基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法技术

本发明专利技术属于计算机数字图像复原技术领域,具体的涉及一种基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法。该方法通过调制颜料样本，制作样本梯尺→测量颜料样本的初始光谱反射率数据和色度数据→进行老化试验，记录每个老化周期颜料样本的光谱反射率数据和色度数据→颜料光谱信息数据库的构建→计算色彩褪变不同老化时间的颜料浓度→建立颜色老化的动力学模型→褪变色颜料的色度计算→褪变色中国书画图像的色彩复原。该方法基于颜料成份老化前后的比例变化进行色彩复原，具有较强的客观性和实用性，对文博领域褪变色书画的颜色信息恢复及老化模拟具有较强的价值。

Spectrum-based color restoration method for faded Chinese painting and calligraphy

【技术实现步骤摘要】
基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法
本专利技术属于计算机数字图像复原
,具体的涉及一种基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法。
技术介绍
彩绘书画等文物艺术品蕴含着丰富的文化、艺术、经济和科技等重要历史信息，从不同侧面反映了不同历史时期的社会活动、社会关系、意识形态以及当时生态环境的状态，其高度的艺术感染力和表现力，色调的多样性和色彩结构的规律性，无不显示出高度的艺术审美价值，不仅是研究中国古代人文学、社会学、美学以及自然科学的重要资源，也是凝聚民族精神、促进中华文明传播的重要资源。但是，在岁月洗涤、保存环境及各种病害的影响下，文物颜色普遍出现了不同程度褪色、变色、老化、脱落丢失等病害，以致现在很难看到其本来的面目，此类病害现象不仅直接影响文物的鉴赏，而且影响彩绘书画信息的获取与表达，因此如何对其进行保护，尤其是数字化存档与修复，是当前迫切需要面对的问题。目前传统彩绘书画的信息复原主要通过传统临摹及数字复原等方式，传统临摹作品高度依赖艺术家的涵养，临摹图像色彩再现的准确性难以保证，画面失真及颜料用色也难以避免；在数字化虚拟修复方面，国内外学者进行了深入研究，如韩国庆北大学、美国孟塞尔颜色科学实验室、浙江大学、武汉大学、天津大学等机构综合利用色彩学知识、图形图像处理、人工智能等技术，通过色域变换以及图像增强技术再现其原始风貌，实现了彩绘书画的虚拟复原与演变模拟，但由于传统色度信息本身的非真实客观性，不能从本质上表征文物的颜色信息，缺少对文物色彩物质基础的理论分析，尤其对多因素作用下文物颜料呈色机理和变化规律认识不足，传统文物数字化过程很难保证颜色信息的真实性、客观性以及准确性。王强赵晓敏的专利—光致褪色喷绘艺术品的图像复原方法(CN201510597432X)从色度学角度，针对喷绘书画颜色褪变提出了一种可行方法，但是由于颜料成份及纸张性能与传统书画存在较大差异，因此对传统书画的颜色褪变并不太适用。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法。该方法以物质为基础，能够模拟不同老化时间下的颜色外貌，同时能够对褪变色书画进行颜色虚拟复原，再现初始状态下的颜色信息，具有较强的客观性和实用性，对文博领域褪变色书画的颜色信息恢复及老化模拟具有较强的价值。本专利技术所述的基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法，该方法通过调制颜料样本，制作样本梯尺→测量颜料样本的初始光谱反射率数据和色度数据→进行老化试验，记录每个老化周期颜料样本的光谱反射率数据和色度数据→颜料光谱信息数据库的构建→计算色彩褪变不同老化时间的颜料浓度→建立颜色老化的动力学模型→褪变色颜料的色度计算→褪变色中国书画图像的色彩复原。