一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，属于计算机图形图像处理领域。该方法首先利用文物碎片特征线刻画碎片表面几何纹理及其断裂部位轮廓线，然后针对断裂轮廓线上不同的点，生成不同的局部自适应邻域，邻域中同时包含文物碎片表面几何纹理及表面颜色纹理，从而将断裂部位轮廓线的匹配扩展为断裂部位“轮廓带”的匹配；最后通过断裂部位“轮廓带”的匹配，确定文物碎片的邻接关系，利用刚体变换完成邻接碎片拼接。本发明专利技术提出的基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，能够有效融合文物碎片上的多种特征，针对断裂部位存在缺损碎片，具有自动化程度高和结果准确度高的优点。

A method of automatic splicing of cultural relics based on adaptive neighborhood matching

The invention discloses a method for automatic splicing of cultural relics based on adaptive neighborhood matching, which belongs to the field of computer graphics and image processing. Using the method of characteristic line depicts the cultural debris debris surface geometric contour texture and fracture line, then the fault contour line different points, generate different local adaptive neighborhood, neighborhood also includes cultural debris surface texture and surface color texture, thus the fracture site contour matching as part of \contour fracture with\ matching; finally, the fracture position \profile belt\, determine the adjacency relation of relic fragments, complete the adjacent fragments by rigid transformation. The automatic mosaic method of cultural relics based on adaptive neighborhood matching proposed by the invention can effectively integrate multiple features of cultural relics, and has the advantages of high automation and high accuracy in response to defective fragments in the fractured part.

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法
本专利技术属于计算机图形图像处理
，涉及一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法。
技术介绍
文物是历史社会的发展和演变中，由人类智慧及劳动所创造的具有历史、艺术及科学价值的遗物和遗迹，代表了一个民族的文化底蕴和智慧结晶，还标志着不同历史时期经济、政治、科技及文化的发展水平和走向，为当代人了解历史、研究历史提供了可靠的依据及弥足珍贵的素材。因此，文物保护工作至关重要。从20世纪90年代起，伴随信息技术的爆炸式发展，尤其是数字摄影技术、光学扫描技术、虚拟现实、多媒体等技术的研究与兴起，文物修复和复原工作也进入了信息时代，利用数字化手段对文物进行虚拟复原，即计算机辅助文物碎片虚拟拼接技术得到了长足的发展。数字化技术的出现与进步，对文物复原、保护及展示等具有重要意义，相较于传统手工复原方法，数字化虚拟拼接技术能够不受时间和空间的限制，在提高文物复原效率的同时，避免人工复原对文物的二次破坏。文物碎片拼接问题是文物虚拟复原领域的研究热点与关键问题，其核心在于根据文物碎片模型上显著特征的相似性判定碎片的邻接关系，并通过邻接碎片的拼合实现文物复原。