一种基于三维高光谱成像的壁画监测方法与流程

本发明涉及壁画监测技术领域，具体涉及一种基于三维高光谱成像的壁画监测方法。

背景技术：

壁画是历史与艺术结合的产物，它从不同的侧面反映了各个历史时期的经济文化发展状况和意识形态，其信息有助于帮助考古学家深入了解历史的发展轨迹及状态。在文物保护日益重视的今天，人为破坏壁画的因素已经基本消除，但自然因素对高壁画的破坏日益明显，且有加快的迹象，破坏形式包括潮湿流水、霉菌、空鼓、裂缝、起甲、脱落、褪色甚至坍塌。

随着信息技术的发展，数字摄影、图像处理等技术被广泛的应用到古代壁画保护之中。不过这些信息技术的使用大多数只集中在对壁画结构、图像纹理的研究与分析，所提取特征不能完整准确表征壁画病害本身属性。

壁画的病害情况多种多样，对壁画进行科学的监测分析是开展古代壁画保护和修复的重要基础，目前还没有全面有效的监测方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于三维高光谱成像的壁画监测方法，实现对壁画的颜料层变化、表型变化以及内部结构变化的全面监测。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于三维高光谱成像的壁画监测方法，其包括：

间隔一定时间执行步骤a，生成多个不同时间的壁画三维模型，其中，步骤a包括：

a1：获取壁画的数码影像，并根据上述数码影像生成壁画基础模型；

a2：获取壁画的光谱影像和红外影像，并将上述光谱影像中每个像素点对应的光谱信息和上述红外影像中每个像素点对应的红外信息经运算、处理后附着于壁画基础模型，生成壁画三维模型；

对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化。

在上述技术方案的基础上，在上述步骤a之前还包括：

采集壁画的环境信息，根据上述环境信息对高光谱相机和红外相机进行参数校正。

在上述技术方案的基础上，上述步骤a1具体包括：

在壁画表面选取多个特征明显的点作为像控点，并获取像控点的三维坐标；

通过数码相机获取壁画的数码影像，将上述数码影像导入摄影测量系统中，经过处理后输出壁画的点云数据；

在摄影测量系统中添加像控点，并利用上述像控点的三维坐标对上述点云数据进行校正，解算上述数码影像之间的相对关系以及每个数码影像的外方位元素，生成壁画基础模型。

在上述技术方案的基础上，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化具体包括：

采集上述壁画基础模型的基础正射影像，并对上述基础正射影像进行光谱信息和红外信息附着，得到上述壁画三维模型的高信息正射影像；

对不同时间生成的壁画三维模型及其高信息正射影像进行比对分析，得到壁画的表型变化。

在上述技术方案的基础上，上述基础正射影像是由上述壁画基础模型纹理垂直投影在上述壁画的拟合平面上并输出得到；

拟合平面为根据上述基础三维模型拟合生成与上述基础三维模型上相关顶点垂直距离之和最小的平面。

在上述技术方案的基础上，上述光谱信息是由光谱影像处理分析软件对光谱影像进行反射率校正以及最小噪声分离处理得到。

在上述技术方案的基础上，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化具体包括：

对不同时间的壁画三维模型的光谱信息进行逐像素比较分析，得到壁画的颜料层的材料与颜色变化。

在上述技术方案的基础上，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化具体包括：

对不同时间的壁画三维模型的红外信息进行比较分析，得到壁画内部结构变化以及结构病害分布。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的基于三维高光谱成像的壁画监测方法，通过间隔一定时间获取壁画的数码影像、光谱影像以及红外影像，将光谱影像中每个像素点对应的光谱信息和红外影像中每个像素点对应的红外信息附着于数码影像生成的壁画基础模型，生成壁画三维模型，实现对壁画的颜料层变化、表型变化以及内部结构变化的全面监测。

(2)本发明的基于三维高光谱成像的壁画监测方法，通过对不同监测周期的数据进行分析比对，对壁画修复效果、颜料层变化情况和壁画稳定性可进行评估，有利于指导壁画保护工作者制定合理的保护和修复方案。

附图说明

图1是本发明实施例中基于三维高光谱成像的壁画监测方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于三维高光谱成像的壁画监测方法，其包括：

