观音手状文物骨架线提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种观音手状文物骨架线提取方法，属于文物修复工程领域，该方法包括：采用三维激光扫描准备修复的观音手状文物，获取该观音手状文物的点云数据；利用获取的所述观音手状文物的点云数据经三维重建得到该观音手状文物的三角网格模型；采用骨架线提取算法处理从所述三角网格模型上提取出所述观音手状文物的三维空间骨架线。该方法能以较简单方式准确提取待修复的观音手状文物的骨架线，使其满足于观音手状文物修复工程。该方法操作简单，提取过程快捷，为观音手状文物修复提供准确的依据，保证了修复效果。
【专利说明】观音手状文物骨架线提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及文物修复工程领域，特别是涉及一种观音手状文物骨架线提取方法， 提取的骨架线可用于修复观音手状文物。
【背景技术】
[0002] 在观音手状文物保护工程中，由于年代久远及病害的侵蚀，观音手指经常会发生 断裂。而在修复工程中，通常采取与断裂观音手指的骨架线形态相同的轻质材料作为支撑 物，在此支撑物的基础之上，对观音手进行实际修复。因此，观音手的骨架线是文物修复过 程中的重要几何参数，能够为观音手状文物的修复提供很大的便利。目前，在文物修复领 域，对文物的骨架线提取通常是根据二维的数码相片，由文物修复者通过手工线画提取，二 维图像中所提取的骨架线无法保证精度与立体感，往往与实际骨架相比有较大的差异。
[0003] 随着三维激光扫描技术与三维重建技术的发展，文物三维模型的获取越来越精确 与便捷。因此，以三维模型为数据基础的骨架线获取方法能够提取观音手的三维骨架线，反 应出最真实的观音手基本几何形态。目前，针对三维模型的骨架线提取方法主要包括体积 方法、几何方法以及Laplace微分算子方法等几类。其中体积方法与后两种方法的主要区 别在于前者需要对模型进行体素化，利用到模型的内部空间，而后两者只需要利用模型表 面的曲面信息。
[0004] 但是，以上骨架线提取方法主要应用于计算机图形学中所涉及的三维动画、模型 检索等方面，该领域所应用的三维模型质量较好，模型表面较为光滑，并且提取出的骨架线 仅需要能够表达三维模型的基本几何形态及拓扑结构就能满足需求。然而，与计算机图形 学中所研究的模型相比较，通过三维激光扫描获取到的高精度文物三维模型由于文物本体 表面存在病害等原因，导致模型表面噪声较多，模型质量较差。并且，为了使模型提取出的 骨架线在文物保护工程中能够应用，还需要骨架线具有较好的中心性，才能够满足工程中 的需求。因此，对骨架线提取的要求更高。
【发明内容】
[0005] 基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种能够准确提取观音手状文物三 维模型骨架线的方法，使提取出的观音手骨架线能够满足文物修复工作的需求。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种观音手状文物骨架线提取方法，包括：
[0007] 采用三维激光扫描获取待修复观音手状文物的点云数据；
[0008] 利用获取的所述观音手状文物的点云数据经三维重建得到该观音手状文物的三 角网格模型；
[0009] 采用骨架线提取算法处理从所述三角网格模型上提取出所述观音手状文物的三 维空间骨架线。
[0010] 本发明的有益效果为：该方法能以较简单方式准确提取待修复的观音手状文物的 骨架线，使其满足于观音手状文物修复工程。该方法操作简单，提取过程快捷，为观音手状 文物修复提供准确的依据，保证了修复效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0012] 图1为本发明实施例提供的提取方法流程图；
[0013] 图2为本发明实施例提供的提取方法的骨架线提取算法流程图；
[0014] 图3为本发明实施例提供的骨架线提取算法的几何收缩处理示意图；
[0015] 图4为本发明实施例提供的骨架线提取算法的几何收缩处理后具有骨架形态的 片状网格模型示意图
[0016] 图5为图4的局部网格示意图；
[0017] 图6为本发明实施例提供的骨架线提取算法的骨架简化处理后的示意图；
[0018] 图7为本发明实施例提供的骨架线提取算法的节点微调处理后的示意图；
[0019] 图8为本发明实施例提供的提取后的骨架线的示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0021] 图1所示为本发明实施例提供的一种观音手状文物骨架线提取方法，用于准确提 取待修复的观音手状文物的骨架线，为对该类文物修复提供准确依据，保证修复效果，该方 法包括以下步骤：
[0022] 采用三维激光扫描准备修复的观音手状文物，获取该观音手状文物的点云数据；
[0023] 利用获取的观音手状文物的点云数据经三维重建得到该观音手状文物的三角网 格模型；
[0024] 采用骨架线提取算法处理从三角网格模型上提取出观音手状文物的三维空间骨 架线。
[0025] 上述三维模型骨架线提取流程中，骨架线提取算法处理包括：
[0026] 依次进行的对三角网格模型的几何收缩步骤、骨架简化步骤与节点微调步骤。
[0027] 上述提取方法中，对三角网格模型的几何收缩步骤为利用网格Laplace算子作用 在三角网格模型上，通过不断迭代使三角网格模型的顶点沿着该局部区域曲率的近似法向 方向移动，直到该文物的三角网格模型收缩为一个片状骨架形态网格模型。
[0028] 上述提取方法中，几何收缩步骤具体为：
[0029] 第一步，求解
【权利要求】
