古建筑布达拉宫金顶三维重建方法

摘 要： 以布达拉宫十三世达赖灵塔殿金顶建筑三维重建为例，探讨了灵塔殿金顶建筑建模的技术方法，特别是灵塔殿金顶建筑脊饰如鳌头、共命鸟、莲花宝瓶等的建模方法，研究了利用地面拍摄影像图构建单体建筑模型及各装饰部件精细建模的方法，以实现低成本完成古建筑的数字化三维重建。

关键词： 古建筑; 布达拉宫; 金顶建筑; 三维重建

中图分类号：TP317 文献标志码：A 文章编号：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

古建筑的数字化三维重建是文物保护的重要手段，文献[1-3]介绍了三维重建方法，其核心都是建立在CAD数据、GIS数据及清晰照片的基础上建模。文献[4]针对特定的三维建模对象，研究了基于无人机影像的自动化三维重建方法，更多是从算法的角度去研究三维重建问题。布达拉宫有其特殊的建筑特点，整个建筑群依山势而建，建筑物宏伟高大，最高佛堂处海拔3767.19米[5]，是国内外许多古建筑不能比拟的。布达拉宫最上一层还有金顶区，排列着七座覆盖在灵塔殿和佛殿之上的鎏金屋顶，每座金顶上有许多鎏金装饰（如八吉祥、共命鸟、塔式宝瓶及龙凤呈祥等），每件鎏金装饰都是艺术精品，蕴涵着艺术家的智慧和创造，有着极高艺术价值[6-8]。因此，其三维重建有其独特之处：①没有现成的CAD数据、GIS数据可以使用;②由于空中管制、条件和资金的限制不能采用测量设备实地测绘，包括无人机测量与拍摄影像;③每一件鎏金装饰三维重建都是艺术再现。

基于以上因素本文三维重建的研究只能考虑在低成本条件下如何获取高大建筑顶部单体建筑测量数据的方法;从现有文献资料中获取一些建筑物及装饰物件的数据和影像资料;研究如何利用拍摄影像图构建单体建筑模型及装饰物三维建模，以达到在低成本的情况下完成古建筑三维重建。以下讨论三维重建方法，涉及流金装饰物的建模仅以十三世达赖灵塔殿金顶建筑重建为例（参见图1）。整个金顶建模的大体流程是：①拍摄各角度和细节照片，各装饰物件正面和侧面拍摄，有条件的还要有顶视图和底视图的拍摄;②通过照片分析建筑结构和各部分构件特点;③根据各构件特点，进行构件建模;④各部分纹理贴图;⑤各部分组合、合并构成金顶主体结构模型。

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图1 十三世达赖灵塔殿金顶建筑

1 金顶重建数据的准备

1.1 拍摄影像

布达拉宫于1994年被列入《世界文化遗产名录》，从2006年之后金顶区已禁止对外开放，要到达金顶区部拍摄影像已不可能。由于空中管制和布达拉宫所处的特殊地域等原因，采用低空遥感拍摄既要协同多个管理部门许可，也要花费高昂的费用，这对于有限的项目经费来说难以承受。而金顶建筑建模必须获取真实外观影像，以利于利用外观结构进行三维建筑建模。在现有的条件下只有采取长焦镜头，尽量在布达拉宫附近选取较高位置点从各个角度拍摄影像，细节部分拍摄得越清楚越好;各兽件正面和侧面拍摄，有条件还要有顶视图和底视图的拍摄。清晰的轮廓、外貌可以用于精细建模参考，纹理清晰的影像可以用于制作贴图纹理。长焦镜头拍摄并不能获取高大建筑顶部视图全貌，还有一些受遮挡不能拍摄到的死角，好在目前在已出版的布达拉宫图册及相关资料上都可以收集到2006年前拍摄的金顶区照片，而且有一些非常清晰，这些图片可以作为金顶建模影像的补充，是非常珍贵的资料[6，7，9]。

1.2 金顶建筑类型与测量

布达拉宫的金顶区建筑分为歇山式和六角攒尖式结构，其中灵塔殿之上五个金顶建筑为歇山式金顶，佛殿之上的为六角攒尖式金顶[6]。

关于金顶四角建筑矩形边长的测量，由于布达拉宫管理的约束和条件限制，实地近距离测量是不可能的，我们采取的办法有个两方面，一是借助网络地图量测，如国家测绘地理信息局的天地图、搜狐网的搜狗地图和Google Earth，二是查阅文献资料，利用比例尺测算，如文献[6]。

根据文献[6]353页红宫屋顶平面图显示五世达赖灵塔殿金顶、七世达赖灵塔殿金顶和十三世达赖灵塔殿金顶平面尺寸一致且结构特点一致，八世达赖灵塔殿金顶和九世达赖灵塔殿金顶平面尺寸一致且结构特点一致。我们只考虑十三世达赖灵塔殿金顶四角矩形边长的量测。