目前，针对文物碎片虚拟拼接问题，诸多学者分别做了大量的研究。根据特征提取阶段所提取特征的不同，当前碎片拼接算法可以分为几何特征驱动的方法以及非几何特征驱动的方法；根据文物碎片的类型，可分为薄壁类文物复原方法和非薄壁类文物复原方法；然而，无论是薄壁类碎片还是非薄壁类碎片的拼合，其基本的拼接流程是一致的，具体到拼接方法，不同则在于其特征对象及相应的形状描述方法，并且，基于不同的特征及形状描述子，后续步骤中所采用的匹配技术亦不相同。根据复原流程是否需要人工指导参与，可以分为自动复原方法与交互式复原方法。现有的大部分碎片自动拼接方法，都依赖于碎片断裂部位(断裂面或断裂轮廓线等)的几何信息，因此针对断裂部位较完整的碎片具有较好的效果；基于统计计算的方法则针对轴对称形状的物体效果较理想。当碎片数量较大且形状复杂多变时，交互式拼接算法也难以获得令人满意的效果。也就是说，现有碎片自动拼接算法，针对断裂部位存在缺损碎片，往往容易失效。参考文献：[1]Vendrell-VidalE.Adiscreteapproachforpairwisematchingofarchaeologicalfragments[J].JournalonComputing&CulturalHeritage,2014,7(3):1-19
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，解决了现有技术需依赖碎片断裂部位几何信息的完整性及准确性，针对断裂部位缺损文物碎片容易失效的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，包括以下步骤：步骤一，对每个碎片的轮廓线进行均匀采样，得到离散的包含有颜色信息的采样点；根据采样点的颜色信息将轮廓线划分成多个曲线段；步骤二，在所有碎片中任选两个碎片，计算分别位于两个碎片的轮廓线上的任意两个曲线段的颜色累积差，根据颜色累积差将所有碎片分成多个初始匹配组；步骤三，计算初始匹配组中所有碎片的轮廓线上的每个采样点的方向角特征向量，根据采样点的方向角特征向量将每个初始匹配组转化为二次匹配组；步骤四，对每个二次匹配组内的能够二次匹配的碎片进行表面几何纹理特征线桥接判定，选取能够进行桥接的碎片形成三次匹配组；步骤五，对每个三次匹配组内的能够三次匹配的碎片进行颜色纹理拼接判定，选取能够进行颜色纹理拼接的碎片形成四次匹配组；步骤六，针对每个四次匹配组，若所述四次匹配组内仅存在一对一的四次匹配碎片，则这两个碎片能够拼接；若所述四次匹配组内存在一对多的多组四次匹配碎片，则计算每组四次匹配的两个碎片的多特征融合相似度，将计算得到的多个多特征融合相似度的值按照从小到大的顺序进行排序，多特征融合相似度的最小值对应的两个碎片即为能够拼接的碎片。具体地，所述步骤二中的根据颜色累积差将所有碎片分成多个初始匹配组，采用的方法如下：用Efg表示碎片Fi上的第f个曲线段和碎片Fj上的第g个曲线段的颜色累积差，若存在Efg小于给定阈值，则认为碎片Fi和碎片Fj初始匹配，否则，碎片Fi和碎片Fj不能初始匹配；碎片Fi以及与碎片Fi初始匹配的所有碎片Fj形成一个初始匹配组。具体地，所述步骤三中的根据采样点的方向角特征向量将每个初始匹配组转化为二次匹配组，包括以下步骤：记初始匹配组中能够初始匹配的碎片为Fi和Fj，计算碎片Fi的轮廓线上的第t个采样点和碎片Fj的轮廓线上的第k个采样点之间的方向角特征向量相似度Sit,jk；若Sit,jk≤δ，且Si(t+a),j(k+a)≤δ，其中，a为整数，δ为设定的阈值，则碎片Fi和碎片Fj二次匹配；选取碎片Fi和与其二次匹配的所有碎片Fj形成二次匹配组。具体地，所述步骤四中的对每个二次匹配组内的能够二次匹配的碎片进行表面几何纹理特征线桥接判定，选取能够进行桥接的碎片形成三次匹配组，包括以下步骤：计算二次匹配组内所有碎片的表面几何纹理特征线的方向向量；根据表面几何纹理特征线的方向向量，选取能够初步桥接的碎片，初步桥接后的碎片中包含多条初步桥接后的表面几何纹理特征线；计算初步桥接后的表面几何纹理特征线上的桥接点的方向角特征向量和所述桥接点的多个相邻点的方向角特征向量；计算所述桥接点分别与多个相邻点之间的方向角特征向量相似度，若求得的方向角特征向量相似度均小于或者等于设定值，则所述能够初步桥接的碎片能够进行桥接。具体地，所述步骤五中的对每个三次匹配组内的能够三次匹配的碎片进行颜色纹理拼接判定，选取能够进行颜色纹理拼接的碎片形成四次匹配组，包括以下步骤：记三次匹配组内能够三次匹配的两个碎片Fi和碎片Fj，计算碎片Fi和碎片Fj的轮廓线上的非桥接点的Delaunay邻域；确定Delaunay邻域中多组相邻的三角面片；针对每一组相邻的三角面片建立切向根据切向计算碎片Fi和碎片Fj中相邻的三角面片的颜色纹理相似度；若针对每一组相邻的三角面片，颜色纹理相似度均小于或者等于设定值，则碎片Fi和碎片Fj能够进行拼接。