CN101567030A - 构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法，根据建筑物图纸信息进行计算机三维建模生成计算机图形，根据生成的计算机图形输出虚拟现实建模语言VRML文件，对VRML格式文件的处理；进行数据库设计，数据库设计完成后进行网页的页面设计、木结构功能模块、病害功能模块和连接关系功能模块设计，最后，将处理过的VRML文件与系统HTML页面、木结构模块、病害模块和连接关系模块进行交互，实现古代建筑木结构虚拟修复，三维建模和信息保护各项任务。

Description

构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术在古代建筑保护的应用研究，特别涉及一种构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法。

现有技术

目前我国古代建筑木结构保护维修工作大多沿用传统的手工抄写和纸质文本存档的方法，科技含量不足，不但耗费大量的人力物力，而且不易长久保存信息，导致古建筑木结构的保护维修工作遇到一定的困难，流传多年的古建筑维修技术水平有明显下降甚至失传的趋势。

古建筑保护维修的质量与周期也越来越不理想。另外，随着对文化遗产保护修复理念认识的提高深入，具有典型性、代表性古代建筑的原真性保护维修越来越重要，但是目前这方面的研究还比较薄弱，存在很多技术难题。这些问题与我国目前大量古代建筑保护维修的需求相比很不相称，并影响着古代建筑保护修复的水平。经查阅，国内目前还没有把虚拟现实和互联网等技术应用在古代建筑木结构保护修复工作中，所以建立古建筑木结构的计算机虚拟仿真和保护修复是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种古代建筑木结构虚拟保护修缮系统，该系统通过建立三维立体模型和模拟修复技术，提高古代建筑保护修复的安全性和可靠性，降低古代建筑修复的风险和工作量。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明以古建筑的多项数据信息为基本素材，在古代建筑保护的研究领域中运用虚拟现实技术、三维立体建模和JAVA WEB技术设计并实现古代建筑木结构虚拟保护和修复系统。具体步骤如下：

首先，根据建筑物图纸信息进行计算机三维建模生成计算机图形，根据生成的计算机图形输出虚拟现实建模语言VRML文件，在VRML格式文件中添加事件和触发器来响应用户请求，完成对VRML格式文件的处理；

其次，根据建筑物的结构信息，病害信息和修复信息进行数据库设计，数据库设计完成后进行网页的页面设计、木结构功能模块、病害功能模块和连接关系功能模块设计；

最后，将处理过的VRML文件与系统HTML页面、木结构模块、病害模块和连接关系模块进行交互，即HTML页面从数据库中检索构件的数据信息，采用JavaScript修改VRML文件中构件的颜色、显示消隐、透明度属性，使三维模型展示在HTML页面上，从而构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统。

所述的木结构功能模块设计包括构件浏览、构件信息管理和查询统计三部分，构件浏览实现用户根据页面树形菜单浏览相关构件，用户通过树形菜单提出请求调用JavaScript代码，JavaScript代码修改VRML文件中各个构件switch节点中的which choice属性，which choice属性有0和1两个值，0和1分别表示构件的消隐和显示，JavaScript修改这两个值改变构件在三维模型上的显示状态，用户根据树形菜单的构件名称浏览对应构件；

所述的构件信息管理是在VRML文件中添加anchor节点，anchor节点可定义链接，链接中传递链接参数与HTML页面链接，链接到页面后从页面录入/显示构件信息，链接参数查询数据库后返回构件信息，把新录入和修改的信息保存到数据库中；

所述的查询统计是根据用户的请求检索数据库中符合条件的构件，在VRML文件中修改检索出来的构件的材质属性，从数据库中返回用户的查询结果。

所述的病害模块设计包括病害管理、病害查询和修复管理三部分，病害管理提供病害信息录入和病害信息管理的功能，用户录入单个构件的病害类型、病害程度、处理意见以及相关图片视频病害信息，然后数据库进行数据完整性检验和重复性检验，检验通过后把数据存储到数据库中，用户通过模型上的单个构件查看该构件是否存在病害，如果存在病害，则从数据库中调出相应数据显示病害内容；

