管理框架，并制定基于XML的古代建筑保护与传统工艺数据交换标准。将古建筑虚拟修复系统、古建筑三维快速建模系统、古建筑建造过程动画自动生成系统集成为一个整体，通过古建筑保护技术数据库系统实现联动和资源共享。
课题研究创新点
在本课题的研究中，成功搭建了国内首个古代建筑保护修复信息服务平台，平台集成了包括古代建筑油饰彩画虚拟绘制及工艺辅助教学、木结构古代建筑构件病害标定与统计分析、古代建筑建造过程动画自动辅助生成、古建筑三维重建设软件系统在内的四大功能。平台支持古建筑知识库信息录入管理服务、基于自然语言的古建筑知识库查询服务和古建筑多媒体知识检索服务，使用简单、设计体贴、技术先进、功能强大。无论是从事古建保护、修缮、研究工作的专业人员，还是普通的古建爱好者，都能从中获得想要的服务。
该项目使用了先进的计算机辅助修复、计算机仿真、计算机虚拟现实、自动动画生成的技术，并自主研发了大视角下准稠密扩散技术、基于遍历的自标定技术等多项新型技术。具体来说，该项目的主要创新点如下：
（1）开发出了基于知识库知识分析的木结构古建筑关键部件的典型病害计算机辅助修复技术。该技术针对具有代表性和典型性的木结构古建筑，基于知识库知识分析其关键部件的典型病害起因、现象、修缮措施，利用计算机虚拟现实技术和现代数字化图形图像处理技术，实现木结构古建筑关键部件的典型病害计算机辅助修复。
（2）研发了油饰彩画修复的计算机仿真技术。该技术融合了具有代表性和典型性的古建筑油饰彩画的保护修复的现有技术，结合修复材料配比模型，利用计算机虚拟现实技术和现代数字化图形图像处理技术，实现油饰彩画的虚拟修复。该技术将繁复、精细的油饰彩画修复工作搬移到计算机中来，在计算机中做虚拟修复，为实际修复工作提供经验和支持，使得修复工作更加顺利，在国内相关领域属首创，对我国文物保护和修缮工作有着重大意义。
（3）开发了古建筑三维重建软件系统，该系统具有全自动重建功能，使得用户根本无需了解复杂的重建原理，只需输入同一空间物体的两个不同视角下的图像，系统即可自动复原空间物体的三维表面，并以友好界面显示。该系统使用门槛低，使用者无需掌握复杂的古建筑知识和重建原理。在国内尚属首创，对文博领域人士特别是古建筑爱好者有着极大的帮助。
（4）针对传统的扩散方法只适用于立体图像且对在大视角图像对上效果较差、精度较低的问题，开发出了准稠密扩散技术。这种方法很好地解决了大视角下的扩散问题，使得古建筑三维重建设软件系统能够得到较好的实体恢复(重建)效果，结果更加清晰、准确，具有更高的使用价值，在同类技术中具有先进性。
（5）针对目前基于两幅图像的自标定技术鲁棒性差的问题，研究出了基于遍历的自标定算法。该算法在焦距的取值范围内根据定义的准则，全面搜索最优解，避免了局部最优问题，从而保证了系统的稳定性，这在智能数字图像处理领域是一项重要突破。随着数码图像设备的普及，这项技术普及面广，应用前景广阔。
（6）基于人工智能和动画技术，实现了古建筑营造过程的动画辅助生成系统。将定性描述通过构建规则转化为较精确的量化描述，使计算机自动识别各个构建的结构特征，以及构件之间的连接关系。用户只需输入古建筑基本形制的描述，系统即可自动生成该古建筑的搭建过程的动画模拟。这一系统为古建筑爱好者搭建了一个强大的了解中国古代建筑结构和知识的学习平台，为提高普通公众对古建筑的保护意识提供了强大支撑。
课题研究中共申请了4 项发明专利，取得了7项软件著作权， 在SCI或EI期刊或期刊检索源上发表科技论文27篇，其中，向国外发表8篇，制订了“基于XML的古代建筑保护信息交换标准”草案。人才方面，培养了4名博士研究生和30名硕士研究生。各课题参与单位在课题研究中都在技术上取得了不同程度的突破，为进一步的相关研究工作做好了准备。