根据文献[6]315页布达拉宫正立面图和353页红宫屋顶平面图比例尺测算，十三世达赖灵塔殿金顶长约13米，宽约10米，各装饰部件的平面尺寸对照红宫屋顶平面图比例尺同样可以测算。

建筑物高度以及各装饰部件高度测量是比较困难的，我们在研究中成本比较低且有效的办法还是依据文献[6-7]中比例尺的测算，还有可以参考文献[7]直接标出的各装饰部件尺寸。

2 四面斜坡的屋面建模

由于金顶建筑为歇山式金顶，屋顶四面为斜坡屋面，金顶的建模首先对矩形长边屋面建模，具体的过程是：①在前视图创建一个NURBS矩形平面，按建筑房面调整好弯度;②在修改器中加入壳（Shell），内部量设为6;③再旋转该矩形平面成适当角度，做镜像操作得到矩形长边屋面模型;④将矩形长边屋面模型按尺寸比例缩小可以得到矩形短边屋面模型。

三角顶部的建模比较简单，不再详述。所建基本模型如图2所示。

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图2 金顶基本模型

3 金顶建筑装饰部件建模

金顶建筑装饰有多种鎏金部件，各部件都是精美绝伦的艺术珍品，必须重新塑造艺术作品。

3.1 莲花瓶建模（塔式宝瓶）

金顶屋脊上装饰的莲花瓶是层次圆形结构，中间和下层还有花瓣，如图3（a）所示，若不考虑花瓣，纯圆形层次模型采用半边勾画轮廓，再用车削工具建模最合适。花瓣的建模单独用圆球调整即可。以下是具体建模过程。

⑴ 在前视图中插入莲花瓶的实际图片为背景，用画线工具对照莲花瓶背景图勾画半边轮廓线，如图3（a）所示。

⑵ 根据原图可以加点和去点，进一步调整轮廓线，使之贴近原图轮廓，平滑各点，得到半边轮廓线，如图3（b）所示。

⑶ 在修改器中选择车削，再转为可编辑网格，得到不带花瓣的莲花瓶，如图3（c）所示。

⑷ 花瓣的建模是以圆球模型为基础，调整长度、宽度，再适当增加弯度可以得到一个花瓣，其他采用复制即可完成建模，最后结果如图3（d）所示。

3.2 鳌头建模

鳌头建模可以仿制人头像建模，分成眼睛、龙鼻嘴、眉毛和脸部头型建模等[10]。其方法是分别在前视图和侧视图中创建鳌头图片等比例的正面图和侧面图。根据鳌头图片勾勒线条建模。

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（a） （b） （c） （d）

图3 莲花瓶建模示意图

⑴ 首先在侧视图中创建模型的大体外形。为了确保建模的准确性，将侧视图布满全屏，便于观看细节。使用样条线工具勾勒鳌头外形。然后对各个顶点的属性进行角点或贝兹角点等的设置，以保证样条曲线平滑。但细节部分不宜抠得太细，如牙齿、胡须、眉毛、鳌角等都要放在最后制作。

⑵ 将点调整到符合鳌头的外形之后，取消对样条曲线顶点属性的选择;在编辑器中选择挤出工具，并在前视图中根据样图的需要对数值进行调整;为后续建模的需要，在挤出的样条线编辑器中将caping选项中的cap start与cap end两个选项勾选掉。

⑶ 进行具体模型的塑造，选中挤出的鳌头轮廓将其转换为可编辑的多边形，进入线段级别，通过对线段复制进行鳌头建模。所建模型如图4所示。

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图4 鳌头模型

注意，在建模的过程中需要像绘画素描一样，首先注意大的形体，在确保大形体准确的情况下再进行细部的调节。细部的调整一定要注意鳌头本身的形体结构，对形体结构理解的正确与否直接决定了建模的成败。

3.3 凤头建模

金顶建筑脊背两端是凤头，头上有角，面相长的像鹰又像龙，如图1左上角。其建模的方法与鳌头建模类似，分成眼睛、鹰嘴、耳朵、眉毛和脸部头型建模等。建模的难点在于眼睛、鹰嘴、耳朵和脸部头型，考虑到对称性，头部各部分的建模只考虑右边，具体步骤如下。

3.3.1 眼睛建模

⑴ 在前视图中插入正面头像图片为背景，在右视图中插入右侧面头像图片为背景。

⑵ 对准正面头像的眼睛轮廓，用画线工具沿眼睛轮廓最内框画多边形，再转成“可编辑多边形”。

⑶ 打开修改器列表，选择“边界”，再选择“均匀缩放”，同时按下Shift键向外扩展，注意：必须是边扩展，边对照眼部轮廓，进行逐点、逐线段调整，同时在右视图和顶视图调整凹凸形状，使其贴近眼部轮廓，直到扩展得到的线框正好能罩住背景图的眼眶。

