专利名称：一种石刻文字的数字化拓片方法
技术领域：
本发明涉及一种石刻拓片方法，尤其涉及一种石刻文字的数字化拓片。
背景技术：
石刻具有传承历史文化的重要作用，它大多以石灰岩为主的自然山体为载体，在漫长的岁月中受到自然和人为因素的综合作用，石刻表面不断被风化和残蚀。岩溶地貌摩崖石刻的保护是一个全球性的保护课题。世界各国政府高度重视石刻文化保护工作。目前国内石刻、碑帖大多保存分散，形成保管难堪，收藏难为，利用受限的情况，流失和破损程度相当严重，使石刻的文物价值和史料价值及现实价值得不到应有的利用和更好的发扬光大。在中国古代文物中，石刻是历史文化的重要载体之一，是不可再生的历史文化资源。不同年代、不同民族，众多且内容丰富的石刻，不仅为人们提供了高品位的艺术享受，而且对于各地域社会、经济、军事、文化、人物、家族、名胜、历史事件等的研究和历史文化资源的开发传承，都极具现实的和潜在的价值。传统的拓片方法主要有擦墨拓、扑墨拓两大类，还有腊墨拓、键拓、响拓等。例如擦墨拓法，主要工具是细毛毡卷成的擦子。擦子要卷紧缝密，手抓合适为宜，将毡卷下端切齐烙平，把湿纸铺在碑石上，用棕刷拂平并用力刷，使纸紧覆凹处，再用鬃制打刷有顺序地砸一遍，如石刻坚固，纸上需垫毛毡，用木锤涂敲，使笔道细微处清晰，切不可用木锤重击。待纸干后，用笔在拓板上蘸墨，用擦子把墨汁揉匀，并往纸上擦墨，勿浸透纸背，使碑文黑白分明，擦墨三遍即成。类似地，其他拓片方式也是用手工方式完成，不同之处在于使用的材料及工艺。从上面的拓片制作过程可以看出，传统的制作过程全部靠手工完成，工序繁琐耗时，每次只能生成一张拓片，效率低。手工制作一般需要搭建支架、梯子等辅助设施，制作效率低、具有一定的危险性，无法搭支架的地方的石刻就无法拓制。采取人工拓片方式取得石刻拓片，由于难度艰巨、工作量太大而不尽人意，并且对石刻的原始面貌和耐久性有相当不好的影响。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种将石牌、碑帖、石刻文字图像自动生成具有真实物理尺寸信息和具有逼真宣纸墨汁拓片效果的数字化技术。一种石刻文字的数字化拓片方法，在至少三个不同的角度对石刻文字进行拍照；利用摄影测量技术测量出照片中的文字三维尺寸；在照片中选择文字平面与像平面最接近的一幅进行失真校正，对校正后的图像进行文字分割；利用实物拓片背景样本或岩石图像样本进行拓片的背景建模；
将分割后的字体与拓片背景融合；采用墨汁与宣纸的扩散渗透过程模拟拓片效果，完成数字拓片的制作。本发明利用先进的数字图像处理技术和现代测量技术，实现了从全手工拓片制作到完全数字化制作的过程，克服传统拓片制作过程的工艺复杂、效率低和成本高的缺点，对于快速进行大量石刻、碑帖的拓片化处理具有非常重要的意义。本发明只利用数码相机获得高分辨率图像，采用先进的图像处理方法、拓片背景生成、墨汁渗透扩散效果生成、字体大小测量等过程在计算机中生成具有拓片效果的石刻、碑帖的数字化图像，这些数字化的文件适合永久保留、易于传播、大量复制等优点。本发明对于保护文化遗产、造福子孙后代、传承和光大古代文化；在国内和世界范围内，起到示范作用，推动中国古文化保护等方面都具有重要意义。本发明能够以很低的成本和方便的方式将散落在自然界中的各类石碑、石刻上的文字生成拓片的效果。本发明只利用高分辨率数码相机照片和计算机软件，通过图像校正、三维测量、文字分割、拓片背景生成、墨汁扩散效果生成、背景和字体融合自动生成拓片效果的数字图像，以便于保存和传承中华名族辉煌的石刻和书法艺术。生成的数字化拓片便于保存和传播，利用先进的印刷技术能够实物再现石刻文字。本发明中使用了墨汁和宣纸相互渗透作用的物理模型使得石刻文字的数字拓片具有更加逼真的效果；本发明利用三维测量技术，能够获得石刻文字的实际物理尺寸；本发明中利用图像校正技术消除了石刻图像在拍摄时的失真。
