基于三维实景重建的古建筑修缮工艺库构建与可视化方法与流程

本发明涉及古建筑修缮，尤其涉及一种基于三维实景重建的古建筑修缮工艺库构建与可视化方法。

背景技术：

1、古建筑非遗修缮技术（传统木工、瓦作、彩绘、榫卯、斗拱修缮等）多以师徒口传心授或零散文献形式存在，挖掘整理缺乏系统性；现有工艺库多为静态文本、简单视频，无法与古建筑具体构件实现语义级精准关联，也难以与已完成的三维实景重建模型、bim构件库及数字资产库深度融合，导致修缮指导效率低、非遗传承困难、无法满足古建筑数字运维平台的交互与全生命周期管理需求。

2、现有技术的基于视觉或激光扫描的三维模型生成方法主要通过图像特征提取与匹配或点云处理实现古建筑整体模型构建，但未涉及非遗修缮工艺的语义标注或构件级精准映射；古建筑数字化保护项目中采用bim技术建立的空间关联模型或修复系统，主要用于构件几何信息的记录和可视化展示，但工艺库仍停留在静态文本或简单多媒体形式；以及针对非遗手工艺的通用vr教学或演示系统，多用于单体工艺品的二维或简单三维动画展示，但缺乏与古建筑群实景模型的拓扑关系分析及bim模型的关联查询和版本管理联动。这些现有方案均未实现非遗修缮工艺步骤与三维实景模型具体构件的语义级精准映射，也未构建支持数字运维平台全生命周期应用的结构化工艺数据库。

3、现有技术的古建筑修缮工艺还存在以下缺点：

4、1、非遗修缮技术挖掘整理零散，无法形成结构化、可查询的知识体系，与实际建筑构件脱节。

5、2、现有工艺库多为静态文本或非交互视频，缺乏与三维实景重建模型的语义级映射，无法实现工艺步骤的动态可视化与虚拟仿真。

6、3、工艺库与bim模型、数字资产库之间缺少关联机制，无法支撑古建筑数字运维平台的巡检、维修和传承应用，导致实际修缮指导效率低下。

7、因此，需要提供一种基于三维实景重建的古建筑修缮工艺库构建与可视化方法，能够解决现有技术中非遗修缮技术系统性不足、数字化融合度低及交互性差的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于三维实景重建的古建筑修缮工艺库构建与可视化方法，能够解决现有技术中非遗修缮技术系统性不足、数字化融合度低及交互性差的问题。

2、本发明是这样实现的：

3、一种基于三维实景重建的古建筑修缮工艺库构建与可视化方法，包括以下步骤：

4、步骤1：通过工艺挖掘模块进行非遗修缮技术的挖掘与结构化整理；

5、步骤2：通过语义映射引擎进行工艺与三维实景模型的语义映射；

6、步骤3：提供一古建筑非遗修缮数字运维平台，用户通过古建筑非遗修缮数字运维平台进行可视化交互与工艺库深度联动管理。

7、所述的步骤1包括以下分步骤：

8、步骤1.1：多源非遗数据采集：通过研究经典文献、修缮工程实地勘察调研以及对非遗传承匠师进行结构化访谈与影像记录，系统性收集非遗修缮工艺要点、操作流程、材料选用及质量控制标准，形成结构化技术文档，并建立工艺特征知识库；

9、步骤1.2：构建工艺特征知识库与非遗工艺拓扑约束数据库：将采集的多源非遗数据进行标准化解析与多维属性解耦，生成结构化技术文档，并构建工艺特征知识库和非遗工艺拓扑约束数据库；

10、步骤1.3：获取工艺特征向量p：从工艺特征知识库中提取各个工艺步骤所作用构件的基准几何参数要求、形貌模板特征及容差范围，对其进行量化编码与特征归一化处理，生成标准维度的数值特征向量，即工艺特征向量p。

