古建筑布達拉宮金頂三維重建方法

王聰華 郭霖蓉 周玲玲 宋維亮

摘 ?要： 以布達拉宮十三世達賴靈塔殿金頂建筑三維重建為例，探討了靈塔殿金頂建筑建模的技術方法，特別是靈塔殿金頂建筑脊飾如鰲頭、共命鳥、蓮花寶瓶等的建模方法，研究了利用地面拍攝影像圖構建單體建筑模型及各裝飾部件精細建模的方法，以實現低成本完成古建筑的數字化三維重建。

關鍵詞： 古建筑; 布達拉宮; 金頂建筑; 三維重建

中圖分類號：TP317 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2015）01-04-04

3D reconstruction methods of ancient buildings to the Potala Palace's golden top

Wang Conghua， Guo Linrong， Zhou Lingling， Song Weiliang

（Xizang University for Nationalities， Xizang Key Laboratory of Optical Information Processing and Visualization Technology， Xianyang， Shanxi 712082， China）

Abstract： Take the Pagoda Temple of the 13th Dalai Lama Goldentop's 3D reconstruction in the Potala Palace as an example， the technical method of Pagoda Temple goldentop building modeling is discussed， especially the modeling methods about Pagoda Temple goldentop's ridge decorations， such as Aotou， life of birds and lotus aquarius. The modeling methods of monomer building model and fine decoration componentsbased on taking images on the ground are researched to achieve digital ancient architecture 3D reconstruction under a low cost.

Key words： ancient architecture; potala palace; goldentop building; 3D reconstruction

0 引言

古建筑的數字化三維重建是文物保護的重要手段，文獻[1-3]介紹了三維重建方法，其核心都是建立在CAD數據、GIS數據及清晰照片的基礎上建模。文獻[4]針對特定的三維建模對象，研究了基于無人機影像的自動化三維重建方法，更多是從算法的角度去研究三維重建問題。布達拉宮有其特殊的建筑特點，整個建筑群依山勢而建，建筑物宏偉高大，最高佛堂處海拔3767.19米[5]，是國內外許多古建筑不能比擬的。布達拉宮最上一層還有金頂區，排列著七座覆蓋在靈塔殿和佛殿之上的鎏金屋頂，每座金頂上有許多鎏金裝飾（如八吉祥、共命鳥、塔式寶瓶及龍鳳呈祥等），每件鎏金裝飾都是藝術精品，蘊涵著藝術家的智慧和創造，有著極高藝術價值[6-8]。因此，其三維重建有其獨特之處：①沒有現成的CAD數據、GIS數據可以使用;②由于空中管制、條件和資金的限制不能采用測量設備實地測繪，包括無人機測量與拍攝影像;③每一件鎏金裝飾三維重建都是藝術再現。

基于以上因素本文三維重建的研究只能考慮在低成本條件下如何獲取高大建筑頂部單體建筑測量數據的方法;從現有文獻資料中獲取一些建筑物及裝飾物件的數據和影像資料;研究如何利用拍攝影像圖構建單體建筑模型及裝飾物三維建模，以達到在低成本的情況下完成古建筑三維重建。以下討論三維重建方法，涉及流金裝飾物的建模僅以十三世達賴靈塔殿金頂建筑重建為例（參見圖1）。整個金頂建模的大體流程是：①拍攝各角度和細節照片，各裝飾物件正面和側面拍攝，有條件的還要有頂視圖和底視圖的拍攝;②通過照片分析建筑結構和各部分構件特點;③根據各構件特點，進行構件建模;④各部分紋理貼圖;⑤各部分組合、合并構成金頂主體結構模型。

