机器视觉课题组

模式识别国家重点实验室

中国科学院自动化研究所

中国古代建筑三维重建

(本项目由国家自然科学基金、国家973计划、中国国家文物局资助)

       

研究意义

随着高分辨率数码相机的普及和互联网的高速发展,我们需要处理由此带来的海量无序的视频和图像数据。针对这类数据的特点,大场景三维重建技术面临两个新问题:一是全自动处理,即底层特征提取、匹配、系统自标定、点云重建的全自动化;二是大场景几何一致性,即需要处理超大规模(几百万,几千万变量)的非线性优化。

我们选取中国古代建筑为载体,对海量无序图像数据的大场景三维重建进行系统研究。中国古建结构复杂,重复纹理严重,拍摄视点受限,遮挡严重,是测试三维重建技术水平的“典型重建对象”。同时,发展文化创新产业是国家的重大战略,中国古建多为木质结构,很多在高山峻岭,需要基于图像的重建技术进行数字化保护。

中国古建三维重建的研究在进行文化保护和文化传播的同时,其核心技术可以推广到军事和民用的各个领域,在各种以图像为媒介的三维信息获取领域发挥核心作用。

应用背景

中国古代建筑具有悠久的历史传统和光辉的成就,但与欧洲和阿拉伯国家的石质古建筑不同,中国古建筑多为木质结构,并且辅以彩绘和雕刻,通常结构复杂精巧。中国古建筑具有丰富多彩的外形特征,如帝王宫殿、佛教庙宇、道教道观、私家园林等均有各自鲜明的特征。许多中国名山及其建筑群已被世界教科文组织认定为世界自然遗产,如五台山、武当山等,这些都代表了中国几千年来古代建筑艺术的最高成就。

然而中国古建筑的木质特征使得对其的保护面临巨大挑战。2008年汶川地震中,青城山大量重要古建筑受到损毁,六座大型庙宇完全倒塌,如图1中的东华殿和二王庙。2003年1月,一场大火焚毁了武当山具有600年历史的遇真宫主殿,图2为烧毁前后的遇真宫。

  

图1 震后的东华殿和二王庙

 

  

图2 大火前后的遇真宫主殿

对中国古代建筑进行三维数字化保护是对中国建筑精髓传承的重要手段,本项目通过基于图像的高精度三维重建技术获取古建筑物数字化三维模型,达到对这些珍贵的自然文化遗产进行数字化保护的目的。

部分重建结果

 

图3 大同云冈石窟(第二行图为重建结果)

 

图4 恒山悬空寺(最右列图为重建结果)

 

图5 应县木塔(最右列图为重建结果)

 

图6 颐和园石舫(第二行图为重建结果)

数据集

为帮助研究人员开展相关研究,我们提供一组中国古建筑三维重建数据集供非商业用途的研究使用。[Data]