图1是本发明数字化拓片生成流程图；图2是本发明标志板特征点形状一；图3是本发明标志板特征点形状二 ；图4是本发明石刻拍摄时的位置图；图5是射影失真图像及校正后的结果；图6是本发明石刻文字分割流程图；图7是原始图像、零水平集曲线演化分割过程及分割后的图像；图8是由不同特征的子纹理块按多纹理合成方法生成数字拓片背景图像图9是根据参考图像调整其他子图像色阶；图10是由实物拓片背景子图像生成大分辨率数字拓片背景；图11是自然岩石表面纹理照片；图12是颜色图像生成的类二值图像；图13是石刻字体尺寸测量实验图像；图14是计算得到的字体包围盒三维展示与字体二维几何尺寸。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。在三个不同的位置对石刻文字进行拍照，然后从三幅照片中利用摄影测量技术测量出文字三维尺寸，在三幅图像中选择文字平面与像平面最接近的一幅图像进行失真校正，然后对校正后的图像进行文字分割。然后利用实物拓片背景样本或岩石图像样本进行拓片的背景建模，将分割后的字体与拓片背景融合，接着采用墨汁与宣纸的扩散渗透过程模拟拓片效果，最后完成数字拓片的制作，整个流程如图1所示。1.石刻文字图像拍摄在拍摄石刻文字图像时，需要在石刻附近放置尺寸已知的标志板，标志板上的特征几何图案如图2和图3所示，方形及圆环形的尺寸及数量根据石刻的大小改变，标志板制作时将图2和图3所示的图案按1:1打印后粘贴到平面板材上即可。拍摄相机采用2000万像素以上的数码单反相机，相机镜头焦距范围IOmm至800mm之间。拍摄时需要在至少三个不同的角度对石刻文字进行拍照，每个视角间的角度大于20度，如图4所示。2.石刻文字图像校正由于拍摄角度等原因，石刻平面和相机图像平面并不平行，图像中的文字将发生仿射和摄影失真，需要利用图像校正方法消除拍摄图像中的仿射和射影失真。石刻文字雕刻于平面石板或非平面的石头表面，对于平面上的石刻文字，利用横向或纵向有规则排列的文字上下或左右边界线构成平行线的消失点进行图像的校正；对于行书或草书可以利用文字包围盒的四周平行线构成的平行线消失点进行图像校正；如果图像中无法自动获取具有平行线的特征，可以手动加入平行线特征。根据石刻平面和图像平面上两点X，X的投影关系可以得到:X = IT1X = MsMaMpx，其中Ms,Ma，Mp分别为相似矩阵、仿射矩阵和投影矩阵。
投影矩阵定义为
权利要求
1.一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于: 在至少三个不同的角度对石刻文字进行拍照； 利用摄影测量技术测量出照片中的文字三维尺寸； 在照片中选择文字平面与像平面最接近的一幅进行失真校正，对校正后的图像进行文字分割； 利用实物拓片背景样本或岩石图像样本进行拓片的背景建模； 将分割后的字体与拓片背景融合； 采用墨汁与宣纸的扩散渗透过程模拟拓片效果，完成数字拓片的制作。
2.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:在拍摄石刻文字图像时，在石刻附近放置尺寸已知的标志板，标志板上设有规则排列的几何图形，拍摄时需要在至少三个不同的角度对石刻文字进行拍照。
3.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:石刻文字图像校正方法如下: 对于平面上的石刻文字，利用横向或纵向有规则排列的文字上下或左右边界线构成平行线的消失点进行图像的校正: 对于行书或草书利用文字包围盒的四周平行线构成的平行线消失点进行图像校正，如果图像中无法自动获取具有平行线的特征，则手动加入平行线特征，根据石刻平面和图像平面上两点X，X的投影关系得到:X = IT1X = MsMaMpx，其中Ms，Ma, Mp分别为相似矩阵、仿射矩阵和投影矩阵， 投影矩阵定义为
4.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:石刻文字图像分割时:校正后的图像利用中值滤波滤波器、双边滤波滤波器进行去噪平滑处理，然后根据图像的特征进行分类，分为四类，噪声较少的图像、边界较清晰但包含较多噪声的石刻图像、边界较模糊的图像和长期经过风化的残缺字体，以上四类分别采用基于Ostu的自动阈值分割、基于水平集的文字分割、基于纹理的分割和基于手动交互分割方法进行图像的文字的分割处理，对处理后有噪声的图像采用数学形态学处理，去除多余噪声，得到清晰的文字轮廓图像。
5.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:拓片背景建模方法如下:将现有手工拓片背景利用高分辨率扫描仪进行扫描，获得具有不同纹理特征的拓片背景图像，将多张子背景图像拼接在一起，在图像拼接前需要将每张背景纹理子图像色阶统一，色阶调整计算公式为:
6.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:拓片背景建模方法如下:首先将岩石彩色图像变为灰度图像，而且采用动态阈值和图像色阶调整，将灰度图像变为类二值图像，类二值图像是指图像中的象素灰度大部分集中在O和255附近，但图像仍然是256阶灰度的图像，并非二值图像； 对类二值图像做进一步的处理，通过表面化学和纺织工业中对吸附和扩散过程研究得出的定性规律和定量方程，能够定量、高精度地模拟岩石突起颗粒和宣纸接触后的渗透和扩散过程，当岩石突起颗粒和宣纸接触时，墨汁溶液就会发生交互作用，墨汁颗粒开始在两相交界处进行迁徙，采用表面化学工程中的Dubinin-Raadushkevich等温线方程模拟该过程，该方程的优点在于正好对拓片时的压力对吸附过程进行了准确的建模
7.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:石刻文字的三维尺寸，利用摄影测量技术测量出文字的三维尺寸； 对石刻字体进行拍摄时，在石刻旁边放置特征点尺寸已知的标志板，需在不同角度拍摄至少三张图像；首先利用标志板信息计算相机的参数，利用相机内外参数计算出图像上石刻字体平面X、y两个方向上的一个距离值，采用字体包围盒的X、y方向的两个边作为计算单元，最后根据文字图像的包围盒尺寸计算出文字实际的真实尺寸； 在提取标志板角点时，采用手动方式选取标志板棋盘格的三个顶点，第四个顶点自动计算，然后根据棋盘格的大小，自动计算出其余棋盘格角点像素精度的坐标，记为q，然后以q为中心的一个邻域窗口内的像素记为Pi,由q和Pi构成的矢量与Pi点的梯度正交，在Pi点的周围找到多组梯度及相关向量qiPi，令其点积为O，通过求解方程组获得亚像素精度的角点坐标q; 计算出标志板上的角点图像坐标后，利用张氏标定方法，计算出相机参数及投影矩阵 素 Ji1.j , 根据相机投影关系得到关于投影矩阵元素ay的线性方程:
8.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:石刻文字的三维尺寸的测量:对位于石灰岩悬崖峭壁上的摩崖石刻，先利用长焦高倍镜头拍摄石刻图像，再利用激光测距仪或全站仪等辅助设备获得石刻平面内x、y两个方向标志尺寸，石刻上其他文字尺寸据此推算出来。
9.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:背景图像和分割石刻文字的融合:将文字图像和背景图像设置为相同大小分辨率，在文字图像上将灰度值为(0，0，0)的像素的a通道设置为全透明，即a =0，然后将文字图像和背景图像融合得到新的图像。
10.根据权利要求1所述的一种石刻文字的数字化拓片方法，其特征在于:分割字体图像的墨水渗透扩散和数字拓片生成: 将背景图像和分割后的字体图像融合后，需要采用数字化的方法模拟出字体边缘墨水与宣纸上的扩散及宣纸的吸附和沉降过程；将其建模为一个物质扩散过程，利用对流扩散方程以定量地表达墨水渗透过程；在模拟中采用动态扩散系数的方法，即扩散系数除了受宣纸纤维结构的影响外，纸张某点处的墨水扩散系数还取决于水的浓度，胶质浓度和纸纤维的密度； 在墨水扩散中，速度相对较低的墨水颗粒会固着在具有较高表面自由能的纸张纤维中，这个现象是典型的吸附过程，采用描述平衡系统状态的Langmuir等温线方程来模拟吸附过程； 墨汁颗粒的沉淀过程主要是由发生扩散过程的物质颗粒的随机流动所导致，可进一步用一个流动系数来调整； 最后采用Dubin1-Radushkevich方程对离散模拟时间段进行先行近似的简化处理，再用一个类似的方法来快速得到扩散过程中； 通常利用描述平衡系统的Langmuir等温线方程模拟吸附过程:
全文摘要
本发明提供了一种石刻文字的数字化拓片方法，在至少三个不同的角度对石刻文字进行拍照；利用摄影测量技术测量出照片中的文字三维尺寸；在照片中选择文字平面与像平面最接近的一幅进行失真校正，对校正后的图像进行文字分割；利用实物拓片背景样本或岩石图像样本进行拓片的背景建模；将分割后的字体与拓片背景融合；采用墨汁与宣纸的扩散渗透过程模拟拓片效果，完成数字拓片的制作。本发明实现了从全手工拓片制作到完全数字化制作的过程，克服传统拓片制作过程的工艺复杂、效率低和成本高的缺点，对于快速进行大量石刻、碑帖的拓片化处理具有非常重要的意义。
文档编号G06T7/00GK103077516SQ20121059233
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者温佩芝, 吴晓军, 黄家城 申请人:温佩芝, 吴晓军, 黄家城