圖1 ?十三世達賴靈塔殿金頂建筑

1 金頂重建數據的準備

1.1 拍攝影像

布達拉宮于1994年被列入《世界文化遺產名錄》，從2006年之后金頂區已禁止對外開放，要到達金頂區部拍攝影像已不可能。由于空中管制和布達拉宮所處的特殊地域等原因，采用低空遙感拍攝既要協同多個管理部門許可，也要花費高昂的費用，這對于有限的項目經費來說難以承受。而金頂建筑建模必須獲取真實外觀影像，以利于利用外觀結構進行三維建筑建模。在現有的條件下只有采取長焦鏡頭，盡量在布達拉宮附近選取較高位置點從各個角度拍攝影像，細節部分拍攝得越清楚越好;各獸件正面和側面拍攝，有條件還要有頂視圖和底視圖的拍攝。清晰的輪廓、外貌可以用于精細建模參考，紋理清晰的影像可以用于制作貼圖紋理。長焦鏡頭拍攝并不能獲取高大建筑頂部視圖全貌，還有一些受遮擋不能拍攝到的死角，好在目前在已出版的布達拉宮圖冊及相關資料上都可以收集到2006年前拍攝的金頂區照片，而且有一些非常清晰，這些圖片可以作為金頂建模影像的補充，是非常珍貴的資料[6，7，9]。

1.2 金頂建筑類型與測量

布達拉宮的金頂區建筑分為歇山式和六角攢尖式結構，其中靈塔殿之上五個金頂建筑為歇山式金頂，佛殿之上的為六角攢尖式金頂[6]。

關于金頂四角建筑矩形邊長的測量，由于布達拉宮管理的約束和條件限制，實地近距離測量是不可能的，我們采取的辦法有個兩方面，一是借助網絡地圖量測，如國家測繪地理信息局的天地圖、搜狐網的搜狗地圖和Google Earth，二是查閱文獻資料，利用比例尺測算，如文獻[6]。

根據文獻[6]353頁紅宮屋頂平面圖顯示五世達賴靈塔殿金頂、七世達賴靈塔殿金頂和十三世達賴靈塔殿金頂平面尺寸一致且結構特點一致，八世達賴靈塔殿金頂和九世達賴靈塔殿金頂平面尺寸一致且結構特點一致。我們只考慮十三世達賴靈塔殿金頂四角矩形邊長的量測。

根據文獻[6]315頁布達拉宮正立面圖和353頁紅宮屋頂平面圖比例尺測算，十三世達賴靈塔殿金頂長約13米，寬約10米，各裝飾部件的平面尺寸對照紅宮屋頂平面圖比例尺同樣可以測算。

建筑物高度以及各裝飾部件高度測量是比較困難的，我們在研究中成本比較低且有效的辦法還是依據文獻[6-7]中比例尺的測算，還有可以參考文獻[7]直接標出的各裝飾部件尺寸。

2 四面斜坡的屋面建模

由于金頂建筑為歇山式金頂，屋頂四面為斜坡屋面，金頂的建模首先對矩形長邊屋面建模，具體的過程是：①在前視圖創建一個NURBS矩形平面，按建筑房面調整好彎度;②在修改器中加入殼（Shell），內部量設為6;③再旋轉該矩形平面成適當角度，做鏡像操作得到矩形長邊屋面模型;④將矩形長邊屋面模型按尺寸比例縮小可以得到矩形短邊屋面模型。

三角頂部的建模比較簡單，不再詳述。所建基本模型如圖2所示。

圖2 ?金頂基本模型

3 金頂建筑裝飾部件建模

金頂建筑裝飾有多種鎏金部件，各部件都是精美絕倫的藝術珍品，必須重新塑造藝術作品。

3.1 蓮花瓶建模（塔式寶瓶）

金頂屋脊上裝飾的蓮花瓶是層次圓形結構，中間和下層還有花瓣，如圖3（a）所示，若不考慮花瓣，純圓形層次模型采用半邊勾畫輪廓，再用車削工具建模最合適。花瓣的建模單獨用圓球調整即可。以下是具體建模過程。