本专利技术所述的基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法，具体包括以下步骤：(1)以矿物和植物颜料为基础，混合动物明胶调制颜料样本，并与方解石以7种比例调和制作颜料样本梯尺，然后按照传统国画技法在透明玻璃上涂覆色块；(2)将颜料样本置于黑色哑光吸光绒布上，采用积分球分光光度计测量每个样本的光谱反射率信息和色度值，每个样本测量2-3次取平均值并进行数据记录；(3)将步骤(2)测量后的颜料样本，放置于老化箱内进行加速老化试验，老化实验以12小时为周期，共计老化500-1000小时，监测颜料样本的老化过程，每个老化周期完成后重复步骤(2)进行光谱反射率信息和色度信息的数据测量与记录工作；(4)基于Kubelka-Munk理论，通过步骤(2)中测量的各颜料梯尺的光谱反射率，计算颜料的吸收系数和散射系数，并建立颜料光谱信息基本数据库，并将步骤(3)老化试验的测量数据一并记录；(5)根据公式求解不同老化时间下的颜料成份浓度变化，公式如下：C＝(TE{Dk[Φk-Kfu]+Ds[Φs-Sfu]})-1TE{Dk[Ks-Kf]+Ds[Ss-Sf]}；(6)通过微分方程建立颜料老化的化学动力学模型，并求解参数，公式如下：(7)褪变色颜料的色度计算根据Kubleka-Munk理论，根据颜料的组成比例及光学参数，计算光谱反射率以及三刺激值，实现对彩绘颜色褪变色度值的预测和反向模拟，虚拟复原彩绘初始颜色外貌，公式如下：[X,Y,Z]T＝TEρ(8)根据步骤(6)得出的颜色褪变的动力学，反向求解褪色前的浓度值，通过步骤(7)计算的色度值，利用matlab软件或者Photoshop软件对褪变色图像中的褪色颜料区域进行分割识别，并进行初始颜色的替换，获得颜色复原后的中国书画。其中：步骤(1)中所述的矿物和植物颜料包括朱砂、石青、石绿、胭脂、赭石和藤黄；制作的颜料样本厚度要为2-3mm，使光线不能穿透颜料层，有色颜料与方解石混合为7阶梯尺，包含纯色与混色，具体比例为0％、10％、30％、50％、70％、90％、100％，其中0％代表矿物和植物颜料的加入量为0，100％代表方解石的加入量为0，方解石为500目或1000目的市售产品；颜料样本涂覆于透明玻璃上，要求玻璃透明无偏色，整体透明度在98％以上。有色颜料与方解石的混合，以10％为例，是有色颜料与方解石以1:9的体积比例混合。步骤(2)中所述的颜料样本的测量方式为漫射光照明，8度角接收的d/8°几何条件，仪器设置中包含镜面反射，即SCI测量。步骤(2)中所述的光谱数据测量，要将颜料样本置于黑色哑光吸光绒布之上，目的是摒除测量底基对颜色测量精度的干扰，进而更加精确的计算光学参数。步骤(2)所述的颜色测量具体是通过cix64UV积分球式分光光度计测量光谱反射率、L、a*、b*、C、h等参数，其中测量条件为d/8°，包含镜面反射光(SCI模式)，并用ColoriControl软件将数据输出为Excel形式，完成数据测量与记录。步骤(3)中所述的老化试验条件为：老化箱为密封环境，恒温恒湿，温度设置为29-31℃，湿度保持68-75％，UV紫外光照度为298-302lux，均匀照射于颜料样本之上。步骤(3)中所述的测量数据具体是测量光谱反射率、X、Y、Z、L*、a*、b*等参数；XYZ为颜色三刺激值，Lab为色度值，其中L*代表亮度，a*为红绿色度值，b*为蓝黄色度值。步骤(3)中所述的老化试验以12小时为周期，共计老化时间优选720小时。步骤(4)具体是用“色调梯度法”，将步骤(2)测量得到的颜料初始光谱反射率作为输入参数，利用matlab软件编程，计算常用28种国画颜料的吸收系数与散射系数，建立颜料光谱信息数据库，构建基于物质光谱反射率信息的颜色表征方法。