本课题是信息技术领域和古建筑研究领域的一次重要结合，在古建筑构造、修缮、保护、展示、教育等方面填补了国内空白，积极推进了我国文化遗产相关工作的信息化进程。该课题为古建筑修复工作以及工艺传承提供了新的手段。其中虚拟修复系统为古建筑修复开辟新的模式和方法；古建筑动画系统为理解古建筑构造过程提供了强有力的支持；三维建模为快速获得古建筑三维立体模型提供了帮助。随着计算机视觉、计算机图形学技术、网络技术的不断成熟以及知识库的不断充实，古建筑保护信息服务平台必将成为古建筑保护领域科学研究和知识普及中不可缺少的工具，在古建筑保护技术研究、学习和教育中将发挥积极作用。
课题主要研究成果
（一） 木结构古建筑虚拟修复关键技术研究
课题组深入古建筑保护维修现场，考察学习了古建筑保护修缮施工的工艺过程，结合该过程中收集整理的古建筑保护领域相关信息，完成了古建筑保护虚拟修复系统的需求分析等前期工作。课题组以前期工作成果为基础，利用天津蓟县独乐寺观音阁和山西省五台山佛光寺东大殿的实际勘测数据构建了理论模型和实现算法，最终利用多媒体展示手段完成应用层设计，进而开发出了木结构古建筑构件信息统计分析系统和古建筑木结构辅助病害标定与修复辅助系统。
木结构古建筑虚拟修复系统支持不断添加新的古建筑维修工程项目，能管理大量具有很大实用价值的数据信息，为公众学习提供参考。该系统可以推广应用于古建筑维修勘测工程实践，也可以运用该系统对古建筑的测绘、勘测、维修数据进行科学整理，并借助于计算机把这些有价值维修信息永久性管理存储和科学应用。
（二） 古建筑油饰彩画虚拟修复系统开发
完成了包括文字、图像、视频等多媒体油饰彩画修复数据采集与分类整理工作，建立了古建筑油饰彩画数据库，开发了古建筑油饰彩画传统工艺辅助学习系统、古建筑油饰彩画缺损修复软件以及古建筑彩画配色软件，实现了彩画缺损的虚拟修补。
（1）建立古建筑油饰彩画传统工艺辅助学习系统，实现了古建筑彩画传统工艺的可视化参考分析，通过视频、图片、文字三者结合的方式向用户展示油饰彩画工程施工、修缮等工艺流程。用户可以将实际采集的工艺视频、图片和文字轻松地创建成项目展示课件，从视频、图片和文字三方面，生动直观地展示油饰彩画工程的各个具体流程，使得用户在较短的时期内，掌握油饰彩画传统工艺的概念和操作方法。
（2）通过对古建筑油饰彩画相关的历史资料、建筑测绘图、修缮实测图、修缮设计图、修缮过程记录、现状勘察报告、修缮概要说明，以及古建筑技术设计图、施工样图、技术和施工说明书、残损现状说明、特征照片、拓片等资料的深入分析研究，设计出了彩画虚拟修补分析算法；根据古建筑彩画配色数据，同时通过分析古建筑油饰彩画病害，建立了古建筑彩画配色模型，进而开发完成了古建筑油饰彩画缺损修补及配色软件系统。输入缺损彩画后，系统将进行缺损部位标定，自动实现修补过程，所采用的虚拟修复相关算法达到了国际先进水平。
（三） 基于语义理解的古建筑建造过程动画辅助生成系统开发
通过研究古建筑知识普及领域的需求，分析国内外计算机辅助动画制作的进展，提出了古建筑构造过程动画辅助生成系统的需求用例。基于需求用例，设计出了一套虚拟古建筑生成规则，结合将自然语言进行理解进而分解成定性描述语言和定量描述语言的方法，可将整个生成过程转化为一系列的粗、细粒度描述文件。最终系统中的动画脚本生成模块将根据描述文件生成所需的演示动画。
（1）完成了定性动画描述语言设计，由粗到细地描述建筑各部件在动画片中出现的动作，包括动作的类型、位置、方向、速度、时间点等，并实现了从定性动画到定量动画的规划计算。
