文献推荐 | 虚拟重建一座古老的废弃教堂

为较全面地展示文化遗产数字化保护的前沿技术，本课题组每周收集整理与文化遗产数字化保护相关主题参考文献，包括：虚拟修复、高光谱、风险评估、三维特征提取等进行精读，并通过公众号推送分享，欢迎老师与同学们提出宝贵的建议和推荐相关文献。

引用格式：

Gkintzou, Christina, et al. "Virtual reconstruction of the ancient state of a ruined church." Euro-Mediterranean Conference. Springer, Berlin, Heidelberg, 2012.

推荐理由：

三维虚拟模型可以代表现存的和已经被破坏建筑的遗产。这个项目是是15世纪西班牙拉里奥哈圣普鲁登西奥修道院教堂的三维重建和再现。今天，这座纪念碑完全成了一片废墟；因此，需要进行大规模的重建。这是不同科学领域密切合作的典范项目。现场收集了纪念碑本身及其周围更广泛区域的测量数据，以及建筑和考古数据。从目前的情况来看，不可能断定该纪念碑的确切形式、风格；因此，该项目的很大一部分是基于有可靠科学基础的假设。由于多源数据，有必要确定评估每个数据源的具体标准。

内容介绍：

1. 背景与意义

这是西班牙里奥哈省的圣普鲁登西奥修道院项目的一部分。该项目由巴斯克地区大学的一个学者小组开展，项目旨在通过所有适当的方法尽可能完整地记录整个修道院，长期目标是使该地区的居民和社区人都知道该纪念物的伟大历史。

本文研究了修道院教堂的三维虚拟复原与重建。根据可获得的历史资料和与考古学家和建筑师合作的重要信息，决定修复教堂在14-15世纪的样子。修复工作基于包括测量数据、数字表面模型(DSM)、正射影像和激光扫描仪点云。根据来源的可靠性对其进行评估，并相应地对数据进行分类。这样，最终的重建反映了各种可靠性等级，从而帮助潜在用户以更好的方式理解它。

图1. 圣普鲁登西奥修道院教堂，现状

2. 理论背景和方法

为了获得最终的3D模型，工作的主要阶段如下:

2.1 现状几何文件

记录当前的情况。获取数字图像，用于生成数字表面模型和正射影像，此外，还收集了测量数据和一些激光扫描仪数据。这些图像是从不同的角度拍摄的，目的是尽可能完整地记录各种剩余结构元素和墙上材料的相对位置。

图2.西墙的点云

创建DSM后，操作人员定义用于生成正射影像的合适参数，将用于生成正射影像的网格部分、投影平面，执行颜色插值的初始图像及其算法（图2,3）。为了3D建模和考古学家的需要，教堂被分成小部分，最后获得了10张正射影像，这些影像被合并到AutoCAD中。

图3. 东墙的正射影像

2.2 对15世纪纪念物形式和状态进行研究

决定按照过去某个特定时期(15世纪)的样子重建这座教堂，因为当时修道院正处于鼎盛时期。为了确定这座纪念碑当时的样子，对历史、宗教、考古和建筑文献进行了彻底的研究。这包括文章、描述、文献、图纸等。同时期和同地区的教堂由于建筑风格在特定时期和特定地区是相同的，因此也进行了研究。

2.3 数据编辑

DSM是一种有用的重建工具，因为它是一种3D产品（图4）。它提供与最终模型直接相关的3D信息。3D模型被用作直接构建3D图纸的基础。

图4.DSM上的3D绘图

正射影像非常重要，因为它们提供了测量能力。它们有助于测量投影平面上的尺寸。它们被用作背景，以便在它们每一个的投影平面上画出2D线(图5)。这些2D线后来使用DSM信息转换为3D线。经过适当的编辑后，它们被合并到最终的3D模型中。

图5.正射影像上绘制二维线条

2.4 多源数据的评估

很明显，一方面，收集的数据并不都属于目标时期，另一方面，今天并不是所有建立模型所需的数据都可用。因此，我们需要从前面的线框模型中仔细选择与研究时期相对应的数据，并用合适的假设来完成它们。这两项任务必须由考古学家和建筑师合作完成。

