交互式破碎文物虛擬修複方法

2023-06-03 13:25:06

交互式破碎文物虛擬修複方法
【專利摘要】本發明涉及交互式破碎文物虛擬修複方法，包括如下步驟：（1）文物碎片數據採集與分類；（2）基於Wiimote的三維模型交互；（3）文物碎片的互補拼接虛擬修復；（4）基於模板匹配的文物虛擬修復；（5）基於三維列印的文物實體修復。本發明利用MSME三軸加速度記、陀螺儀和紅外感應條實現了文物模型的交互控制，完成了對MSME位移及姿態6自由度信息的實時校準，克服了重力加速度、MEMS敏感度不高等造成交互控制準確性不高的局限；解決了不符合互補匹配關係但又存在語義相關性和符合互補關係但邊緣又不嚴格匹配兩種情況的文物碎片虛擬修復問題，並藉助三維印表機完成文物的快速實體修復。
【專利說明】交互式破碎文物虛擬修複方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及文物數位化修復【技術領域】中的交互式破碎文物虛擬修複方法，特別是涉及一種交互式破碎文物虛擬修複方法和實體修複方法。
【背景技術】
[0002]出土的古代文物在經受了若干年的自然風化、侵蝕和人為破壞之後，多數已經變得殘缺不全。考古工作者發掘到這些破碎文物後，需要對其分類、清洗、拼接、粘結、手工修復等工序恢復文物原貌。工作人員實際修復過程中須主要解決的問題為:(I)如何確定碎片的鄰接關係的問題，該問題本質是數學難題NP完全問題，最差的方法需要與每個碎片進行匹配；(2)如何確定不嚴格滿足互補匹配的文物碎片的拼接關係問題，現有方法大多依據斷裂面或斷裂線間的匹配關係進而確定文物碎片間的拼接關係，然而由於存在碎片邊緣的腐蝕、磨損等情況，一旦不嚴格滿足匹配關係，則很難完成修復。
[0003]近年來，藉助三維數字採集設備、計算機圖形學和數字圖像處理等技術，實現破碎文物的計算機輔助虛擬拼接修復已成為發展的趨勢。文物碎片的匹配和拼接是計算機輔助文物修復的難點，其和關鍵是如何計算鄰接碎片間的剛性變換使得位於不同坐標系下的文物模型變換到統一的坐標系，進而使得鄰接區域間的距離最小、鄰接碎片外邊緣過渡最平滑。文物碎片的拼接問題本質是曲線或曲面的匹配問題，屬於計算機圖形學領域的難點問題，該問題起源於古老的Jigsaw拼圖問題，但又存在不同，主要表現為:文物碎片的形狀各異、文物修復的最終形狀結果未知、文物碎片的幾何和紋理信息可能丟失、邊緣可能腐蝕嚴重、碎片之間並沒有固定的拼接規則、碎片之間的匹配關係較多容易產生錯誤匹配、三維掃描數據本身伴隨大量噪聲將會影響匹配的結果。上述因素給基於斷裂線、斷裂面或紋理匹配的文物碎片拼接帶來了極大的困難。另一方面部分文物碎片可能已經消失，利用匹配拼接方法並不能完成文物的修復，因此亟待提出新方法解決該問題。現今，三維快速成型技術已經成為機械加工等工業界發展的熱點，隨著成型設備列印精度的提高和材料種類的豐富，利用三維列印設備仿製文物，列印文物的待修復區域進而完成文物的實體修復已經成為可能。