间隔一定时间执行步骤a，生成多个不同时间的壁画三维模型，其中，步骤a包括：

a1：获取壁画的数码影像，并根据所述数码影像生成壁画基础模型；

a2：获取壁画的光谱影像和红外影像，并将光谱影像中每个像素点对应的光谱信息和红外影像中每个像素点对应的红外信息经运算、处理后附着于壁画基础模型，生成壁画三维模型；

对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化。

利用光谱成像与分析技术和数字近景摄影测量技术，由数码相机、高光谱相机和红外相机对壁画进行数码影像、光谱影像以及红外影像的同步采集，并将其进行配准融合，即将光谱影像中每个像素点对应的光谱信息和红外影像中每个像素点对应的红外信息附着于数码影像生成的壁画基础模型中，生成壁画三维模型，壁画的信息像素清晰，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，对比分析效果明显，且工作量减小。例如，使用400nm～1000nm的高光谱仪，通过一次采集即可获取壁画在400nm～1000nm可见光至近红外光谱段的壁画高光谱数据，影像中每个像素点均具有上述光谱段分辨率优于3nm的连续光谱曲线，形成壁画光谱影像数据立方体，由近两百张间隔3nm的光谱二维图像组成。

其中，表型变化包括沉降、歪闪位移、裂隙、鼓胀、凹陷、起甲、剥落、苔藓等变形或形变数据，还包括微生物覆盖、脱落、风化和变色；颜料层变化包括监测微生物滋生覆盖、材料风化变性等造成的颜色变化；内部结构变化包括空鼓、起甲、内部断裂、渗漏水等。

由于壁画所在的环境会在不同的季节产生差异，包括大气压、二氧化碳的含量、空气的湿度等。因此在上述步骤a之前还包括，采集壁画的环境信息，根据所述环境信息对高光谱相机和红外相机进行参数校正，避免外界环境变化对数据信息的准确性造成影响。

在本实施例中，上述步骤a1具体包括：

在壁画表面选取多个特征明显的点作为像控点，并获取像控点的三维坐标；

通过数码相机获取壁画的数码影像，将数码影像导入摄像测量系统中，经过处理后输出壁画的点云数据；

在摄像测量系统中添加像控点，并利用像控点的三维坐标对点云数据进行校正，解算数码影像之间的相对关系以及每个数码影像的外方位元素，生成壁画基础模型。

在文物保护过程中，严禁触碰文物本体表面，以防止对壁画本体造成破坏。因此通过肉眼直接选取壁画表面特征明显的点作为像控点，即在壁画本体表面和拼接全景图中，选择两者均能清晰的位置作为像控点。通过徕卡ts15全站仪无棱镜模式获取该像控点的三维坐标，并在全景图中标注对应的像控点，以便于解算数码影像之间的相对关系以及每个数码影像的外方位元素。在查看像控点分布的同时，还需要检查是否存在错位点。外方位元素用于表征摄影光束在摄影瞬间的空间位置。

上述壁画监测方法中，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化具体包括：

采集壁画基础模型的基础正射影像，并对基础正射影像进行光谱信息和红外信息附着，得到壁画三维模型的高信息正射影像；

对不同时间生成的壁画三维模型及其高信息正射影像进行比对分析，得到壁画的表型变化，即壁画的沉降、歪闪位移、裂隙、鼓胀、凹陷、起甲、剥落、苔藓等变形或形变数据，以及微生物覆盖、脱落、风化和变色。

优选地，上述基础正射影像是由壁画基础模型纹理垂直投影在壁画的拟合平面上并输出得到。其中，拟合平面为根据基础三维模型拟合生成与基础三维模型上相关顶点垂直距离之和最小的平面。

优选地，上述光谱信息是由光谱影像处理分析软件对光谱影像进行反射率校正以及最小噪声分离处理得到。采用最小噪声分离处理主要是为了判断图像数据维数，分离数据中的噪声，以减少后处理中的计算量。

上述壁画监测方法中，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化还包括：

对不同时间的壁画三维模型的光谱信息进行逐像素比较分析，得到壁画的颜料层材料与颜色变化，即壁画表面的微生物滋生覆盖、材料风化变性等造成的颜色变化。通过壁画三维模型的光谱信息，对壁画表面的微生物滋生覆盖、材料风化变性等造成的颜色变化做进一步分析，提供准确的病害信息变化数据。