11、所述的步骤1.2中，工艺特征知识库包含工艺id、工艺名称、工序分类、步骤序列、材料参数及质量标准的属性字段；

12、非遗工艺拓扑约束数据库用于存储中国古建筑构件装配与修缮工法的固有拓扑逻辑规则，包括榫卯工艺中构件之间必须满足的“插入-锁定”拓扑约束、斗拱修缮中的“层叠-承托”拓扑约束、木构架中的“刚接/铰接邻接”约束以及瓦作中的“搭接-重叠”连续覆盖拓扑约束；

13、所述的步骤1.3中，工艺特征向量表示为p = [p1, p2, ..., pn]；其中，元素pi包括工艺对应的构件类别标识编码、目标加工面的基准长/宽/高比值、预期外包络尺寸容差、形状曲率参数及基准法向朝向，i=1，2，…，n。

14、所述的步骤2包括以下分步骤：

15、步骤2.1：获取构件几何特征g与空间拓扑关系t；

16、步骤2.2：执行双重语义标注算法。

17、所述的步骤2.1包括以下分步骤：

18、步骤2.1.1：对古建筑进行点云数据采集，生成三维实景重建模型以及参数化bim构件库；

19、步骤2.1.2：对三维实景重建模型进行构件级三维语义分割与独立实例化处理，得到独立建筑构件；

20、步骤2.1.3：提取独立建筑构件的三维最小外接包围盒，并获取三维最小外接包围盒的长、宽、高物理尺寸，计算构件局部及整体表面的点云三维空间坐标、法向量分布与主曲率特征；

21、步骤2.1.4：利用快速点特征直方图生成局部几何形状描述符，组合生成包含点云/网格坐标、尺寸及形状描述符的构件几何特征g；

22、步骤2.1.5：构建bim构件层级树，并解析bim构件层级树与三维最小外接包围盒之间的碰撞/邻接检测结果，提取构件对之间的实际空间拓扑关系t，并存储于预设的古建构件特征库中；

23、实际空间拓扑关系t包括空间相邻、面贴合、包含、装配嵌套及父子挂接关系。

24、所述的步骤2.2包括以下分步骤：

25、步骤2.2.1：将工艺特征向量p与构件几何特征g输入几何匹配模块，联合计算几何尺寸欧氏距离与形状描述符相似度，即几何匹配度，计算公式为：

26、

27、其中，w1+w2=1，d｛euclid｝表示尺寸特征维度的欧氏距离，cossim表示形状描述符的余弦相似度；

28、设定预设判定阈值，当且仅当几何匹配度sgeo>判定阈值时，判定为初步几何匹配成功，并将匹配结果传递给拓扑验证模块；若几何匹配度sgeo≤判定阈值时，则判定几何不匹配；

29、步骤2.2.2：拓扑验证模块提取初步几何匹配成功的候选构件对，调用步骤1.2构建的非遗工艺拓扑约束数据库，检查候选构件对之间的空间拓扑关系t是否满足该非遗修缮工艺所对应的拓扑约束条件；

30、若满足拓扑约束条件，则计算拓扑置信度stopo=1.0，若在装配轴向夹角偏差处于0°至15°之间、或接触面装配间隙处于0mm至10mm的预设容差范围内时，判定为部分容差满足拓扑约束条件，此时按照几何偏差程度在0.50至0.99的预设数值范围内按比例线性折减得到拓扑置信度stopo，若布满足拓扑约束条件，则置stopo=0；

31、步骤2.2.3：置信度计算与融合：通过融合算法对几何匹配度与拓扑置信度进行加权融合计算综合置信度，计算公式为：

32、；

33、若综合置信度满足设定阈值且拓扑关系不冲突，则执行步骤2.2.4，反之，执行步骤2.2.5；

34、步骤2.2.4：判定语义映射成功，输出工艺-构件关联数据集，工艺-构件关联数据集包括构件id、工艺id、映射算法名称、映射置信度及映射版本号；

35、步骤2.2.5：判定语义映射不成功，人工复核/匠师在线审核；

36、触发异常流转机制，将待匹配项提交至“人工复核/匠师在线审核”界面，由专业技术人员或匠师在线对映射偏差进行人工校正与标定，复核结果通过反馈优化通道反向修正工艺特征知识库中的工艺特征向量p及古建构件特征库的参数，并更新映射算法版本，形成动态迭代闭环。

