一种文物碎片的虚拟拼接复原方法及系统

1.本发明涉及文物虚拟复原技术领域，特别涉及一种文物碎片的虚拟拼接复原方法及系统。


背景技术：

2.文物是一个民族的瑰宝，是一个民族历史和文化的体现，通过文物的复原，可以进一步解读历史、传承文化。随着计算机技术的快速发展，应用计算机技术进行文物的虚拟复原不仅可以提高文物修复效率，还可以避免对文物造成二次损坏。因此，利用计算机技术实现文物虚拟复原具有重要的意义。
3.在计算机技术虚拟复原文物的领域中，针对于文物碎片的虚拟拼接复原一直是人们热议的话题，大量文物碎片的拼接复原往往使人们无从下手。现有的文物碎片的虚拟拼接复原技术是通过三维扫描获取文物碎片的三维点云数据，然后基于文物碎片的三维点云数据进行碎片形状以及碎片断裂面的匹配分析，从而达到文物碎片的虚拟拼接复原。但是，仅仅通过碎片形状以及碎片断裂面的匹配分析进行文物碎片的虚拟拼接复原，不仅依据太过单一，无法实现文物碎片的精准虚拟拼接，并且由于文物复原过程中没有用于参照的相似文物，导致文物碎片虚拟拼接复原的精准性进一步下降。
4.为此，如何提供一种能够综合分析文物碎片虚拟拼接复原的有效依据，提高文物碎片虚拟拼接复原精准性的方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种文物碎片的虚拟拼接复原方法及系统。本发明不仅通过对文物碎片多角度图像的三维点云数据和文物碎片三维激光扫描信息的三维点云数据进行预处理，得到更准确的三维点云数据，从基础上提高了文物碎片虚拟拼接复原的精准性，并基于三维点云数据，度量并综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物，充分考虑分析了文物碎片虚拟拼接复原的有效依据，提高了文物碎拼虚拟拼接过程中的精准性，并通过度量并综合文物间(第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中的文物)的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物，使得文物复原过程中有相似文物用于参照，提高了文物碎拼虚拟复原过程中的精准性。本发明通过对文物碎片虚拟拼接复原的基础、拼接、复原过程中的综合改进，有效提高了文物碎片虚拟拼接复原的精准性。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种文物碎片的虚拟拼接复原方法，包括：
8.步骤(1)：获取文物碎片的多角度图像和三维激光扫描信息，分别提取三维点云数据，并进行预处理。
9.步骤(2)：基于预处理后的三维点云数据，分别度量文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度。
10.步骤(3)：综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物。
11.步骤(4)：根据文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物。
12.可选的，步骤(1)中，预处理具体为：对多角度图像和三维激光扫描信息的三维点云数据进行去噪、精简、配准、特征识别和区域分割。
13.可选的，步骤(2)中，度量文物碎片间的纹饰形状相似度具体为：
14.两个文物碎片x1和x2的纹饰形状轮廓点的形状特征向量分别为的纹饰形状轮廓点的形状特征向量分别为和
15.计算过两个纹饰形状轮廓点的匹配度b
i，j
为：
[0016][0017]
根据两个纹饰形状轮廓点间最优匹配时的匹配度之和，度量两个文物碎片x1和x2的纹饰形状相似度c：
[0018][0019]
其中，是文物碎片x1的纹饰形状轮廓点，是文物碎片x2的纹饰形状轮廓点。
[0020]
可选的，步骤(2)中，度量文物碎片间的颜色纹理相似度具体为：
[0021]
两个文物碎片x1和x2的颜色纹理特征分别为和
[0022]
计算两个文物碎片x1和x2的颜色值差异δc
l
和灰度共生矩阵纹理差异如下：
[0023][0024][0025]
计算重构误差δx
l
、δp
l
及重构误差的稀疏值δxs
l
、δps
l
，如下：
[0026]
(δx
l
，δxs
l
)＝gdr(δc
l
，φ1，φ2)
[0027][0028]
其中，φ1和φ2表示测量矩阵。
[0029]
计算重构误差差异，如下：
[0030][0031][0032]
结合颜色直方图差异δh
l
，计算两个文物碎片x1和x2的颜色纹理相似度：
[0033]
sim(x1，x2)＝αdist(x)+βdist(p)+γdist(h)
[0034]
其中，α、β、γ为加权系数；dist(h)的计算，如下：
[0035][0036]
可选的，步骤(2)中，度量文物碎片间的三维几何形状相似度具体为：
[0037]
分别确定两个文物碎片x1和x2的显著几何特征pa和pb，计算各自关键点邻域内所有点到该邻域中心点的距离d，如下：
[0038]
d＝min(dim(pa)，dim(pb))
[0039]
若d＜dim(pa)，则截取pa的前d个分量并进行归一化处理：
[0040][0041]
若d＜dim(pb)，则截取pb的前d个分量并进行归一化处理：
[0042][0043]
得到向量或
[0044]
利用欧式距离法计算或作为两个文物碎片x1和x2的三维几何形状相似度。
[0045]
可选的，步骤(3)中，当满足下式时，进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物：
[0046]
或
[0047]
其中，0.3、0.4、0.3为加权系数；0.9为文物碎片拼接阈值。
[0048]
可选的，步骤(4)中，文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度与文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度计算方式相
同。
[0049]