⑷ 打开修改器列表，加入“对称”后得到一双眼睛模型。

3.3.2 鹰嘴建模

⑴ 与眼睛建模的第一部分类似。

⑵ 在前视图画一个圆柱体，高度分段为4，端面分段为2，再将圆柱体转换为“可编辑多边形”。

⑶ 在前视图将圆柱体“可编辑多边形”套准鹰嘴上颚，分别在顶视图和右视图围绕鹰嘴形状调整点，反复经过调整，删除点、移除点、焊接点、连接点操作，可得到鹰嘴上颚模型。鹰嘴下颚的建模与上颚类似。

3.3.3 耳朵和眉毛建模

耳朵和眉毛的建模与眼睛建模类似，此处略。

3.3.4 脸部头型建模

⑴ 在前视图中插入正面头像图片为背景，在右视图中插入右侧面头像图片为背景。

⑵ 在顶视图画一个球体，分段设为16，再对照右视图和顶视图，将球体套住背景图。

⑶ 将球体转为“可编辑多边形”，分别观察前视图和右视图背景的外部轮廓，根据轮廓调整“可编辑多边形”上的点，直到球体形状与背景外部轮廓基本吻合为止。

⑷ 参照背景图，在头部根据背景图分别焊接眼睛、鹰嘴、耳朵和眉毛，调整点、线段和网格，使之与背景图基本吻合。在修改器中的“细分曲面”栏选中“使用NURMS细分”可以光滑曲面。重建凤头模型如图5所示。

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图5 凤头

3.4 共命鸟建模

根据我们手头上所掌握的照片资料[6，7，11，12]及图1，可以看出共命鸟是由人身、鸟腿两种生物所组成的一只神兽。我们要考虑的是建模过程中如何才能将建模的难度降低;其次要考虑建模过程中的一些基本形体。

如何降低难度成为首要考虑的问题。经过对图片的观察，共命鸟从结构上讲是左右对称的神兽。但十三世达赖金顶上的共命鸟不仅是一个结构、姿态对称的神兽，还是一个集形态、神态、姿态于一体，有自身独特动作的模型。为了便于建模，在基础建模完成后，可用基本共命鸟模型结合IK骨骼绑定完成最终的共命鸟模型。

建模过程中可以将模型大致分为：头部、躯干和手臂、腿部和脚部、翅膀和鸟尾、飘带。

⑴ 头部：首先，创建一个正方体的box，并分别设置段数，再将box转换成可编辑的多边形，在前视图中进入面级别下将左侧的面删除，再进行镜像复制做出头部的大形;然后，调整面部大形后就要对面部的鼻子、眼睛、嘴巴等进行细部塑造。

⑵ 躯体与手臂：将平面转换成可编辑多边形用来做胸部大致的样子，用镜像工具进行实例复制，进入可编辑多边形的定点级别下进行形的调整;当胸部位置确定后，进入到边级别下进行边的复制，向上创建锁骨、肩部及背后肩胛骨部分结构;用同样的方法创建共命鸟躯干的肚子和背部;手臂部分的建模过程中因为胳膊与手掌之间的薄厚宽窄有别，所以在建模的过程中要用到缩放工具。

⑶ 腿部和脚部：用样条线工具先绘制出所需要的闭合样条线，共命鸟脚部的建模与手部建模相似，在面级别下进行细节部份挤出。

共命鸟的翅膀、尾巴、头冠及飘带部分与腿部制作方法相似，用样条线勾勒出外形，挤出体积，调整顶点位置即可。

⑷ 通过上面的步骤完成了共命鸟的各部分模型，进入到可编辑的多边形下将各部分模型附加为一个物体;然后将相邻的顶点进行焊接，共命鸟的基本模型就完成了。

⑸ 最后，通过建立符合共命鸟模型的IK骨骼系统对共命鸟模型进行动作的调整。所见模型如图6所示。

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图6 共命鸟模型

将金顶主体模型与各部件模型组合完成的十三世达赖灵塔殿金顶三维模型如图7所示。

4 结束语

在高大建筑顶部拍摄或建筑测量受限制的条件下，以数码相机长焦镜头拍摄的影像为建筑外观形状以及纹理贴图的基础，以文献[6-7]中提供的比例尺测算的数据为建筑结构数据，采用3DS MAX为建模工具，进行了十三世达赖灵塔殿金顶的三维重建，得到了一套有效的古建筑金顶重建方法，在此方法基础上，可以完成对其他金顶建筑的建模。十分可惜的是，由于无法获取金顶建筑的部分细节影像，包括一些装饰物清晰的影像，以致所建金顶模型不够完整，精细度不够;某些建筑装饰物过于复杂，如四角上的鳌头、凤头等，还需要研究进一步提高精细程度的重建方法。

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图7 十三世达赖灵塔殿金顶三维重建模型

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