⑴ 在前視圖中插入蓮花瓶的實際圖片為背景，用畫線工具對照蓮花瓶背景圖勾畫半邊輪廓線，如圖3（a）所示。

⑵ 根據原圖可以加點和去點，進一步調整輪廓線，使之貼近原圖輪廓，平滑各點，得到半邊輪廓線，如圖3（b）所示。

⑶ 在修改器中選擇車削，再轉為可編輯網格，得到不帶花瓣的蓮花瓶，如圖3（c）所示。

⑷ 花瓣的建模是以圓球模型為基礎，調整長度、寬度，再適當增加彎度可以得到一個花瓣，其他采用復制即可完成建模，最后結果如圖3（d）所示。

3.2 鰲頭建模

鰲頭建模可以仿制人頭像建模，分成眼睛、龍鼻嘴、眉毛和臉部頭型建模等[10]。其方法是分別在前視圖和側視圖中創建鰲頭圖片等比例的正面圖和側面圖。根據鰲頭圖片勾勒線條建模。

（a） ? ? ? ? ? ? （b） ? ? ? ? ? ? （c） ? ? ? ? ? ? （d）

圖3 ?蓮花瓶建模示意圖

⑴ 首先在側視圖中創建模型的大體外形。為了確保建模的準確性，將側視圖布滿全屏，便于觀看細節。使用樣條線工具勾勒鰲頭外形。然后對各個頂點的屬性進行角點或貝茲角點等的設置，以保證樣條曲線平滑。但細節部分不宜摳得太細，如牙齒、胡須、眉毛、鰲角等都要放在最后制作。

⑵ 將點調整到符合鰲頭的外形之后，取消對樣條曲線頂點屬性的選擇;在編輯器中選擇擠出工具，并在前視圖中根據樣圖的需要對數值進行調整;為后續建模的需要，在擠出的樣條線編輯器中將caping選項中的cap start與cap end兩個選項勾選掉。

⑶ 進行具體模型的塑造，選中擠出的鰲頭輪廓將其轉換為可編輯的多邊形，進入線段級別，通過對線段復制進行鰲頭建模。所建模型如圖4所示。

圖4 ?鰲頭模型

注意，在建模的過程中需要像繪畫素描一樣，首先注意大的形體，在確保大形體準確的情況下再進行細部的調節。細部的調整一定要注意鰲頭本身的形體結構，對形體結構理解的正確與否直接決定了建模的成敗。

3.3 鳳頭建模

金頂建筑脊背兩端是鳳頭，頭上有角，面相長的像鷹又像龍，如圖1左上角。其建模的方法與鰲頭建模類似，分成眼睛、鷹嘴、耳朵、眉毛和臉部頭型建模等。建模的難點在于眼睛、鷹嘴、耳朵和臉部頭型，考慮到對稱性，頭部各部分的建模只考慮右邊，具體步驟如下。

3.3.1 眼睛建模

⑴ 在前視圖中插入正面頭像圖片為背景，在右視圖中插入右側面頭像圖片為背景。

⑵ 對準正面頭像的眼睛輪廓，用畫線工具沿眼睛輪廓最內框畫多邊形，再轉成“可編輯多邊形”。

⑶ 打開修改器列表，選擇“邊界”，再選擇“均勻縮放”，同時按下Shift鍵向外擴展，注意：必須是邊擴展，邊對照眼部輪廓，進行逐點、逐線段調整，同時在右視圖和頂視圖調整凹凸形狀，使其貼近眼部輪廓，直到擴展得到的線框正好能罩住背景圖的眼眶。

⑷ 打開修改器列表，加入“對稱”后得到一雙眼睛模型。

3.3.2 鷹嘴建模

⑴ 與眼睛建模的第一部分類似。

⑵ 在前視圖畫一個圓柱體，高度分段為4，端面分段為2，再將圓柱體轉換為“可編輯多邊形”。

⑶ 在前視圖將圓柱體“可編輯多邊形”套準鷹嘴上顎，分別在頂視圖和右視圖圍繞鷹嘴形狀調整點，反復經過調整，刪除點、移除點、焊接點、連接點操作，可得到鷹嘴上顎模型。鷹嘴下顎的建模與上顎類似。