所述的病害查询分为整体查询、分类查询和组合查询三种方式，整体查询过程中，在模型上显示全部病害，采用分类着色方法用不同的颜色对病害动态标注，整体查询完成后进行整体统计，整体统计页面检索病害信息数据库，根据病害类型和构件类型分组查询数据库，统计出每种病害类型的具体数据，以工程周期为索引按照时间顺序显示；所述的分类查询分为基于构件类型查询，基于病害类型查询和基于工程周期查询三种查询方式，选择不同的查询方式输入关键字检索数据库，数据库返回针对输入的关键字的病害信息，其中基于病害类型查询方式，采用分类着色方法把病害程度的分布在模型上显示出来，分类查询同样可实现统计功能；组合查询允许用户最多选择五条病害类型条件进行查询，这五条病害类型条件是或关系，把具备条件的病害信息在模型上显示出来；

修复管理是将具体病害的修复建议和修复视频图片保存到数据库中，用户以此为参考指导如何修复该类病害，用户在病害查询页面上针对该类病害选择修复建议，该页面访问检索数据库返回保存过的修复建议和修复视频图片的数据信息，实现对病害的修复建议和修复展示。

所述的连接关系功能模块的设计包括榫卯关系录入、榫卯分布和斗拱三部分，榫卯关系录入是在VRML文件中添加anchor节点，anchor节点可定义链接，链接中传递链接参数与HTML页面链接，链接到页面后从页面录入构件的连接关系，同时把新录入连接关系数据保存到数据库中；

所述的榫卯分布是用户通过树形菜单提出请求后检索数据库中用户所提请求的榫卯关系，采用JavaScript代码修改VRML文件中的材质属性，返回用户请求的结果；

所述的斗拱是在VRML文件中的数据和页面进行交互的过程中，采用JavaScript修改VRML文件中构件的消隐显示属性，控制单个构件按时间差消隐和显示，实现连接、拆分和安装的三维动画。

所述的分类着色方法是在数据库中建立颜色对照表，即对病害类型、病害程度和RGB值建立相互对应关系，数据库中查询构件病害类型和病害程度，在颜色对照表中给该类型赋予R、G、B对应值，构件模型上显示出颜色，实现了对木结构的病害分类动态标注。

本发明综合运用虚拟现实和三维建模技术在古建木结构领域实现古代建筑木结构虚拟修复，三维建模和信息保护各项任务。

本发明是应用于网络环境下的实现对古代建筑木结构虚拟保护和修缮的应用系统，通过三维立体模型虚拟展现出古代建筑为用户观赏，记载了古代建筑木结构的构件、病害和修复的数据信息。实现古代建筑木结构模型的信息聚合与展示，根据时间点来查询各工程的详细信息，对木结构构件可进行浏览和病害查询，动态标注构件的病害种类，针对构件的病害种类和残损程度提出修复建议和视频图像指导用户进行虚拟修复。

附图说明

图1是本发明的系统流程图。

图2是本发明的总体设计框图。

图3是本发明的系统功能架构图。

图4是本发明的一个具体实施例。

图5是本发明的三维模型建立原理步骤图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，是本发明的流程图，首先进行三维建模和数据库的设计，由建立好的三维模型输出VRML文件并对其进行处理，处理过的VRML文件通过页面和系统的功能模块与数据库交互，完成系统的设计。

参照图2所示，是本发明总体设计图，系统分为应用层和数据层，应用层实现系统各项功能，数据层为应用层存储需要调用的数据。应用层包括：用户登录系统，构件信息，病害标注及修复，连接关系四大模块。