步骤(5)所述的方程式中，C为颜料浓度，T为CIE1931标准观察者函数矩阵，E为光源光谱功率分布函数对角矩阵，Dk、Ds为n×n阶对角矩阵，Kf、Sf为吸收系数和散射系数的n×1阶列向量，n为测量波段数，Φk、Φs分别为颜料和方解石的吸收系数和散射系数构成的n×2阶矩阵，Ks、Ss为吸收系数和散射系数的n×1阶列向量，u为常数。步骤(5)求解各颜料的吸收系数和散射系数，基于求解的系数进行步骤(6)，求解不同老化条件下的颜料浓度。步骤(6)所述的方程式中，C(t)为颜料成份褪变老化时刻t的浓度，C0为初始浓度，k为老化速率，a为常数项。步骤(7)所述的方程式中，cp为颜料中原始未褪色颜料的浓度，cg为明胶的浓度，则褪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法，其特征在于：该方法通过调制颜料样本，制作样本梯尺→测量颜料样本的初始光谱反射率数据和色度数据→进行老化试验，记录每个老化周期颜料样本的光谱反射率数据和色度数据→颜料光谱信息数据库的构建→计算色彩褪变不同老化时间的颜料浓度→建立颜色老化的动力学模型→褪变色颜料的色度计算→褪变色中国书画图像的色彩复原。

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法，其特征在于：该方法通过调制颜料样本，制作样本梯尺→测量颜料样本的初始光谱反射率数据和色度数据→进行老化试验，记录每个老化周期颜料样本的光谱反射率数据和色度数据→颜料光谱信息数据库的构建→计算色彩褪变不同老化时间的颜料浓度→建立颜色老化的动力学模型→褪变色颜料的色度计算→褪变色中国书画图像的色彩复原。2.根据权利要求1所述的基于光谱的褪变色中国书画颜色复原方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)以矿物和植物颜料为基础，混合动物明胶调制颜料样本，并与方解石以7种比例调和制作颜料样本梯尺，然后按照传统国画技法在透明玻璃上涂覆色块；(2)将颜料样本置于黑色哑光吸光绒布上，采用积分球分光光度计测量每个样本的光谱反射率信息和色度值，每个样本测量2-3次取平均值并进行数据记录；(3)将步骤(2)测量后的颜料样本，放置于老化箱内进行加速老化试验，老化实验以12小时为周期，共计老化500-1000小时，监测颜料样本的老化过程，每个老化周期完成后重复步骤(2)进行光谱反射率信息和色度信息的数据测量与记录工作；(4)基于Kubelka-Munk理论，通过步骤(2)中测量的各颜料梯尺的光谱反射率，计算颜料的吸收系数和散射系数，并建立颜料光谱信息基本数据库，并将步骤(3)老化试验的测量数据一并记录；(5)根据公式求解不同老化时间下的颜料成份浓度变化，公式如下：C＝(TE{Dk[Φk-Kfu]+Ds[Φs-Sfu]})-1TE{Dk[Ks-Kf]+Ds[Ss-Sf]}；(6)通过微分方程建立颜料老化的化学动力学模型，并求解参数，公式如下：(7)褪变色颜料的色度计算根据Kubleka-Munk理论，根据颜料的组成比例及光学参数，计算光谱反射率以及三刺激值，实现对彩绘颜色褪变色度值的预测和反向模拟，虚拟复原彩绘初始颜色外貌，公式如下：[X,Y,Z]T＝TEρ(8)根据步骤(6)得出的颜色褪变的动力学，反向求解褪色前的浓度值，通过步骤(7)计算的色度值，利用matlab软件或者Photoshop软件对褪变色图像中的褪色颜料区域进行分割识别，并进行初始颜色的替换，获得颜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振，牟竟晓，葛惊寰，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，上海出版印刷高等专科学校，
类型：发明
国别省市：山东,37