3.3.3 耳朵和眉毛建模

耳朵和眉毛的建模與眼睛建模類似，此處略。

3.3.4 臉部頭型建模

⑴ 在前視圖中插入正面頭像圖片為背景，在右視圖中插入右側面頭像圖片為背景。

⑵ 在頂視圖畫一個球體，分段設為16，再對照右視圖和頂視圖，將球體套住背景圖。

⑶ 將球體轉為“可編輯多邊形”，分別觀察前視圖和右視圖背景的外部輪廓，根據輪廓調整“可編輯多邊形”上的點，直到球體形狀與背景外部輪廓基本吻合為止。

⑷ 參照背景圖，在頭部根據背景圖分別焊接眼睛、鷹嘴、耳朵和眉毛，調整點、線段和網格，使之與背景圖基本吻合。在修改器中的“細分曲面”欄選中“使用NURMS細分”可以光滑曲面。重建鳳頭模型如圖5所示。

圖5 ?鳳頭

3.4 共命鳥建模

根據我們手頭上所掌握的照片資料[6，7，11，12]及圖1，可以看出共命鳥是由人身、鳥腿兩種生物所組成的一只神獸。我們要考慮的是建模過程中如何才能將建模的難度降低;其次要考慮建模過程中的一些基本形體。

如何降低難度成為首要考慮的問題。經過對圖片的觀察，共命鳥從結構上講是左右對稱的神獸。但十三世達賴金頂上的共命鳥不僅是一個結構、姿態對稱的神獸，還是一個集形態、神態、姿態于一體，有自身獨特動作的模型。為了便于建模，在基礎建模完成后，可用基本共命鳥模型結合IK骨骼綁定完成最終的共命鳥模型。

建模過程中可以將模型大致分為：頭部、軀干和手臂、腿部和腳部、翅膀和鳥尾、飄帶。

⑴ 頭部：首先，創建一個正方體的box，并分別設置段數，再將box轉換成可編輯的多邊形，在前視圖中進入面級別下將左側的面刪除，再進行鏡像復制做出頭部的大形;然后，調整面部大形后就要對面部的鼻子、眼睛、嘴巴等進行細部塑造。

⑵ 軀體與手臂：將平面轉換成可編輯多邊形用來做胸部大致的樣子，用鏡像工具進行實例復制，進入可編輯多邊形的定點級別下進行形的調整;當胸部位置確定后，進入到邊級別下進行邊的復制，向上創建鎖骨、肩部及背后肩胛骨部分結構;用同樣的方法創建共命鳥軀干的肚子和背部;手臂部分的建模過程中因為胳膊與手掌之間的薄厚寬窄有別，所以在建模的過程中要用到縮放工具。

⑶ 腿部和腳部：用樣條線工具先繪制出所需要的閉合樣條線，共命鳥腳部的建模與手部建模相似，在面級別下進行細節部份擠出。

共命鳥的翅膀、尾巴、頭冠及飄帶部分與腿部制作方法相似，用樣條線勾勒出外形，擠出體積，調整頂點位置即可。

⑷ 通過上面的步驟完成了共命鳥的各部分模型，進入到可編輯的多邊形下將各部分模型附加為一個物體;然后將相鄰的頂點進行焊接，共命鳥的基本模型就完成了。

⑸ 最后，通過建立符合共命鳥模型的IK骨骼系統對共命鳥模型進行動作的調整。所見模型如圖6所示。

圖6 ?共命鳥模型

將金頂主體模型與各部件模型組合完成的十三世達賴靈塔殿金頂三維模型如圖7所示。

4 結束語

在高大建筑頂部拍攝或建筑測量受限制的條件下，以數碼相機長焦鏡頭拍攝的影像為建筑外觀形狀以及紋理貼圖的基礎，以文獻[6-7]中提供的比例尺測算的數據為建筑結構數據，采用3DS MAX為建模工具，進行了十三世達賴靈塔殿金頂的三維重建，得到了一套有效的古建筑金頂重建方法，在此方法基礎上，可以完成對其他金頂建筑的建模。十分可惜的是，由于無法獲取金頂建筑的部分細節影像，包括一些裝飾物清晰的影像，以致所建金頂模型不夠完整，精細度不夠;某些建筑裝飾物過于復雜，如四角上的鰲頭、鳳頭等，還需要研究進一步提高精細程度的重建方法。

圖7 ?十三世達賴靈塔殿金頂三維重建模型

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