第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
少数民族建筑是少数民族劳动人民智慧的结晶，不同民族的建筑在文化传统、结构形式和建筑风格等方面各有特色，具有很高的研究价值，但由于建筑年久失修，继承施工技艺的人越来越少等因素，少数民族建筑文化逐渐淡出人们视野，没有得到很好的传承。
近年来，随着国家的进步和发展，少数民族建筑保护备受关注和重视，针对少数民族建筑进行保护和研究的意义更加重大。数字化相关技术具有方便、快捷、容量大等优点，使少数民族建筑文化信息的传播和存储成为可能，也让少数民族文化可以更方便的进行数据资料的整理、分析和更新。因此，在现代测量与信息技术的支持下，数字化相关技术逐渐应用于少数民族建筑文化保护领域，成为民族建筑文化保护的主流趋势[1]。
数字化保护技术手段丰富多样，在国内外文化遗产保护中，多借助于数字化建模、虚拟修复、数字化管理、数字化展示、数字化复制存储、数字化仿真、虚拟现实、数字动画与数字合成影像等技术框架、关键技术和典型系统应用，对文化遗产实体进行复制、模拟或数字虚拟形式的架构，以数字化手段对其加以保存或再现[2]。应用数字化保护技术，总结归纳少数民族建筑相关知识，增强对建造知识的普及，能有效保护少数民族建筑，有利于实现中华民族的文化自信。
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1.2 国内外研究现状
本文主要研究我国少数民族建筑的数字化保护、虚拟仿真和认知系统的设计开发等内容。通过文献资料查阅进行国内外现状及最新动态总结：
（1）少数民族建筑保护得到了越来越多的重视，运用数字化技术手段对民族建筑进行研究也逐渐增加。如楚雄师范学院邹治豪等人做了基于虚拟现实技术的云南少数民族建筑数字化保护研究，对比传统数字化保护手段，说明了虚拟现实技术在体验感、宣传效果、发展前景等方面的优势，也表达了本项技术在规范性和技术要求等方面的难点[5]。云南民族博物馆的代幼谷等人做了对云南少数民族传统民居特色与保护方面的研究，介绍了云南少数民族传统民居建筑的特色及保护的具体措施，提出了充分应用绿色生态技术和加大对当地居民宣传教育的力度等方式，使保护和传承民族建筑文化的现状从根本上得到改善的观点[6]。
（2）虚拟仿真技术是一项新型科学技术，国外虚拟仿真技术的发展己经形成了一个体系，渗透到了经济发展的各个领域中，在国家经济建设中发挥着重要的作用。以美国为首的一些发达国家制造商已经拥有成熟的虚拟仿真技术，在世界计算机仿真的主要市场上处于领先地位。在军事领域，计算机仿真技术贯穿于武器装备的设计、研制、生产和维护的全过程；在工业设计领域，利用仿真技术找出工业生产项目中的规律和机制，可以为提高工业产品的性能提供可参考的理论依据。目前，我国对虚拟技术的研究进入中期阶段，近年来，我国的工程技术人员已经具备了智能软件研究和开发的能力，一些智能软件在工程企业中得到了广泛的开发和使用[7]。广西艺术学院的黄丽达等人提出了针对广西少数民族建筑文物保护的人机交互系统设计的方案和关键技术研究[8]，桂林电子科技大学杨菁等人对侗族木结构住宅的三维虚拟展示进行了设计研究，利用现代信息技术手段，将侗族村寨进行三维虚拟再现，并将侗族住宅清晰的木架结构、民族风俗与建筑文化理念融入其中，进行有效的宣传和保护[9]。计算机虚拟仿真技术经过不断的完善和发展，已广泛应用于社会的各个领域。计算机软硬件技术的飞速发展也带动了仿真技术。
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第二章 数据采集及处理
2.1 三维点云数据采集及处理
2.1.1 技术简介
（1）三维激光扫描技术是目前比较先进的高精度立体扫描技术，又称实景复制技术[10]。通过获取物体的三维坐标数据和数码照片，然后快速得到实体的坐标、形状等三维信息，最后对采集的数据进行快速处理、分析，并储存进数据库。这种技术的出现，使得之前传统的单点式测量转变为面式和体式测量，实现了由二维平面设计到三维可视化设计的转变，具有如下优势：
①速度快，精度高，扫描范围测量死角少，得到的三维点云数据模型可作为测量对象的真实副本保存。
②利用激光进行非接触式扫描，有效避免光学变形误差，数据采集时间短，不与物体接触，可以避免对物体的二次损坏。
③扫描直接获得物体三维坐标信息，减少人工测量误差，利用点云数据作为重新建模的依据，更加真实准确。
本文使用的仪器是美国 FARO 公司的 Focus3D X330 全站式三维激光扫描仪，其主要应用于地形测量、文物修复和事故现场调查等方面。采用该仪器进行三维激光扫描，可以准确有效的采集形状不规则、结构复杂的实体或场景的三维坐标数据，结合数据处理软件得到被测量对象的三维立体点云模型，使物体被更加快速的描绘出来[11]。
（2）利用 FARO X330 三维激光扫描仪可以完成对少数民族建筑单体和村寨地形地貌等自然环境的精细化扫描，设备如图 2-1 所示。