综合文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物。
[0050]
可选的，综合文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度与综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度的计算方式相同。
[0051]
本发明还提供一种文物碎片的虚拟拼接复原系统，包括：
[0052]
信息获取模块：用于获取文物碎片的多角度图像和三维激光扫描信息。
[0053]
数据提取模块：用于提取多角度图像和三维激光扫描信息的三维点云数据。
[0054]
数据预处理模块：用于对多角度图像和三维激光扫描信息的三维点云数据进行去噪、精简、配准、特征识别和区域分割。
[0055]
相似性度量模块：包括纹饰形状相似度度量模块、颜色纹理相似度度量模块、三维几何形状相似度度量模块，分别用于基于预处理后的三维点云数据度量文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度；以及相似度度量综合模块用于综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度。
[0056]
文物碎片拼接模块：用于根据文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度的综合结果进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物。
[0057]
文物云数据库：存储有文物的多角度图像，根据文物的多角度图像可获得文物的三维点云数据。
[0058]
相似性度量模块中的纹饰形状相似度度量模块、颜色纹理相似度度量模块、三维几何形状相似度度量模块以及相似度度量综合模块还用于度量并综合第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中文物的文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度。
[0059]
文物匹配及复原模块：用于根据第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中文物的文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度的度量综合结果，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，并根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物。
[0060]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提出了一种文物碎片的虚拟拼接复原方法及系统。本发明不仅通过对文物碎片多角度图像的三维点云数据和文物碎片三维激光扫描信息的三维点云数据进行预处理，得到更准确的三维点云数据，从基础上提高了文物碎片虚拟拼接复原的精准性，并基于三维点云数据，度量并综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物，充分考虑分析了文物碎片虚拟拼接复原的有效依据，提高了文物碎拼虚拟拼接过程中的精准性，并通过度量并综合文物间(第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中的文物)的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物，使得文物复原过程中有相似文物用于参照，提高了文物碎拼虚拟复原过程中的精准性。本发明通过对文物碎片虚拟拼接复原的基础、拼接、复原过程中的综合改进，有效提高了文物碎片虚拟拼接复原的精准性。
附图说明
[0061]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0062]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0063]
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0065]
实施例1：
[0066]
本发明实施例1公开了一种文物碎片的虚拟拼接复原方法，包括：
[0067]
步骤(1)：获取文物碎片的多角度图像和三维激光扫描信息，分别提取三维点云数据，并进行预处理，包括：对多角度图像和三维激光扫描信息的三维点云数据进行去噪、精简、配准、特征识别和区域分割，得到更准确的三维点云数据。
[0068]
步骤(2)：基于预处理后的三维点云数据，分别度量文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度。
[0069]
度量文物碎片间的纹饰形状相似度具体为：
[0070]
两个文物碎片x1和x2的纹饰形状轮廓点的形状特征向量分别为的纹饰形状轮廓点的形状特征向量分别为和
[0071]
计算过两个纹饰形状轮廓点的匹配度b
i，j
为：
[0072][0073]
根据两个纹饰形状轮廓点间最优匹配时的匹配度之和，度量两个文物碎片x1和x2的纹饰形状相似度c：
[0074][0075]
其中，是文物碎片x1的纹饰形状轮廓点，是文物碎片x2的纹饰形状轮廓点。
[0076]
度量文物碎片间的颜色纹理相似度具体为：
[0077]
两个文物碎片x1和x2的颜色纹理特征分别为和
[0078]
计算两个文物碎片x1和x2的颜色值差异δc
l
和灰度共生矩阵纹理差异如下：
[0079][0080][0081]
计算重构误差δx
l
、δp
l
及重构误差的稀疏值δxs
l
、δps
l
，如下：
[0082]
(δx
l
，δxs
l
)＝gdr(δc
l
，φ1，φ2)
[0083][0084]
其中，φ1和φ2表示测量矩阵。
[0085]
计算重构误差差异，如下：
[0086][0087][0088]