[0004]目前，文物碎片匹配方法主要分為三類:(I)基於曲線匹配的方法，Kishon等提出將弧長、曲率和撓率作為碎片邊界輪廓的特徵描述算子，將碎片間的匹配問題轉換為字符串間的匹配問題，實現碎片的匹配；樊少榮等人提出在碎片特徵輪廓多邊形弧串匹配的基礎上，以跨界切矢作為約束條件提高輪廓匹配的正確性。(2)基於曲面匹配的方法，該方法已成為匹配方法的主流；Papai0ann0U等人通過碎片候選斷裂面識別、定義微分算子作為斷裂面匹配的度量函數和匹配結果的全局優化三個步驟實現碎片的拼接；BroWn等人通過構建Ribbon網格結構實現斷裂面的匹配，為了解決碎片腐蝕嚴重的問題，採用基於法線約束的ICP算法消除錯誤對應；Huang等人提出基於圖論和優化理論的全局與局部結合的多碎片匹配方法，引入基於積分不變量作為斷裂面特徵提取的方法。(3)基於紋理匹配的方法，紋理是文物的重要屬性，基於紋理或者幾何紋路的連續性，可以確定碎片間的匹配關係；SA?IRO?LU等人提出了一種根據文物表面紋理和圖片自動拼接文物碎片的方法，首先通Inpainting和紋理分析方法預測當前碎片周圍的紋理信息,然後提取預測出的紋理特徵和其他文物碎片的紋理特徵，進而引入傅立葉變換理論通過定義度量函數比較紋理特徵，最終計算碎片的旋轉和平移變換，實現碎片匹配。
[0005]但上述方法，仍不能有效解決不符合互補關係但又存在語義相關性和符合互補關係但邊緣又不嚴格匹配兩種情況的文物碎片虛擬修復問題，因此，在文物的數位化保護方面的技術尤其是對文物碎片的匹配和拼接修複方面的技術還亟待加強研究。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是，針對現有技術存在的問題，提供一種交互式破碎文物虛擬修複方法，有效解決不符合互補匹配關係但又存在語義相關性和符合互補匹配關係但邊緣又不嚴格匹配兩種情況的文物碎片的虛擬修復問題，從而提高文物修復的效率，進而為文物的數位化保護和實體修復提供更加高效可行的方法。
[0007]本發明解決問題的技術方案是:提供一種交互式破碎文物虛擬修複方法，該方法是基於文物碎片的交互式匹配的方法，包括如下步驟: [0008]( I)文物碎片數據採集與分類；
[0009](2)基於Wiimote的三維模型交互；
[0010](3)文物碎片的互補拼接虛擬修復；
[0011](4)基於模板匹配的文物虛擬修復；
[0012](5)基於三維列印的文物實體修復。
[0013]其中，在所述步驟(2)完成後，在文物碎片互補匹配的情況下，進行所述步驟(3)文物碎片的互補拼接虛擬修復，然後進行步驟(5 );在所述步驟(2 )完成後，在文物碎片互I匹配的情況為否時，進行所述步驟(4)基於模板匹配的文物虛擬修復，然後進行步驟(5)。
[0014]進一步地,所述步驟(2)包括:步驟(2.1)對慣性傳感器的校正，由Wiimote通過3軸MEMS加速度計和3軸MEMS陀螺儀控制物體模型的位移和姿態，其中，位移及姿態校準分為初始開機對準、周期性校準以及手動校準三個步驟，經過大量實驗對3軸加速度計和3軸陀螺儀的零偏特性進行統計，並根據其周期重複特性對其進行線性補償，實現位移及姿態6自由度信息的實時校準；步驟(2.2)依據MEMS的姿態運動軌跡，控制模型的六自由度變換。
[0015]優選地，所述步驟(2.2)包括:步驟(2.2.1)計算模型的旋轉變換；步驟(2.2.2)基於Wiimote與紅外感應條間的相對位置關係計算模型的平移變換。
[0016]較佳地，為了克服重力對角速度的影響，步驟(2.2.1)通過公式(I )和(II)計算模型的旋轉變換:
[0017]公式(I ):
【權利要求】
1.一種交互式破碎文物虛擬修複方法，其特徵在於，包括如下步驟: (1)文物碎片數據採集與分類； (2)基於Wiimote的三維模型交互； (3)文物碎片的互補拼接虛擬修復； (4)基於模板匹配的文物虛擬修復； (5)基於三維列印的文物實體修復。 其中，在所述步驟(2)完成後，在文物碎片互補匹配的情況下，進行所述步驟(3)文物碎片的互補拼接虛擬修復，然後進行步驟(5);在所述步驟(2)完成後，在文物碎片互補匹配的情況為否時，進行所述步驟(4)基於模板匹配的文物虛擬修復，然後進行步驟(5)。