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2.2 无人机数据采集及处理
介绍无人机空间数据采集、影像处理、制作三维实景模型图的关键技术，利用无人机自带软件完成影像数据的预处理、空三加密和图像拼接，最终形成三维实景模型。
2.2.1 无人机航拍技术简介
（1）无人机航拍技术是利用飞行器驾驶技术、遥感技术、GPS 差分定位技术等，实现快速获取国土资源、自然环境等空间数据信息，最后得到空间数据模型。
无人机系统具有机动、快速、经济等优势，在很大程度上促进了工程测量测绘工作的进一步发展，提高了测绘工作的精确度与效率，对后续工程的建设和整体的质量提高具有重要影响。应用无人机航拍技术符合当前测量测绘工作发展的实际需求[16]。
（2）设备简介：本文使用的无人机是大疆精灵 4RTK，设备如图 2-14 所示。
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第三章 数字化模型构建.................................. 18
3.1 少数民族建筑特点及建造技术概述..................................18
3.2 建筑模型构建..................................21
第四章 少数民族建筑认知系统设计......................................29
4.1 需求分析.............................................29
4.2 系统设计............................................31
4.3 数据库设计.....................................32
第五章 系统实现....................................... 37
5.1 系统开发工具..............................................37
5.2 系统主要功能实现.......................................38
5.3 系统发布........................................50
第五章 系统实现
5.1 系统开发工具
5.1.1 系统开发引擎
本系统使用 Unity3D 作为系统开发引擎，Unity3D 是目前适用范围最广的引擎，由丹麦著名公司 Unity Technologies 开发，具有强大的跨平台特性，可发布至至 Windows、Mac OSX、Wii 游戏机、WEB 浏览器和 Android 等平台[32]，用户操作界面简单，支持多种脚本语言，可以满足游戏开发、建筑可视化等多方面需求。Unity3D 内置的分析器能够充分的统计场景的问题，不管是绘图的需要、声音还是脚本的性能。Unity3D 的编辑器之中将显示有游戏脚本中的公用变数[33]。具有以下优势特点：
（1）跨平台发布，支持手游、PC 机、游戏机、网页等多主流平台。（2）操作简单直观，支持 C#、Boo、Java Scrip 多种开发语言。（3）精美画质、灯光、音效渲染引擎及高效开发工具。（4）内置强大的次时代物理引擎 NVIDIA PhysX。（5）Asset Store 包含开发过程中所有扩展功能资源[34]。（6）开发系统发布过程简单方便。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文将少数民族建筑建造技术和计算机系统开发技术相结合，以更直接、更全面的展示少数民族建筑为重点，以土家族建筑枫香溪会议会址和苗族建筑大湾苗寨民居为例，设计实现少数民族建筑认知系统，注重提高人机交互，增强用户的视觉效果和游览体验，建立较为完善的少数民族建筑数字化资料体系，普及建筑相关知识，具有一定的实用性和可行性，所做主要工作如下：
（1）通过实地调研和资料搜集等方式系统归纳整理土家族和苗族建筑特点及建造技术，并进行分析和总结。
（2）获取枫香溪会议会址三维点云数据、大湾苗寨无人机航拍空间数据及村寨中部分建筑单体点云数据，并对数据进行处理得到完善的模型，根据所获得的数据进行逆向设计，对枫香溪会议会址单体和村寨民居几处单体进行模型复原和重建，绘制生成建筑施工图，完成数字化存档工作。
（3）选取 4 个典型少数民族建筑单体，按几何性质和非几何性质总结建筑构件详情，并建立数据库，实现建筑构件信息的查询下载功能。
（4）设计开发少数民族建筑认知系统，实现枫香溪会议会址整体认知、虚拟漫游、动态拆分、模型剖切、建筑图纸展示、动态施工模拟等一系列功能；实现大湾苗寨无人机三维实景模型展示、单体模型剖切和拆分展示等功能。
参考文献（略）