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古蹟建築數位化整合新趨勢

Tags: none 發表: 2009-03-17, 點閱: 6,225 , 加入收藏櫃 , 列印 列印 , 轉寄 轉寄

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圖‧文/中國科技大學 閻亞寧、楊文斌

一、摘要

 

  古蹟建築保存數位化的過程是文化資產保存中極待加強的重點技術,然而綜觀近年古蹟建築相關之數位典藏計畫中,多採取傳統且費時的建構方式,諸如對實體建築物皆以照像或人工測繪的方式,並透過來建立數位檔案資料。

 

  古蹟文化建築等資料數位化已是國際上的新趨勢,如2008年韓國第一號國寶崇禮門燒毀塌落,第一時間即使用3D雷射掃瞄儀作災後資料的精準紀錄,不同以往傳統測繪的人力測量費時且容易發生的人為錯誤。

 

  本計畫透過逆向工程的方式來探討數位化的建構,並將具有快速以及測量精度準確之3D雷射掃描儀擷取點雲數位檔格式(Point Cloud)的特性,將之導入逆向工程軟體Rapidform XOR2處理點雲資料,藉此提高古蹟建築尺寸在數位化過程中的精度,並完成建構數位3D模型以及2D平面圖的技術工作,具有紀錄、比對之依據,更可能產生數位加值的後續效用。

 

  透過逐年工作,有效解決相關技術問題,藉由推動國家古蹟及歷史建築之數位保存記錄與3D雷射數位掃描技術研發與整合,達到國家文化資產保存的特色、推廣發展並與國際接軌。

二、古蹟建築數位典藏

 

      隨著電腦科技日新月異,數位技術已然開始改變傳統的保存模式和方法,除了檔案格式的不同之外,檔案類型亦有所增加,照相測量的技術、虛擬實境的應用、數位影像和3D模型建構、網際網路流通平台等,無一不對過去的保存觀念注入新的做法。科技所帶來的便利,倘能夠善加利用,必定可以突破很多過去傳統保存上的缺失,將古蹟建築的保存工作效益和品質大幅度提升。

 

      本計畫以台北縣境內的古蹟建築共55處為標的對象(已取得台北縣政府授權書),就建築外觀屋脊、外部屋簷、外牆細部等整體掃瞄,建立數位資料,並以後端資料處理達到紀錄典藏目的。本計畫具有開發古蹟建築數位化系統、數位化建築物3D資料與外觀影像時空監測資料建立、古蹟資料查詢等效益。

 

1.3D雷射掃瞄紀錄典藏技術研究

 

     長距離雷射掃描器屬於非接觸式與非破壞性的量測系統,可以避免接觸受測物形成壓力而產生破壞行為,也可減少量測所需的時間;這是一種逆向工程的技術,目的是以更快速、準確的方法量測曲面(曾秉儒,2000)。3D掃描所取得的資料直接來自於建築本體,所獲得的點雲(point of coluds)具有即時記錄、實況記錄的特性(Goldberg,2001),依此方式所建立的數位化化施工過程應該是比較精確而且值得信賴的(Bjoerk,1993;Shih,2002;Shih,2003)。

 

      國內目前3D雷射掃瞄工作多使用單一雷射掃瞄器來作初步紀錄,然而古蹟建築的完整紀錄必須透過不同解析度之3D雷射掃瞄儀,並針對不同標的部位作記錄典藏,目前本單位擁有之3D雷射數位掃描儀,為國內最先進的規格,包含長距離Riegl LMS-z420i、中距離Leica ScanStation 2與短距離Faro Laser Scanner Photon80,故在不同解析度、精準度、掃描標準作業流程、古蹟種類、檔案格式的因素下,如何作有效整合且不失其精準度是目前重要的整合議題,其主要技術為多台掃瞄器之資料串流技術整合、3D點雲轉檔技術、覘標設置技術研發等研究。

 

  以本計畫所使用的長距離Reigl LMS-z420i(圖1),有效的掃描距離達1000公尺以上,並搭配高畫質單眼數位相機組合,精密度最小可至5mm,為目前國內量測距離最長,精度最高之3D雷射掃描器,極為適用於需高精密度測繪。藉掃描專案視景的管理模式建置,利用其他輔助結合參考點,即可進行掃描專案的結合動作,使掃描結果得以連續不間斷。