在这种情况下，基于其可靠性，开发了数据的层次结构。下表显示了评估每条数据的可靠性。例如，一幅画可能比在画家未知的情况更可靠。

如表2所示，考古和建筑专家的意见和假设被认为是最可靠的。同样，跨学科小组对其他各种来源进行了评估。书面来源在可靠性等级中较高，而图画和绘画具有较高程度的主观性，可靠性等级较低。测量和表面描述(DSM)以及正射影像处于中间位置，因为它们不仅仅描述重建的具体时代。

表1.数据的可靠性(1:最可靠；10:不太可靠)

根据数据来源的可靠性对数据进行分类后，纪念物的粗略模型就建立起来了。为了从粗略的模型过渡到更精确的模型，应该在第二个更详细的层次上检查数据。因此，最终的3D模型是通过考虑准确性标准而构建的。如图6，在这种情况下，有三个来源提供了关于教堂南墙上的弧形的信息。这些来源是从激光扫描仪数据中提取的相对DSM(浅蓝色线)、正射影像(黑线)和3D线图(黄线)。正如预期的那样，它们不一致，因为它们的精度不同。

图6. 不同来源的数据

2.5 虚拟重建

3D模型的构建基于所有上述数据及其评估。AutoCAD被选为构建平台，因为它提供了有效编辑矢量图(尤其是三维矢量图)的良好工具。此外，在最终的模型中没有应用纹理，因此矢量编辑软件是最理想的。

如前所述，建模的第一步是基于可用的组合和评估数据创建3D线性模型。根据专家的指示，绘制的教堂的最初草图如图7所示。这只是教会状况的简单概述。

图7.初始粗略三维模型

纪念物确切外观的知识总是不完整，因此，有些决策应该基于观察和假设。在建模阶段，为重建的决策提供了可靠的基础。像这样的决定总是经过考古学家和团队建筑师的讨论和批准。

例子如图8，在元素正射影像上绘制的阶段已经观察到弧的痕迹(用箭头示出),这些元素稍后将被转移到最终的3D模型。这些痕迹是在教堂的南面和西面的墙上观察到的。它们证明了第二个拱顶系统的存在。

图8.南墙和西墙的弧形痕迹

在创建了参考物体结构的总体框架后，添加了更复杂的装饰元素。例如，图9显示了南墙窗户细节。这个元素的当前状态被损坏，人们不能确定它的初始形状。因此，最终决定用基本标准绘制细节，以达到美观的效果(图10)。

图9.10.装饰细节

3. 结果

最终结果是一个3D虚拟模型，代表圣普鲁登西奥修道院教堂的虚拟重建，因为它最有可能是15世纪的结果，在图11中，教堂呈现出线性和表面的元素。

图11.三维模型构建的初始阶段

为了给最终模型一个元素的准确性水平的估计，决定在其上区分不同来源的元素。更具体地说，每种元素都有不同的色调，这取决于它的来源。由于源具有不同的准确度，每个源被决定由相同主色的不同色调呈现，在本例中为红色。颜色越深，元素的位置越准确（图12）。

图12. 模型

4. 思考

就数据管理而言，应注意对多源数据的仔细归档。由于不同科学家之间的合作和数据交换，需要仔细归档。为了做出最佳决策和创造良好的结果，数据评估非常重要。建议:

（1） 在某些情况下，对图纸的精确修正会导致时间损失。因此，最好在模型上留下一些模糊，或者用其他不太精确的方法纠正，而不是从头重新创建。建议考虑是否应该进行校正，同时考虑准确性和时间标准。

（2） 建议在最终的虚拟模型之后，对其元素的准确性和可能性进行解释。解释可以是一个文本，也可以直接通过这个项目中的模型来表达。

（3）也许这项工作最重要的结论是，精确的几何文件为工程师们提供了仔细观察数据和研究的机会，从而发现被毁坏的过去的秘密。

来源期刊：Springer-Verlag Berlin Heidelberg