37、所述的步骤3包括以下分步骤：

38、步骤3.1：vr三维可视化交互模拟；

39、步骤3.2：结构化非遗修缮工艺数据库管理、bim关联查询与深度联动。

40、所述的步骤3.1中，集成虚拟现实图形渲染引擎，导入三维实景重建模型、bim轻量化模型及工艺-构件关联数据集；

41、中央视窗中高亮渲染选中“可交互构件”，底部提供交互操作控制按键，包括“虚拟拆装”、“材料替换”与“旋转/步骤回放”。

42、所述的步骤3.2中，构建结构化非遗修缮工艺数据库，存储工艺-构件关联数据集；工艺-构件关联数据集的核心字段包括：关联id、工艺id、bim构件id、映射算法、映射置信度以及映射版本号；

43、制定双向关联查询机制，包括：

44、构件反查工艺：在古建筑非遗修缮数字运维平台的视窗中，用户通过光标拾取三维实景模型中的任意构件，系统基于bim构件id在工艺-构件关联数据集中进行索引，拉取并弹窗展示与该构件绑定的所有非遗工艺列表、分步修缮工序、质量标准及材料性能指标；

45、工艺正向定位构件：在结构化非遗修缮工艺数据库中检索某一特定非遗工艺，依据工艺-构件关联数据集自动在三维实景模型和实景场景中全局高亮闪烁对应的所有构件节点，实现工艺与空间实体构件的双向联动透视；

46、制定深度联动与数字资产库动态调用机制：工艺-构件关联数据集、三维实景模型与数字资产库之间建立双向深度联动链路；数字资产库中集中管理古建筑非遗修缮相关的多模态数字资产，包括不同病害及健康状态的高清材质贴画、非遗代表性传承人的匠师访谈/实操教学视频以及权威历史修缮档案与设计规范文档。

47、当用户在所述的古建筑非遗修缮数字运维平台中触发构件状态变更指令或点击特定工艺步骤时，通过深度联动与数字资产库动态调用机制发起资产调用指令：一方面根据构件受损等级和工艺步骤，从数字资产库中提取对应的高清材质贴画并实时替换赋予到三维实景模型的构件表面；另一方面实时从数字资产库中拉取该工艺步骤对应的匠师访谈/实操教学视频在侧边栏微窗同步播放，并调阅展示对应的历史修缮档案与设计规范文档，实现几何模型、工艺逻辑与多媒体数字资产三者之间的全维度深度协同联动。

48、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

49、1、本发明能够使古建筑非遗修缮的传承与应用效率显著提升：将零散的非遗工艺转化为可交互的三维可视化流程，修缮指导时间较传统静态手册或通用vr手工艺系统缩短75%以上（通过古建筑非遗修缮项目验证：采用传统方式平均指导时间为48小时，而采用本发明仅需12小时），支持远程培训与现场辅助。

50、2、本发明的数字化融合度高：能够实现非遗工艺与实际建筑构件的语义级精准映射（映射准确率可达到92%，较现有静态工艺库的准确率提升约37%），形成“工艺库-三维模型-数字资产库”联动体系，实现非遗修缮工艺与三维模型的语义级深度关联，非遗修缮技术系统性和数字融合度高，成果可直接服务于古建筑非遗修缮实践。

51、3、本发明的可复制性与实用性强：建立可管理、可查询的结构化非遗修缮工艺数据库，结构化非遗修缮工艺数据库和可视化交互方法可推广至其他古建筑群的非遗修缮项目中，为古建筑修缮提供科学指导，并为古建筑类数字运维平台提供工艺库支撑，直接建立含多项非遗修缮技术的结构化非遗修缮工艺数据库，显著提升修缮质量和非遗传承效率。