上述壁画监测方法中，对不同时间生成的壁画三维模型进行比较分析，得到壁画的颜料层、表型以及内部结构变化还包括：

对不同时间的壁画三维模型的红外信息进行比较分析，得到壁画内部结构变化以及结构病害分布，即壁画内部的空鼓、起甲、内部断裂、渗漏水等。通过壁画三维模型的红外信息，对壁画内部的空鼓、起甲、内部断裂、渗漏水等做进一步分析，提供准确的病害信息变化数据。

其中，将不同周期的红外热成像影像进行比对分析，应用温度变化的反射差异，确定不同周期的变化区域，从而可定位壁画内部结构的病害位置及区域。

不同监测周期的壁画三维模型的坐标系保持一致，将不同周期的壁画三维模型进行空间比对，即可分析壁画的变化区域、变化趋势及变化量，然后通过高信息正射影像比对分析系统对不同周期的正射影像的差异比对分析，确定壁画的脱落、裂缝、倾斜、微生物区域变化及蔓延趋势。同时还可对壁画三维模型进行光谱分析、颜料层变化分析以及红外影像的温度变化分析，实现壁画的内部结构、颜料层、几何表型三位一体的全面监测。

通过计算机软件对监测数据进行自动对比分析，得到不同监测周期内壁画颜料层变化和表型变化数据，结合壁画微生物监测数据和温湿度、二氧化碳浓度等微环境监测数据，对壁画修复效果、颜料层变化情况和壁画稳定性可进行初步评估，有利于指导壁画保护工作者制定合理的保护和修复方案。

其中，将首期壁画监测区域的光谱信息作为光谱信息数据库的基础数据，通过与后期的光谱曲线比对分析，确定壁画每个区域的曲线变化，通过光谱曲线解算为xyz三刺激值、颜色值，通过差值的变化量确定颜色的变化趋势，可为整个壁画的修复提供更为有效可靠的数据依据。

本发明实施例使用过程中，数码相机、高光谱相机和红外相机均设置于支撑台，支撑台下方设有移动升降支架，移动升降支架设置于移动轨道，并沿移动轨道水平移动。

为了保证影像的重叠度，数码相机设有两个，且分别设置于支撑台两端，其间距被配置为使两个数码相机获得的数码影像重叠度不小于70％。因此在移动拍摄的过程中，两个数码相机获得的数码影像重叠度不小于70％。

本实施例中，数码相机采用sonya7rii相机，高光谱相机采用soc710高光谱相机，红外相机采用flirvuepro热红外仪。影像数据采集按照平行摄影的方式采集。一个三维高光谱成像摄站均可拍摄2组高分辨数码影像数据、1组高光谱影像数据和1组红外影像数据。由于壁画监测对象无法单点采集完成，需要从左向右水平位移三维高光谱成像摄站。

当一组水平数据采集完成后，移动三维高光谱成像摄站至壁画区域左端，升高支撑台后，以同样的方式从左向右水平移动并继续采集数据，调节高度满足使相邻高度的数码影像需保证不小于50％重叠度，直至壁画监测区域所有影像数据采集完成。光谱影像与红外影像为壁画监测区域全覆盖，因此对重叠度没有具体限制要求。

优选地，移动升降支架通过上位机与数码相机、高光谱相机、红外相机以及照明设备通讯连接，以便于使照明设备与三维高光谱成像摄站同步移动，从而保证光照均匀一致。上述照明设备采用led白光及卤素灯相结合的照明设备，增加了照明控制模块，使得照明与立体光谱成像仪同步，即在三维高光谱成像摄站采集时刻，数码相机工作时，启动led照明设备；高光谱和红外相机工作时，启动卤素灯照明设备。当完成数据采集后，照明设备停止工作。使用该照明设备在很短的时间内对壁画进行照明，尽可能减少照明对壁画的热辐射。

优选地，移动升降支架包括升降杆，升降杆一端固定连接支撑台，另一端连接移动座，移动座设置于移动轨道上，以便于利用升降杆调节图像采集组件的采集高度。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。