参照图3所示，主要包括三大功能：木结构，病害，连接关系。木结构的子功能模块是：构件浏览，构件信息管理，查询统计；病害子功能模块是：病害管理，病害查询，修复管理；连接关系子功能模块是：榫卯关系录入、榫卯分布和斗拱。

参照图4所示，是本发明技术上总体的实现过程，先搜集多媒体视频、图片、文档、结构信息整合为古代建筑信息、结构、知识数据库，把整合好的信息录入设计好的数据库中成为本发明的知识库，知识库中包含了古代建筑木结构的构件信息、病害信息、修复建议和视频图片。系统后台搭建好数据库后，在页面上实现系统的两大部分基本功能：古建筑木结构三维建模和构件病害的虚拟修复，三维建模包括单个构件的仿真和三维动画，构件病害的虚拟修复包括病害标记和针对标记病害的修复。经过以上技术步骤本发明古代建筑木结构虚拟保护修缮系统实现了古建筑三维模型展示、古建筑虚拟动画展示、古建筑构件病害统计和虚拟修复几项功能。

参照图5所示，三维建模的步骤如下：对图像预处理后提取和匹配实际模型的特征点，从坐标系中进行三维建模，最后以纹理映射达到真实度更高的复原效果。

本发明采用虚拟现实技术，三维建模技术和JAVA WEB技术发明了应用于网络环境下的古代建筑木结构虚拟保护和修缮系统，实现了针对古代建筑木结构的虚拟修复和保护。具体实施方案如下：

为不同使用者设置权限，用户输入用户名凭密码登录系统，成功登录系统后用户选择建筑物进入各建筑物详细浏览特定建筑物。本发明采用虚拟现实技术把概念型数据在三维模型上展示出来，用户直观欣赏古代建筑构造和木结构建筑的构件，实现古代建筑基本结构的虚拟复原。

所采用的古代建筑三维建模技术可以快速的针对特定古代建筑进行三维建模，同时三维模型还必须具有一定的准确度和真实感，使系统具有一定的观赏性和艺术性。木结构功能模块包括构件浏览、构件信息管理和查询统计，用户通过构件浏览页面的树形结构菜单可以浏览建筑物的整体模型和木结构各构件，当用户点击树形菜单中“柱”选项时表明用户通过树形菜单提出请求调用JavaScript代码，JavaScript代码修改VRML文件中柱构件switch节点的which choice属性，which choice属性包括0和1两个值，0和1分别表示构件的消隐和显示，给柱构件对应的which choice属性赋值1，页面上就可以显示出柱构件。页面可添加和编辑构件的详细信息，例如实现编辑柱构件的信息，需要在VRML文件中添加anchor节点，anchor节点可定义链接，链接中传递链接参数与构件信息管理的柱构件页面链接，链接参数查询数据库后返回柱构件信息，则该页面显示出柱构件的基本信息和承载信息，如需要修改已有的信息则直接修改再次保存到数据库中。在查询统计子页面中用户根据对应建筑物的施工工程按照时间点顺序添加或编辑工程信息，方便用户浏览、查询施工的历史记录。用户输入需要查询的条件，根据用户的请求检索数据库中符合条件的构件，在VRML文件中修改检索出来的构件的材质属性，在HTML页面上就可以显示出来用户查询结果的构件模型。木结构功能模块的各项功能是通过HTML页面使数据库的数据和三维模型的数据相交互而实现的，该模型数据在开放的WEB环境下向用户提供具有直观性的虚拟游览和观赏的平台，提高了用户的观赏兴趣，同时广泛宣传我国博大精深的古建筑艺术文化。

