数据驱动的古建筑三维场景建模方法研究

20240108

信息传输、软件和信息技术服务业

前期工作中已积累古建筑三维模型数据库、古建筑二维图像数据库和古建筑文字描述数据库，已经对数据进行标准化处理，以支持后续实验研究。已实现数据驱动古建筑三维场景快速构建方法基本框架，所涉及三个阶段关键技术均有理论实验和数据验证支持。 1.基于草图的三维模型检索研究中，已实现基于传统几何特征的三维模型线画图提取算法，可用于三维模型投影二维线画图应用；已基于标准数据集训练了深度度量学习网络，可用于计算手绘草图和三维模型线画图之间的相似度计算。 2.古建筑结构部件分析理解研究中，已实现三维形状分析相关算法，包括三维点云局部几何特征提取算法，以及古建筑结构部件包围盒几何特征提取算法，可支持古建筑三维点云配准实践应用；已实现基于贝叶斯网络的古建筑结构部件关系分析和推理，支持结构部件相关性推荐；已实现古建筑结构部件空间距离优化算法，支持结构部件空间自动拼合。 3.古建筑模型快速布局研究中，已实现古建筑包围盒特征描述提取，以支持空间快速布局中能量约束函数定义；已实现改进模拟退火算法和RRT*自动寻路算法，可实现三维形状在场景中位置优化布局。 4.已基于OSG研发古建筑快速搭建平台，并在Unity引擎中开发基于AR和Leap Motion手势交互的古建筑三维数据展示系统。

项目提出一种数据驱动的古建筑三维场景快速构建方法，旨在解决VR、AR等三维模型应用场景中，古建筑三维建模成本高、效率低下等具体问题。研究成果可应用于对中国古建筑三维场景有快速建模需求的数字内容制作、古建筑文化遗产保护和修复、展示和宣传相关的项目开发、学术研究和其他相关领域。通过本研究方法的应用和推广，可以推动古建筑保护和研究领域的进步和发展。目前设想的合理成果转化路径包括： 1.研发面向如3Ds Max、Blender等三维建模软件，如Unity3D、UE等游戏引擎的集成插件，直接支持古建筑三维内容生成制作。 2.在古建筑文化遗产数字化保护领域应用课题研究成果，如在古建筑高精度三维扫描中利用研究的点云配准算法提高生成数据精度和效率，利用线画图提取算法直接生成考古线画图等。 3.研发面向博物馆的古建筑展示应用，如通过自然交互方式研发古建筑虚拟复原、结构部件搭建等三维展示应用，服务于博物馆叙事化、沉浸化和游戏化展陈设计，实现古建筑文化遗产数据的活化应用。 鉴于以上技术路线考虑，合作方在资金、场地和人员方面没有太多需求，但是在设备方面应能保障基本的高性能图形服务器计算环境，以提高成果转化效率。

可国（境）内外转让

目前行业内容采用成熟的几何建模工具，如3Ds Max、Maya、SketchUp 等，实现古建筑三维场景建模。这些软件面向的用户是具有设计和建模技术的专业人士，目前最常见的三维模型生产方式完全依赖于这些设计人员的人工建模，小到单体模型的每个细节，大到场景的组合布局，都需要专业美工人员在几何造型软件中手工交互建模实现。这个过程耗时费力，导致工程周期往往较长，人力成本过高，影响项目开发效率。传统三维建模方法在易用性、时效性和建模结果多样性方面都有很大局限，无法满足当前应用市场高效制作周期，以及非专业用户需求。项目提出的方法能够在分钟级时间成本内，快速生成基于古建筑数据库的新模型，这在对古建筑三维内容需求量较大的应用场景中具有较高的实用性，能够极大的提升建模效率，降低建模成本。 在古建筑文化遗产数字化保护应用中，项目研究的许多基础性工作都可转化为社会经济效益。如提出的点云处理算法可以提高古建筑三维扫描的精度和效率，三维线画图提取算法可以提高考古工作中的考古线图生成工作，自动生成高精度的科学考古数据。此外基于古建筑快速建模数据，可研发古建筑交互展示应用，不仅可以推动古建筑旅游和文化产业发展，还可促进古建筑相关的社会科学类学术研究，以及带动相关科技产业发展。这些预期效益不仅有助于提升我们对古建筑的理解和保护，更有助于推动社会和经济的发展。

北京市自然科学基金青年项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目提出一种数据驱动的古建筑三维场景建模方法技术框架，通过模型复用和快速布局实现古建筑场景快速生成，解决提出技术路线所涉及的三维形状分析、三维模型检索和场景布局优化等具体问题。 按照任务书要求，课题已完成基于草图的古建筑三维模型检索方法研究，解决其中的三维模型几何特征计算、线画图提取、相似性度量问题；已完成古建筑结构部件关系学习与推理方法研究，解决了三维形状描述、结构部件关系分析理解、三维模型合成问题；已完成古建筑三维场景布局和漫游路径自动生成方法研究，解决了场景模型特征描述、能量函数定义和优化求解问题。研究中实现了古建筑三维场景建模应用平台，并在小雁塔古建筑文物数字化保护真实项目中开展应用。 在项目研究中，发表相关研究论文11篇，其中SCI检索2篇，EI检索5篇，CSCD检索2篇，北大核心检索2篇。实验中开发了面向古建筑三维模型检索、古建筑单体结构部件分析与合成、古建筑场景布局实验验证程序，研发古建筑三维场景快速构建应用平台，以及基于AR交互的古建筑展示系统，申请软件著作权登记2项。 立足交叉学科应用场景，在艺工融合跨学科交叉融合领域进行探索，形成了具有长期发展潜力的研究团队。基于项目研究中，三维模型线画图提取部分的研究成果，实现古建筑中传统纹样的快速提取，支持后续设计实践。基于项目研究中，三维形状分析部分的研究成果，实现古建筑文化遗产数字化保护实践，完成小雁塔建筑文物高精度数字化采集、建筑虚拟复原和面向博物馆展陈应用的交互可视化研究。将提出的数据驱动古建筑快速建模方法推广至VR应用开发实践中，快速生成四合院和北京胡同三维场景和漫游路径，支持横向课题（龙顺成老字号木作榫卯VR交互体验系统）研发。 数据实验和实践应用证明，项目提出的方法可以有效提升古建筑三维场景生成效率，生成结果在VR、AR、元宇宙等三维场景开发需求中具有广阔的应用场景，具有进一步转化应用价值。