2.根據權利要求1所述的交互式破碎文物虛擬修複方法，其特徵在於，所述步驟(2)包括: (2.1)對慣性傳感器的校正，Wiimote通過3軸MEMS加速度計和3軸MEMS陀螺儀控制物體模型的位移和姿態，其中，位移及姿態校準分為初始開機對準、周期性校準以及手動校準三個步驟，對3軸加速度計和3軸陀螺儀的零偏特性進行統計，並根據其周期重複特性對其進行線性補償，實現位移及姿態6自由度信息的實時校準； (2.2)依據MEMS的姿態運動軌跡，控制模型的六自由度變換。
3.如權利要求2所述的交互式破碎文物虛擬修複方法，其特徵在於，所述步驟(2.2)包括:(2.2.1)通過公式(I )和(II)計算模型的旋轉變換:
4.如權利要求1所述的交互式破碎文物虛擬修複方法，其特徵在於，所述步驟(3)包括:(3.1)基於拉普拉斯算子實現文物碎片斷裂面的分割；(3.2)利用Wiimote交互控制文物碎片模型的運動，實現滿足互補匹配關係的鄰接文物碎片的交互式粗匹配； (3.3)針對步驟(3.1)分割獲得的鄰接碎片的斷裂面，利用最近點迭代算法實現文物碎片的精確匹配，匹配過程中引入斷裂面不能相交和穿透作為匹配約束條件； (3.4)進行多個碎片的全局匹配，消除匹配過程中的誤差累計，進而實現滿足互補匹配關係的文物碎片的互補拼接虛擬修復。
5.如權利要求1所述的交互式破碎文物虛擬修複方法，其特徵在於，所述步驟(4)包括:(4.1)標準模型的選擇:如果破碎文物能依據自身結構的對稱性或者三維模型的孔洞填充算法實現模型的虛擬修復，則將修復後的模型作為標準模型；否則從已經建立的文物模型資料庫中，選擇滿足同種類型、幾何形狀、結構、年代的完整文物模型作為標準模型； (4.2)依據自身結構的對稱性生成標準模型:修復過程中首先交互地在模型的對稱平面上標定不少於三個頂點，然後利用最小二乘法計算模型的對稱平面。根據計算獲得的對稱面，利用鏡像方法計算文物模型殘缺區域的填充數據。由於填充數據與原始文物模型並不能嚴格匹配，通過非剛性配準方法將填充數據向原始文物模型進行幾何變形，最後將變形後的填充數據與原始文物模型進行網格融合，生成標準模型。非剛性配準過程中，定義由數據誤差函數、局部剛性能量函數和特徵點約束函數組成的能量函數，通過使用基於非對稱多波前算法的稀疏矩陣LU分解算法對定義的能量方程進行求解，實現填充數據向原始文物模型進行幾何變形； (4.3)文物碎片與標準模型的剛性匹配:利用Wiimote交互控制文物碎片的旋轉和平移變換，實現文物碎片和標準模型的粗匹配，進一步利用最近點迭代算法，實現文物碎片與標準模型的剛性 精確匹配； (4.4)文物碎片的拼接修復:重複上述步驟，利用文物碎片模型與標準模型的剛性匹配實現不嚴格滿足互補匹配的文物碎片的虛擬修復。
6.如權利要求1所述的交互式破碎文物虛擬修複方法，其特徵在於，所述步驟(5)包括:(5.1)輸出文物碎片的拼接關係，完成破碎文物的實體拼接； (5.2)將文物碎片數字模型輸入三維印表機製造，完成文物的實體修復。
【文檔編號】G06Q50/00GK103778662SQ201410006146
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】周明全, 稅午陽, 武仲科, 徐崇斌 申請人:北京師範大學