CN102072723B - 基于数字摄影测量技术的考古器物制图与分类方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字摄影测量技术进行考古器物绘图并分类的方法。该方法利用数码相机获取的原始器物的数字影像，在局部坐标系和物方坐标控制下，基于数字摄影测量技术纠正成正射影像，绘制数字化的可量测的器物图，并基于此获取器物的特征、形状、尺寸，并和器物相关其他属性数据依据单一或组合要素，按照一定次序，进行器物形态的分类排比，以此实现辅助研究器物相对年代和演变规律。基于本发明的方法，可实现考古器物制图的数字化处理，并在满足精度需要的基础上，进行计算机自动辅助分类排序，减轻考古工作者的作业强度，提高工作效率。

Description

基于数字摄影测量技术的考古器物制图与分类方法

技术领域

本发明涉及对考古器物进行制图与分类的方法，特别涉及一种利用数字摄影测量技术来量测器物特征尺寸的方法。

背景技术

考古器物的形制是进行器物形态学研究的重要依据，其变化是有规律可寻的，是人们依据自己的需要而创造的，虽然存在差异，但是因为人们需求的一致性而表现出来的共性却是主要方面，在一个时期内制造的器物，它们的形制相对比较稳定并具有共同的特点。不同的文化之间，则因创造这些文化的人们的生产方式、生活方式有别，器物在形制方面必然有所不同。为了从差异和变化中探求规律性的东西，需要对出土物形制进行排比研究，一方面在横向上顾及共存的器物群中有关特征的一致性，另一方面在纵向上也要在同类器物中找到相应变化的一致性。这正是利用器物形制进行考古学文化研究的原因所在，而绘制器物图正是器物形态展示的重要手段。

器物绘图是田野考古室内整理的重要工作内容。绘图过程的实质是通过在头脑中得到的影像(理解过程)，通过描绘把影像准确的再现出来(表达过程)。目前主要还是基于手工量测，手工绘图，效率不高，精度较低。现有的相关研究注重视觉的表达，没有真实数据的再现，是不可量测的。

数字摄影测量学是数字图像处理领域中不可或缺的组成部分，通过对影像的分析、处理和解译，确定被摄物体的形状、大小和空间位置。根据器物绘图按正投影绘制的原理，表现的内容主要有形状、结构、尺寸等。

发明内容

本发明的目的在于解决目前考古器物的分类排序还是基于手工量测和人工判定、无法快速和大批量处理考古器物的分类研究的局限性，实现一种基于数字摄影测量技术进行器物量测方法，由于考古器物制图主要是基于正投影绘制正视图，因此数字摄影测量在此要解决的技术问题就是对原始数字影像进行几何纠正，得到正射影像，然后数字化成图。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案是：基于数字摄影测量技术的考古器物制图与分类方法，主要包括以下四个步骤：

(a)器物物方控制点的坐标获取，分为：器物物方控制点的布设，包括控制点的位置选取和标识的样式；控制点间相对长度的量取；物方坐标的设置，包括原点设置和在物方坐标系下的相对坐标的确定等；

(b)器物像方坐标到物方的几何纠正，包括：屏幕坐标系下，器物数字影像在步骤(a)下的物方控制点对应的屏幕坐标获取；基于直接线性变换方法解算物方相对坐标系与像方坐标间的映射关系；基于以上的映射关系实现整个器物影像从物方到像方的坐标变换和重采样，即从中心投影影像到正射影像的生成；

(c)基于纠正后正射器物影像的数字化：对步骤(b)所获得的器物正射影像按器物的形制特点进行数字化，包括外轮廓和内轮廓，并量取关键的形制尺寸自动保存到数据库；

(d)基于数字化器物图及相关属性信息对器物进行分类：由步骤(c)中获得的形制数据，按照考古器物分类研究对器物形制的量化指标，设计单一指标和复合指标，由计算机辅助对器物形态进行分类。

本发明基于数字摄影测量技术，将普通数码相机拍摄的器物影像，在物方坐标控制下纠正得到正射影像，再通过对考古器物制图的数字化处理，可以实现器物特征尺寸的三维量测。本发明的方法便于器物的量测和分类，并能够减轻考古工作者的作业强度，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明方法的步骤流程图。

图2是本发明方法中影像几何纠正重采样示意图。

图3是本发明方法中影像几何纠正的步骤流程图。

图4左图是本发明实施例建立的物方控制坐标系——量测相对坐标系，右图是以某一器物示意图为例的量测方法示意图。

图5是本发明实施例的像平面坐标系——屏幕坐标系。

图6是本发明实施例的生成的正射器物图。

具体实施例

下面结合附图和实施例做进一步详细说明。

正射制图原理：由数字摄影测量的理论可知，一般相机的成像是基于中心投影的，如果能确定投影中心、成像面(像片)与实际物体三者的关系，即三者所在光线的方程，则像片上任意一点的对应空间位置就能确定。而本发明中采用的普通数码相机是非量测相机，其内外方位元素和系统参数等11个参数都是未知的，因此采用直接线性变换(Direct Linear Transform，以下简称DLT)算法，无需内方位元素和外方位元素的初始近似值，避开这些参数的求解过程，直接进行像方坐标到物方三维坐标的解算。DLT算法的基本模型如式(1)：