在针对用户提供古代建筑三维模型虚拟观赏的同时，该系统还可提供一个统一的共享的开放的针对木结构构件虚拟修复的平台。病害功能模块包括病害管理、病害查询和修复管理，病害管理页面提供病害信息录入和病害信息管理的功能，用户录入单个构件的病害类型、病害程度、处理意见以及相关图片视频等病害信息，然后数据库进行数据完整性检验和重复性检验，检验通过后把数据存储到数据库中，用户通过点击模型上的单个构件可以查看该构件是否存在病害，如果存在病害则从数据库中调出相应数据显示出病害的详细内容。病害查询页面分为整体查询、分类查询和组合查询三种方式，整体查询过程中，在模型上显示全部病害，采用分类着色方法用不同的颜色对病害动态标注，整体查询完成后进行整体统计，整体统计页面检索病害信息数据库，根据病害类型和构件类型分组查询数据库，统计出每种病害类型的具体数据，以工程周期为索引按照时间顺序显示，辅以统计图来直观显示。分类查询分为基于构件类型查询，基于病害类型查询和基于工程周期查询三种查询方式，选择不同的查询方式输入关键字检索数据库，数据库返回针对输入的关键字的病害信息，其中基于病害类型查询方式，采用分类着色方法把病害程度的分布在模型上显示出来，分类查询同样可实现统计功能。组合查询允许用户最多选择5条病害类型条件进行查询，这5条病害类型条件是或关系，把具备条件的病害信息在模型上显示出来。修复管理页面首先录入具体病害的修复建议和修复视频图片并保存到数据库中，用户以此为参考指导用户如何修复某类病害，用户在病害查询页面针对某类病害类型选择修复建议时，该页面访问检索数据库实现对病害的修复建议和修复展示。利用该平台可大幅度提高修复的效率和成功率，节约实际修复成本，极大的减少由于目前修复技术的不可预测性和盲目性造成的对珍贵古建筑木结构构件的破坏。

连接关系功能模块包括榫卯关系录入、榫卯分布和斗拱，榫卯关系录入页面是实现用户录入两个或两个以上构件之间的连接关系。在VRML文件中添加anchor节点，anchor节点可定义链接，链接中传递链接参数与HTML页面链接，链接到页面后从页面录入构件的连接关系，同时把新录入连接关系数据保存到数据库中。榫卯分布页面是用户根据页面树形菜单查看建筑物的榫卯关系，用户通过树形菜单提出请求后检索数据库中用户所提请求的榫卯关系，检索到后修改VRML文件中的材质属性，则响应了用户的请求。斗拱页面向用户展示了建筑物各种构件连接关系的连接、拆分和安装的三维动画，在VRML文件中的数据和页面进行交互的过程中，采用JavaScript修改VRML文件中构件的消隐显示属性，这些属性控制单个构件的消隐和显示，产生三维动画效果图，向用户展示了建筑物各种构件连接关系的连接、拆分和安装的三维动画，实现古代建筑木结构虚拟重建再现。

对于古建筑物数据保护上，本发明采用数据库技术在系统后台保存了大量古代建筑木结构的各种电子数据信息，实现古代建筑木结构的信息保护；同时采用JavaScript、JSP等web技术设计页面树形目录菜单。

本发明综合运用虚拟现实，三维建模技术和Java Web技术在古建木结构领域实现古代建筑木结构虚拟修复，三维建模和信息保护各项任务。

Claims (5)

1、一种构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法，其特征在于，

首先，根据建筑物图纸信息进行计算机三维建模生成计算机图形，根据生成的计算机图形输出虚拟现实建模语言VRML文件，在VRML格式文件中添加事件和触发器来响应用户请求，完成对VRML格式文件的处理；

其次，根据建筑物的结构信息，病害信息和修复信息进行数据库设计，数据库设计完成后进行网页的页面设计、木结构功能模块、病害功能模块和连接关系功能模块设计；

最后，将处理过的VRML文件与系统HTML页面、木结构模块、病害模块和连接关系模块进行交互，即HTML页面从数据库中检索构件的数据信息，采用JavaScript修改VRML文件中构件的颜色、显示消隐、透明度属性，使三维模型展示在HTML页面上，从而构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统。