（2）分别完成了庑殿、歇山、硬山小式木架结构的全过程动画自动生成系统。以庑殿系统为例，用户输入对所需庑殿结构的描述，系统自动规划计算直至生成一个动画片，反映该木架结构从无到有的搭建过程，系统基于200条规则自动推理每根木头部件的出现顺序，基于300条规则自动计算每根木头部件的尺寸、位置、方向。其中榫卯的类型、尺寸和位置是动态推理计算的，相应地榫卯三维模型也是动态构造而成的，共实现了十大类榫卯。
（3）完成了斗栱全过程动画自动生成系统，包括宋式和清式两大类斗栱，设计了斗栱生成语言，描述斗栱各组件的类型、数目、之间的定性空间关系和相关的约束。基于这样的斗栱语言，系统根据用户输入的斗栱基本信息，自动生成斗栱三维模型。
（4）完成了古塔结构全过程动画自动生成系统，包括楼阁式、密檐式、亭阁式、金刚宝座、覆钵式、和花塔。用户输入对塔的描述，系统通过对塔的各个组成部分的尺寸、位置、方向进行自动计算，自动生成该塔的模型。
（四） 古建筑快速三维建模软件系统研究与开发
（1）完成了古建筑的图形、图像特征提取与匹配算法研究，开发了支持灵活建模的古建筑三维重构软件系统。基于古建筑外部结构和内外部装饰的图形、图片和图像资料，运用计算机视觉、图形图像处理技术，实现了古建筑三维外部结构的真实再现。
（2）完成了基于多幅图像的古建筑的特征提取和匹配、多视点重建结果融合，以及整体优化等，实现了基于两幅图像的古建筑局部重建。
（3） 采用基于仿摄像机模型的分解法。在古建筑物的三维重建中，由于拍摄条件的限制，拍摄图像的视场一般都比较大，建筑物与相机的距离一般不能太小。因此，采用仿射相机模型代替透视相机模型会更加合理。同时，由于分解法利用了多幅图像的共同匹配点，具有更好的整体性。
（4）利用稀疏的LM算法对融合结果进行总体的捆绑调整，提高了优化的效率。对多视角下重建结果的融合而言，捆绑调整算法是必不可少的，它将大大提高整体的重建精度。由于需要优化的参数较多，使用传统的LM算法时间复杂度很高，很难满足实时的要求。研究表明，稀疏的LM算法在执行效率及优化效果上都有很大提高。基于此成功实现了基于稀疏LM算法对整体重建结果的融合。
（5）开发了基于图像直线特征的自动提取与匹配原形系统。在三维重建过程中，图像特征点的匹配数量及定位精度，直接影响重建的效果。目前自动提取系统采用的是SIFT特征点进行扩散，得到了均匀分布的准稠密图像对应点。研究发现，对古建筑重建而言，除了点的信息，包含关键点的直线的信息是十分重要的。基于此,提出了一种自动提取图像线特征，并进行匹配的算法，完成了图像直线特征自动提取与匹配的原形系统。该系统是对基于图像特征点的自动提取与匹配原形系统的有利补充。
（五） 古建筑保护和修复信息服务平台建设
（1）完成了个性化古建筑博物馆开发，它能以多种形式展示古建筑保护与修复的知识，使用户能在线体验、参与虚拟漫游服务，使得古建筑保护和修复知识以大众普遍接受的娱乐、体验和教育方式表达，达到知识普及作用。
（2）完成了古建筑保护技术知识搜索、 RSS文档摘要、古建筑百科、博客等功能模块开发。其中搜索模块将与自然语言检索和多媒体检索相结合，形成了对古建筑保护技术知识的多层次检索服务机制。
（3）研究了基于内容聚合的个性化RSS订阅技术，实现了对古建筑保护新闻、个性化古建筑博物馆、古建筑博客和古建筑百科的内容聚合支持。用户可以选择订阅相关的信息、浏览定制的古建筑信息。
（4）完成了古建筑保护技术信息平台统一身份认证，采取Web Service和令牌两套统一认证方案，实现了用户身份与访问统一管理与控制。
“十一五”国家科技支撑计划项目“古代建筑保护技术及传统工艺科学化研究”课题
课题承担单位：湖南省博物馆 西安交通大学 北京化工大学 中国科学院自动化研究所 中国科学院数学与系统科学研究院 北京工业大学
(原文发表在《中国文物报》2010年6月25第4版)
（责任编辑：孙丹）