1. 一种观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，包括： 采用三维激光扫描获取待修复观音手状文物的点云数据； 利用获取的所述观音手状文物的点云数据经三维重建得到该观音手状文物的三角网 格模型； 采用骨架线提取算法处理从所述三角网格模型上提取出所述观音手状文物的三维空 间骨架线。
2. 根据权利要求1所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述骨架线提 取算法包括： 顺序进行的对所述三角网格模型处理的几何收缩步骤、骨架简化步骤与节点微调步 骤。
3. 根据权利要求2所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述对所述三 角网格模型处理的几何收缩步骤为利用网格Laplace算子作用在所述三角网格模型上，通 过不断迭代使所述三角网格模型的顶点沿着该局部区域曲率的近似法向方向移动，直到该 文物的三角网格模型收缩为一个片状骨架形态网格模型。
4. 根据权利要求3所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述几何收缩 步骤具体为： 響 fm·賴 第一步，求解/广'=^r0 *解得到Vt+1;其中，WUWtl1均为nXn带有权 值的对角矩阵，其中，初值设定为Wf=LO;Wi6βA为三角网格模型中所有三 角片的平均面积，V为三角网格模型中的笛卡尔坐标；
其中，cotCiij和cotPij为三角网格模型上的一条边（i，j)所组成的一条边的两个对 角的余切； 第二步：利用新解算的Vt+1更新Lt+1 ; 第三步：更新收缩权与约束权，A为第三角网格模型中，以i为顶点的一环三角网的面 积，其中
第四步：判断迭代终止条件：收缩后的模型体积/原模型体积〈1E-05 ;如果未达到终 止条件，则回到第一步；如果符合终止条件，则迭代终止。
5. 根据权利要求2、3或4所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述骨架 简化步骤为对所述几何收缩步骤后得到的片状骨架形态网格模型通过基于边折叠方式对 三角面进行删除，直到所有的三角面均被删除，得到只保留关键骨架点及其连线的简化骨 架线。
6. 根据权利要求5所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述骨架简化 步骤具体为： 先定义所述几何收缩步骤处理后的三角网格模型中每个顶点的QEM: 在该过程中，首先为该三角网格模型中每一条边（i，j)定义一个二次误差矩阵Kij(见 公式3-4)，依据空间中点到直线距离的矩阵计算方法可以得到，点p到其对边的二次误差 度量为Pt (KTijKij)P;
其中，a是三角网格模型中某一条边（i，j)的归一化的边向量，并且b=aXVpV是三 角网格模型的笛卡尔坐标； 如下述公式（3-5)所示，顶点i的初始二次误差为该点到其相关边的距离平方和：
其中，P为三角网格模型中，模型顶点的笛卡尔坐标； 在简化过程中，通过折叠一条边（i，j)所产生的二次误差度量保证骨架线形态，具体 为：
在对边（i，j)进行边折叠简化时，首先对每条边折叠的二次误差度量进行计算，然 后按照由小到大的顺序插入队列中，从二次误差度量最小的边开始折叠简化，具体为： ε(i,j) =aεa(i,j)+bεb(i,j)，其中，a和b的权值均取 1。
7. 根据权利要求2、3或4所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述节点 微调步骤是对所述骨架简化步骤得到的简化骨架线，通过建立骨架节点与迭代收缩停止后 的顶点及原模型之间的映射关系，以及与骨架简化前后的骨架点相关的收缩后模型顶点， 计算骨架点的偏移量，并对其位置进行修正得到最终的骨架线。
8. 根据权利要求7所述的观音手状文物骨架线提取方法，其特征在于，所述节点微调 步骤具体为： 根据三角网格模型几何收缩前与三角网格模型骨架简化后，模型顶点之间的映射关 系，每一个骨架线节点均会对应一个原始三角网格模型的带状区域，设该区域上、下两个边 界为j，因此每一个边界均包含有一个原模型的顶点点集I，计算该边界中顶点的加权平 均位移：
其中，是在一环边界j中顶点i的两个邻接边的长度之和，V为顶点坐标； 对于普通节点，即骨架点中有且仅有两个邻接边的点。由于这类骨架节点对应原模型 中的两环边界Cl1于d2。因此，骨架点的空间坐标调整为：
其中，V为骨架节点的笛卡尔坐标； 而对于分支节点，即具有大于或等于三个邻接边的节点，为了使模型的骨架线更符合 模型本体各几何结构之间的拓扑关系，则需要对距离过近的分支节点进行合并。在这里需 要注意，针对不同几何构造的模型，分支节点合并的阈值需要根据实际情况进行调整。并 且，分支节点骨架点的中心性调整为：
其中，V为骨架节点的笛卡尔坐标，N为分支数量； 最后一类骨架节点称为终端节点，该类节点的特点是有且仅有一个邻接边的点。这一 类顶点的微调方法为： V=v-d(3-12) 其中，V为骨架节点的笛卡尔坐标； 终端骨架点的位置应当位于模型表面。尽管在收缩过程中增加了较大的保形约束条 件，使其中终端节点能够更多地保持在模型表面附近，可是仍会出现脱离模型表面的问题。 因此，对终端节点的调整还需要找到其收缩前模型所对应的点，并将终端节点连接到对应 的模型点上。
【文档编号】G06T17/30GK104463972SQ201410683293
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】侯妙乐, 杨溯 申请人:北京建筑大学