圖1 RIGEL LMS-Z420i

圖2 Faro Laser Scanner Photon80

 

      為了考量操作的便捷性,本計畫增加了輕便的Faro Laser Scanner Photon80掃瞄儀,有效距離80公尺,精度為3mm,具有輕量(14.5Kg)與較快速(120000點/秒)的優點(圖2),經測試後已能妥善發揮功能。

 

 

2. 國內外應用案例

(1)國內案例

      近期數位典藏之計畫已有許多關於古蹟建築相關的數位典藏研究,其內容如表1所示,由內容可看出以往數位化典藏技術多集中於傳統的建構方式,因時間因素導致資料多不夠完整或案例偏少之情況。

表1 國科會2002-2008年建築相關數位典藏計畫研究比較(楊文斌等,2007) 

 

計畫名稱

照片介紹

2D圖面

3D模型

其他

虛擬實境

3D建置方式

教育部創造力教育中程發展計畫-府城現代經典十大建築,2004

http://thmda.hku.edu.tw

 

 

專家影片導覽

照片環場

 

淡水古蹟博物館數位典藏計畫,2008

http://mail.tku.edu.tw/094152/tavc/

 

 

3D環場影片

傳統

台灣建築史,2006  http://www.dm.ncyu.edu.tw/

 

 

搜尋

功能

照片環場

 

臺灣3D城市建築數位資料庫與技術服務創意加值計畫,2003

http://www.arch.nctu.edu.tw/projects/3dmuseum/

 

 

傳統

臺灣古蹟巡禮,2002 http://dnastudio.ckitc.edu.tw/dm/

 

 

搜尋

功能

3D環場

傳統

台北市大龍峒保安宮數位保存以正殿大木構為例,2003

http://140.118.29.109/

 

 

點雲

模型

搜尋

功能

 

逆向

鹿港龍山寺大木數位典藏計畫,2007  http://210.66.188.182/lungshan/

 

 

搜尋

功能

照片環場

 

台南古蹟數位典藏,2007

 

 

搜尋

功能

照片環場

 

台北縣古蹟建築,2008

http://140.126.75.27/

 

點雲及3D模型

搜尋

功能

3D

虛擬

逆向

(2)國外案例

 

       崇禮門係大韓民國首都首爾中區一道城門,1962年12月20日指定為韓國第1號國寶,而今 崇禮門時常稱做南大門(남대문),係首爾乃至韓國一處重要地標建築。為首爾留存時間最久之木構建築。1398年李氏朝鮮時代建成,1448年改建。韓戰期間,崇禮門受到破壞,1962年又接到修復過。2008年2月10號,崇禮門著火,上半部木構造樓閣嚴重燒毀。

 

       崇禮門即時透過3D雷射掃瞄儀作數位化保存,使用Riegl LMS-z390與Leica HDS-3000 3D雷射掃描儀(註一),將掃描成果將點雲描繪與尺寸的標註作為保存的基礎資料,如表2所示。

 

表2  崇禮門數位化保存成果(韓國國立文化遺產研究所,2008)

 

 

 

3D

    

   

2D

  

註一:Riegl LMS-z390與Leica HDS-3000為早期機型,本計畫使用之Reigl LMS-z420i與 Leica ScanStation 2 3D雷射掃瞄器為目前最新的高階機種。

 

 

3.3D雷射掃瞄標準作業流程

      針對古蹟所需的主要步驟首先為設定覘標點,在同一視角範圍必須能涵蓋三點覘標點,可提高點雲組合的精確度,其次依照雷射掃描儀之位置做360度的初步掃描,以及對於標的物作細部掃描,最後能得到標的物的點雲資料,其流程如圖3所示。

 

      覘標點設置                                 3D掃描                                      數位點雲資料紀錄

 

圖3 古蹟3D掃描主要流程

圖4 3D雷射掃瞄標準作業流程

 

 

4.3D模型建構逆向工程作業流程

 

      本案例透過3D雷射掃描器來擷取小白宮數位資訊,並經由Rapidform XOR2以匯入CAD檔案格式,並依據點雲的數量及雜點進行篩減後進行編輯,然而相較於工業產品上的掃描程序,建築物較容易產生點雲破面的情形發生,因此在點雲匯入的過程中產生破面的情形,可經由補面的工具來進行補面。