结合颜色直方图差异δh
l
，计算两个文物碎片x1和x2的颜色纹理相似度：
[0089]
sim(x1，x2)＝αdist(x)+βdist(p)+γdist(h)
[0090]
其中，α、β、γ为加权系数；dist(h)的计算，如下：
[0091][0092]
度量文物碎片间的三维几何形状相似度具体为：
[0093]
分别确定两个文物碎片x1和x2的显著几何特征pa和pb，计算各自关键点邻域内所有点到该邻域中心点的距离d，如下：
[0094]
d＝min(dim(pa)，dim(pb))
[0095]
若d＜dim(pa)，则截取pa的前d个分量并进行归一化处理：
[0096][0097]
若d＜dim(pb)，则截取pb的前d个分量并进行归一化处理：
[0098][0099]
得到向量或
[0100]
利用欧式距离法计算或作为两个文物碎片x1和x2的三维几何形状相似度。
[0101]
步骤(3)：综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物。
[0102]
当满足下式时，进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物：
[0103]
或
[0104]
其中，0.3、0.4、0.3为加权系数；0.9为文物碎片拼接阈值。
[0105]
步骤(4)：根据文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物。
[0106]
文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度与文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度计算方式相同。
[0107]
综合文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物。
[0108]
综合文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度与综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度的计算方式相同。
[0109]
实施例2：
[0110]
本发明实施例2提供了一种文物碎片的虚拟拼接复原系统，包括：
[0111]
信息获取模块：用于获取文物碎片的多角度图像和三维激光扫描信息。
[0112]
数据提取模块：用于提取多角度图像和三维激光扫描信息的三维点云数据。
[0113]
数据预处理模块：用于对多角度图像和三维激光扫描信息的三维点云数据进行去噪、精简、配准、特征识别和区域分割。
[0114]
相似性度量模块：包括纹饰形状相似度度量模块、颜色纹理相似度度量模块、三维几何形状相似度度量模块，分别用于基于预处理后的三维点云数据度量文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度；以及相似度度量综合模块用于综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度。
[0115]
文物碎片拼接模块：用于根据文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度的综合结果进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物。
[0116]
文物云数据库：存储有文物的多角度图像，根据文物的多角度图像可获得文物的三维点云数据。
[0117]
相似性度量模块中的纹饰形状相似度度量模块、颜色纹理相似度度量模块、三维几何形状相似度度量模块以及相似度度量综合模块还用于度量并综合第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中文物的文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状
相似度。
[0118]
文物匹配及复原模块：用于根据第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中文物的文物间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度的度量综合结果，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，并根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物。
[0119]
本发明实施例公开了一种文物碎片的虚拟拼接复原方法及系统。本发明不仅通过对文物碎片多角度图像的三维点云数据和文物碎片三维激光扫描信息的三维点云数据进行预处理，得到更准确的三维点云数据，从基础上提高了文物碎片虚拟拼接复原的精准性，并基于三维点云数据，度量并综合文物碎片间的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度进行文物碎片的拼接，得到第一虚拟拼接复原文物，充分考虑分析了文物碎片虚拟拼接复原的有效依据，提高了文物碎拼虚拟拼接过程中的精准性，并通过度量并综合文物间(第一虚拟拼接复原文物与文物云数据库中的文物)的纹饰形状相似度、颜色纹理相似度、三维几何形状相似度，从文物云数据库中为第一虚拟拼接复原文物匹配相似文物，根据相似文物完成第一虚拟拼接复原文物的复原，得到第二虚拟拼接复原文物，使得文物复原过程中有相似文物用于参照，提高了文物碎拼虚拟复原过程中的精准性。本发明通过对文物碎片虚拟拼接复原的基础、拼接、复原过程中的综合改进，有效提高了文物碎片虚拟拼接复原的精准性。
[0120]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0121]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。