2、根据权利要求1所述的构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法，其特征在于，所述的木结构功能模块设计包括构件浏览、构件信息管理和查询统计三部分，构件浏览实现用户根据页面树形菜单浏览相关构件，用户通过树形菜单提出请求调用JavaScript代码，JavaScript代码修改VRML文件中各个构件switch节点中的which choice属性，which choice属性有0和1两个值，0和1分别表示构件的消隐和显示，JavaScript修改这两个值改变构件在三维模型上的显示状态，用户根据树形菜单的构件名称浏览对应构件；

所述的构件信息管理是在VRML文件中添加anchor节点，anchor节点可定义链接，链接中传递链接参数与HTML页面链接，链接到页面后从页面录入/显示构件信息，链接参数查询数据库后返回构件信息，把新录入和修改的信息保存到数据库中；

所述的查询统计是根据用户的请求检索数据库中符合条件的构件，在VRML文件中修改检索出来的构件的材质属性，从数据库中返回用户的查询结果。

3、根据权利要求1所述的构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法，其特征在于，所述的病害模块设计包括病害管理、病害查询和修复管理三部分，病害管理提供病害信息录入和病害信息管理的功能，用户录入单个构件的病害类型、病害程度、处理意见以及相关图片视频病害信息，然后数据库进行数据完整性检验和重复性检验，检验通过后把数据存储到数据库中，用户通过模型上的单个构件查看该构件是否存在病害，如果存在病害，则从数据库中调出相应数据显示病害内容；

所述的病害查询分为整体查询、分类查询和组合查询三种方式，整体查询过程中，在模型上显示全部病害，采用分类着色方法用不同的颜色对病害动态标注，整体查询完成后进行整体统计，整体统计页面检索病害信息数据库，根据病害类型和构件类型分组查询数据库，统计出每种病害类型的具体数据，以工程周期为索引按照时间顺序显示；所述的分类查询分为基于构件类型查询，基于病害类型查询和基于工程周期查询三种查询方式，选择不同的查询方式输入关键字检索数据库，数据库返回针对输入的关键字的病害信息，其中基于病害类型查询方式，采用分类着色方法把病害程度的分布在模型上显示出来，分类查询同样可实现统计功能；组合查询允许用户最多选择五条病害类型条件进行查询，这五条病害类型条件是或关系，把具备条件的病害信息在模型上显示出来；

修复管理是将具体病害的修复建议和修复视频图片保存到数据库中，用户以此为参考指导如何修复该类病害，用户在病害查询页面上针对该类病害选择修复建议，该页面访问检索数据库返回保存过的修复建议和修复视频图片的数据信息，实现对病害的修复建议和修复展示。

4、根据权利要求1所述的构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法，其特征在于，所述的连接关系功能模块的设计包括榫卯关系录入、榫卯分布和斗拱三部分，榫卯关系录入是在VRML文件中添加anchor节点，anchor节点可定义链接，链接中传递链接参数与HTML页面链接，链接到页面后从页面录入构件的连接关系，同时把新录入连接关系数据保存到数据库中；

所述的榫卯分布是用户通过树形菜单提出请求后检索数据库中用户所提请求的榫卯关系，采用JavaScript代码修改VRML文件中的材质属性，返回用户请求的结果；

所述的斗拱是在VRML文件中的数据和页面进行交互的过程中，采用JavaScript修改VRML文件中构件的消隐显示属性，控制单个构件按时间差消隐和显示，实现连接、拆分和安装的三维动画。

5、根据权利要求1所述的构建古代建筑木结构虚拟保护修缮系统的方法，其特征在于，所述的分类着色方法是在数据库中建立颜色对照表，即对病害类型、病害程度和RGB值建立相互对应关系，数据库中查询构件病害类型和病害程度，在颜色对照表中给该类型赋予R、G、B对应值，构件模型上显示出颜色，实现了对木结构的病害分类动态标注。

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