 

      完成上述工作程序後,可藉由面的分析可瞭解點雲的外觀輪廓以及面的組成範圍及方向,操作者可以藉由面的資料以及描繪工具來完成參考線段,而當曲面較為複雜時也可透過3D描繪工具繪製完成,最後可透過參考線的建立進行3D實體模型的建構以及透過軟體功能做3D點雲資料及實體模型重疊顯示,進行模型的觀察與分析之工作,上述流程如圖5所示。

 

            點雲處理                                             面分析                                                       模型建構

圖5 3D模型建構逆向工程作業流程

 

      由於Rapidform XOR2目前無法進行材質的貼圖工作,必須將實體模型輸出到其他3D軟體進行貼圖的程序,Rapidform XOR2軟體輸出的檔案,具有參數化功能的優點,並配合本身軟體的功能,可輸出至另項軟體平台如CATIA、Pro/ENGINEER及SolidWorks等參數化軟體進行貼圖及編輯,而不會失去原有建構流程之資訊。 

 

 

5.資訊檢索系統與虛擬導覽 

      由於數位典藏資料的數量可能因時間累積而不斷成長,使得瀏覽與選取資料變得越來越困難,因此藉資訊檢索系統提供更友善的使用介面,幫助瀏覽者尋找所需的典藏資料。本計畫之網站部份主要任務為根據後設資料(Metadata)以及數位化後的典藏資料發展資訊檢索系統,讓網路使用者得以搜尋到所需的典藏資料並使用。系統結合圖文導覽系統部份連結至Google map使觀眾可以了解歷史建物與周邊相關地理位置(圖6)。

 

圖6 台北縣古蹟建築數位典藏資訊檢索系統

 

     3D虛擬實境系統能讓使用者欣賞到360度虛擬實境的古蹟建築,使用者得以操控欣賞的角度,也可以決定觀看古蹟建築的遠近,如圖7所示。

 

圖7 導覽系統

 

 

三、成果展示

       古蹟調查與3D雷射掃瞄分別為:前清淡水關稅務司官邸衙署、菁桐車站,整理相關成果圖如表3、表4。

表3 前清淡水關稅務司官邸衙署(小白宮)成果圖

表4 菁桐車站成果圖

 

 

四、結論與未來工作

 

      傳統測繪方式雖可以人工方式繪製建築圖,但經由逆向工程參數化軟體的功能,可將3D實體模型快速轉換2D輪廓圖面,更加方便進行描繪的動作與轉換,逆向工程軟體能確實提高傳統測繪的精確度,經由掃描的完整度,建構精準度高的3D實體模型,並藉由虛擬導覽系統可讓使用者了解其3D空間資訊,強化學術與實務上的結合,使古蹟建築能利用數位科技更完整與安全的保存,也期待數位科技能將加值於傳統文化上。

 

       進而推動國家古蹟及歷史建築之數位保存記錄與3D雷射數位掃描技術研發與整合,達到國家文化資產保存的特色、推廣發展並與國際接軌。期待對目前台灣的古蹟建築保存與修復,及時留下可參考的資料,並對保存術教育的推廣及數位科技等學術研究有所貢獻。

 

 

參考文獻

1.Bjork, B.C.,“A Case Study of A National Building Industry Strategy for Computer Integrated Construction,” International Journal of Construction Information Technology, 1993.

2.Goldberg, H.E.,“Scan Your Would with 3D Lasers”, CADALYST Magazine, pp.20-28, 2001.

3.Shih, N.J.,“The Application of a 3D Scanner in the Representation of Building Construction Site”, Proceedings of International Symposium on Automation and Robotics in Construction, 19 (ISARC), National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, pp.337-342, 2002.

4.楊文斌、鄭鴻銘、游政憲、陳敏彬、陳昶良、閻亞寧,《數位化技術於文化資產保存之程序初探》,數位典藏品質管理研討會,2007/11

5.韓國國立文化遺產研究所,崇禮門,韓國,2008/

 










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引用通告

1 人回應 “古蹟建築數位化整合新趨勢”

  1. construction lasers Says:

    construction lasers…

    After I read 拓展台灣數位典藏 ” Blog Archive ” 古蹟建築數位化整合新趨勢, I got some good idea for construction lasers! Thanks for sharing….

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