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：通过自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，能够有效融合文物碎片点云模型中的多种特征，进而为断裂部位缺损碎片邻接关系的判定提供更多约束，利用自适应邻域的匹配确定碎片的邻接关系，以此完成碎片的拼接与重组。文物修复及研究人员采用本专利技术，能够实现断裂部位存在缺损文物碎片的自动拼接问题，有效提高文物修复效率，缩短文物复原周期。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是碎片二次匹配的示意图；其中(a)表示曲线段上采样点示意图，(b)表示采样点的匹配示意图；图3是方向角示意图；其中(a)表示连接点与连接边的示意图，(b)表示局部坐标系内方向角示意图；图4是表面几何纹理特征线匹配约束条件示意图；其中，(a)表示表面几何纹理特征线l1局部坐标系，(b)表示表面几何纹理特征线l2局部坐标系，(c)表示表面几何纹理特征线l1与表面几何纹理特征线l2的桥接示意图；图5是表面颜色纹理匹配约束示意图；图6是De本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对每个碎片的轮廓线进行均匀采样，得到离散的包含有颜色信息的采样点；根据采样点的颜色信息将轮廓线划分成多个曲线段；步骤二，在所有碎片中任选两个碎片，计算分别位于两个碎片的轮廓线上的任意两个曲线段的颜色累积差，根据颜色累积差将所有碎片分成多个初始匹配组；步骤三，计算初始匹配组中所有碎片的轮廓线上的每个采样点的方向角特征向量，根据采样点的方向角特征向量将每个初始匹配组转化为二次匹配组；步骤四，对每个二次匹配组内的能够二次匹配的碎片进行表面几何纹理特征线桥接判定，选取能够进行桥接的碎片形成三次匹配组；步骤五，对每个三次匹配组内的能够三次匹配的碎片进行颜色纹理拼接判定，选取能够进行颜色纹理拼接的碎片形成四次匹配组；步骤六，针对每个四次匹配组，若所述四次匹配组内仅存在一对一的四次匹配碎片，则这两个碎片能够拼接；若所述四次匹配组内存在一对多的多组四次匹配碎片，则计算每组四次匹配的两个碎片的多特征融合相似度，将计算得到的多个多特征融合相似度的值按照从小到大的顺序进行排序，多特征融合相似度的最小值对应的两个碎片即为能够拼接的碎片。...

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对每个碎片的轮廓线进行均匀采样，得到离散的包含有颜色信息的采样点；根据采样点的颜色信息将轮廓线划分成多个曲线段；步骤二，在所有碎片中任选两个碎片，计算分别位于两个碎片的轮廓线上的任意两个曲线段的颜色累积差，根据颜色累积差将所有碎片分成多个初始匹配组；步骤三，计算初始匹配组中所有碎片的轮廓线上的每个采样点的方向角特征向量，根据采样点的方向角特征向量将每个初始匹配组转化为二次匹配组；步骤四，对每个二次匹配组内的能够二次匹配的碎片进行表面几何纹理特征线桥接判定，选取能够进行桥接的碎片形成三次匹配组；步骤五，对每个三次匹配组内的能够三次匹配的碎片进行颜色纹理拼接判定，选取能够进行颜色纹理拼接的碎片形成四次匹配组；步骤六，针对每个四次匹配组，若所述四次匹配组内仅存在一对一的四次匹配碎片，则这两个碎片能够拼接；若所述四次匹配组内存在一对多的多组四次匹配碎片，则计算每组四次匹配的两个碎片的多特征融合相似度，将计算得到的多个多特征融合相似度的值按照从小到大的顺序进行排序，多特征融合相似度的最小值对应的两个碎片即为能够拼接的碎片。2.如权利要求1所述的基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，其特征在于，所述步骤二中的根据颜色累积差将所有碎片分成多个初始匹配组，采用的方法如下：用Efg表示碎片Fi上的第f个曲线段和碎片Fj上的第g个曲线段的颜色累积差，若存在Efg小于给定阈值，则认为碎片Fi和碎片Fj初始匹配，否则，碎片Fi和碎片Fj不能初始匹配；碎片Fi以及与碎片Fi初始匹配的所有碎片Fj形成一个初始匹配组。3.如权利要求1所述的基于自适应邻域匹配的文物碎片自动拼接方法，其特征在于，所述步骤三中的根据采样点的方向角特征向量将每个初始匹配组转化为二次匹配组...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨禾，李康，周明全，耿国华，苏惠明，袁洁，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61