古建筑数字化及三维建模关键技术研究

摘要

相对于我国古代先进的建筑技术成就，我国在古建信息化方面还比较落后，急需利用现代信息技术对古建保护和开发进行探索和研究。本研究以国家自然科学基金项目“文物三维模型的语义标注与本体检索技术研究”项目(60873094)和国家863项目“三维模型智能处理与检索平台”(2008AA012301)为背景，针对获取古建筑资料的人工测量、激光扫描和二维影像三大方式，研究了工程结构3D模型、点云数据3D模型和二维影像形成3D模型重建的关键技术，取得了一定的成果，论文主要研究进展如下：
　　 1.提出并建立古建筑常用3D构件库框架体系。针对古建筑工程结构3D模型重建直接绘图作业量巨大且重复工作多的问题，通过研究古建筑形制化集成的特点，提出了以斗口模数十一等材(一营造寸)为基础模数，建立一个通用性较强的古建筑常用3D构件库框架体系。并在此基础上，开发了构件库可视化应用接口。为配合构件组合后的复杂建筑结构的显示速度，研究了构件库模型的不同形式，为古建筑三维工程模型的快速重建奠定了基础。
　　 2.提出了一种参数化的古建筑工程结构3D模型重建方法。该方法以古建筑测绘图纸为出发点，研究了古建筑图纸中的实体元素语义，尺寸标注语义，图样信息的隐含语义的描述方法，获得相关参数，并以此参数调用三维构件库中的三维构件，从而实现古建筑三维工程模型的快速重建。该方法建立了工程级别的精细矢量三维模型，完整重建了古建筑的外形和内部工程结构关系，为古建筑的重建、修复提供了新的技术手段。并以典型单檐庑殿顶建筑的三维重建为例，很好地验证了该方法。
　　 3.提出了基于聚类平面特征的点云数据精简算法。针对大型古建筑的点云数据包括大量冗余数据，难以直接用于三维重建。研究发现，建筑物垂直地面，在高度方向上的截面的点云数据，一定位于该平面内建筑物的轮廓线上。基于此原理，该算法不需要先对扫描对象进行表面重构，而是在保持建筑物高度方向数据精度的前提下，对数据分层聚类分析，将满足条件的特征点保留下来，删除其余的点，实现整个建筑点云数据的简化。实例证明该算法根据不同建筑外形特征，可以达到70％-90％以上的精简比率。大大提高了大型古建筑点云数据三维重建的效率。并在小雁塔点云重建中应用，具有良好的建模效果。
　　 4.提出基于基本体素的投影反求三维坐标的重建算法。该算法在单幅二维影像3D模型重建过程中，通过几何体素灭点透视原理恢复三维体素特征点坐标。同时，根据古建筑的特点，对该算法进行了进一步改进，给出了体素标定重建方法。首先利用投影反求算法获取基本体素特征点三维坐标，再根据这些特征点坐标，导出投影矩阵，对摄像机进行标定，从而实现建筑物二维影像到三维模型的重建。小雁塔古建筑群白衣阁的建模实践表明，该算法是有效的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本文的选题来源及研究背景

1.2研究的意义

1.3古建筑数字化及三维建模技术涉及的相关问题

1.4本文研究的主要内容与结构安排

1.4.1本文研究的主要内容

1.4.2结构安排

1.5本章小结

参考文献

第2章国内外研究现状分析

2.1基于二维工程图的三维建模研究现状

2.2基于数据点云的三维建模研究现状

2.3基于二维影像的三维建模研究现状

2.4本章小结

参考文献

第3章古建筑常用3D构件库

3.1中国古建筑的分类

3.2中国古建筑的构成特点

3.2.1建筑组群布局

3.2.2模数制

3.2.3单体建筑的组成构件

3.3古建筑常用3D构件库框架体系

3.3.1模型归一化

3.3.2总体设计

3.3.3构件模型形式

3.4古建筑常用3D图库可视化应用接口

3.4.1构件调用接口界面及使用方法

3.4.2可视化应用接口实现方法

3.5古建3D构件库的菜单访问形式

3.6本章小结

参考文献

第4章参数化的古建筑工程结构3D模型重建

4.1古建测绘工程图中的语义

4.1.1古建测绘工程图的主要内容

4.1.2测绘工程图中的语义

4.2参数化的古建筑工程结构3D模型重建方法

4.2.1三维重建主要步骤

4.2.2重建过程

4.2.3三维重建模型的进一步应用

4.3本章小结

参考文献

第5章 古建筑大型散乱数据点云的三维重建

5.1点云数据的获取

5.2点云数据精简常用方法

5.2.1均匀方格精简法

5.2.2曲率精简法

5.2.3平均点距值精简法

5.3基于聚类平面特征的点云数据精简算法

5.3.1点云数据预处理

5.3.2数据结构

5.3.3数据点云的空间分块

5.3.4精简数据的规范

5.3.5算法流程图

5.4西安小雁塔建筑群点云的简化实践

5.4.1小雁塔点云的多尺度采样

5.4.2小雁塔点云的聚类平面特征的点云数据精简

5.5点云数据三维模型的重建

5.5.1几种常用重建方法

5.5.2分层三角网格化重建算法

5.5.3小雁塔模型重建实例

5.6本章小结

参考文献

第6章单幅影像的古建筑三维重建

6.1灭点定标原理

6.1.1坐标系统

6.1.2灭点与摄像机内方位参数的关系

6.1.3灭点与摄像机外方位元素的关系

6.2利用灭点进行摄像机标定

6.2.1摄像机需要标定的参数

6.2.2基于标定物的投影定标方法

6.2.3灭点计算的平差模型

6.3基本体素反求的投影定标方法

6.3.1摄像机参数对灭点的反求关系

6.3.2基本体素的坐标反求

6.4三维重建实验

6.5两步复合标定算法

6.5.1算法主要步骤

6.5.2算法的实现

6.6本章小结

参考文献

总结与展望

1论文总结

2工作展望

攻读博士期间的主要科研成果

致谢