$\left\{\begin{array}{c}x+\frac{l_1\×X+l_2\×Y+l_3\×Z+l_4}{l_9\×X+l_{10}\×Y+l_{11}\×Z+1}=0\\ y+\frac{l_5\×X+l_6\×Y+l_{11}\×Z+l_8}{l_9\×X+l_{10}\×Y+l_{11}\×Z+1}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，X，Y，Z为控制点的物方坐标，x，y为控制点的像方坐标，l₁～l₁₁为DLT算法的11个待定系数，是上述11个未知独立参数的函数。考虑到田野考古制图的器物大部分是轴中心对称，可在物方坐标采集时取最大剖面(包含器物所有的特征)上的采样点，这样可假定Z值为常数(拍摄时大致正对拍摄面)，因此式(1)可简化成式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}x+\frac{l_1^{*}\×X+l_2^{*}\×Y+l_3^{*}}{l_7^{*}\×X+l_8^{*}\×Y+1}=0\\ y+\frac{l_4^{*}\×X+l_5^{*}\×Y+l_6^{*}}{l_7^{*}\×X+l_8^{*}\×Y+1}=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

这是平面透视投影的物方平面坐标和像方平面坐标的重要关系式。由上式可知，要确定

8个参数，至少应在物方平面布设4个或4个以上的平面控制点。在实际操作中往往布设4个以上控制点，按最小二乘法则计算8个最优化参数。

从式(2)中可知，从物方到像方的透视投影存在着非线性的几何变形，即原始图像上各地物的几何位置、形状、尺寸、方位等特征与在参照系中的表达要求不一致。产生的因素都隐含于DLT算法的11个参数中，可通过几何纠正，恢复图像像元在空间剖面上的真实排列状态，从而生成制图所需的正射影像。

采用DLT算法实际是对原始影像进行间接几何纠正，由一定数量的控制点计算得到所有参数，确定物方到像方转换方程，实现物方坐标到像方平面坐标的直接解算。为保证纠正影像的质量，再进行颜色值的内插(见图2和式(3))。其处理过程如图3所示。

f(x，y)＝α*[β*f(i+1，j+1)+(1-β)*f(i+1，j)]+(1-α)*[β*f(i，j+1)+(1-β)*f(i，j)]    (3)

其中 $\left\{\begin{array}{c}i=\mathrm{Integer}\left(x\right)\\ j=\mathrm{Integer}\left(y\right)\end{array}\right.,\mathrm{\α}=x-i,\mathrm{\β}=y-i.$

考古器物图像几何纠正的具体步骤如下：

(1)首先根据式(2)，利用已知点的物、像平面坐标确定DLT算法的8个参数；

(2)利用物平面上控制点所包含的最大矩形确定待纠正区域；

(3)根据精度的需要确定纠正图像的分辨率，这样一个像元的物方大小可以计算得到，同时也可确定纠正图幅的大小；

(4)从纠正影像出发，按一定的物方坐标顺序依据式(2)，逐像素计算其在原始图像中对应的像点位置(x，y)，并进行颜色值的内插，填充到纠正影像相应像元点上。

实际操作流程如下：

(1)准备工作：在需要拍摄的器物表面上均匀布设4个以上的控制点(细小而显眼的标志)，一般选择对称、分散、均匀分布的位置(因为遗物通常比较精巧，而且形状各异，控制点应选取在遗物的边缘点上)，保证所有控制点所组成的矩形能完整反映遗物大小；

(2)量测：建立局部平面坐标系(如图4的左图)，以该器物表面上某一控制点为基准点(或者以包含器物外轮廓某一剖面的最小外接矩形的左上角点为基准点)，测量其它控制点相对于它的上下和左右的距离差值，以确定各控制点的坐标。通常的数据包括：口径、底径、腹径、通高、最宽处距离口径(底径)的高度等(如图4的右图)；原则上要能包含器物特征边缘的所有数据，保证校正的范围是包括整个器物的最小矩形。坐标设置如图4右图所示，标注的坐标是由量测长度模拟的控制点坐标，要保证所有坐标点的坐标为正值。

(3)拍摄：基本正对器物拍摄，保证口径部分大致水平，对称器物完整的特征展示，要求所有控制点都在像片范围内；不对称器物要多拍几张影像，直到能完全表现器物形态。

(4)计算机处理：将拍摄的像片从数码相机中导出存入数据库，录入各控制点的坐标，通过交互选取控制点的屏幕位置(坐标系如图5)，按照上述正射制图原理，进行纠正，最后生成正射影像，即数字化底图；

(5)制图输出：在底图上直接数字化、添加各种标注、属性赋值、修饰，最后通过布局窗口生成考古所需的器物正视图(如图6)。

(6)计算机自动辅助考古器物分类的实现：基于器物类型学原理，通过对已经数字化器物图的形状和属性数据(出土年代)的单一指标(如：口径、底径、腹径、壁厚、通高)或复合指标(如：口腹比、口底比、上腹率、下腹率)，按照一定次序，由计算机辅助给出器物形态的分类排比，用来辅助研究器物相对年代和演变规律。

Claims (1)

1.基于数字摄影测量技术的考古器物制图与分类方法，其特征在于包括以下四个步骤：

（a）器物物方控制点的坐标获取，分为：器物物方控制点的布设,包括控制点的位置选取和标识的样式；控制点间相对长度的量取；物方坐标的设置，包括原点设置和在物方坐标系下的相对坐标的确定等；

（b）器物像方坐标到物方的几何纠正，包括：屏幕坐标系下，器物数字影像在步骤（a）下的物方控制点对应的屏幕坐标获取；基于直接线性变换方法解算物方相对坐标系与像方坐标间的映射关系；基于以上的映射关系实现整个器物影像从物方到像方的坐标变换和重采样，即从中心投影影像到正射影像的生成；几何纠正的具体步骤如下：

（1）根据公式

X,Y为控制点的物方坐标，x,y为控制点的像方坐标,利用已知点的物、像平面坐标确定直接线性变换算法的8个参数 

（2）利用物平面上控制点所包含的最大矩形确定待纠正区域；

（3）根据精度的需要确定步骤（2）所述待纠正区域的分辨率，计算得到一个像元的物方大小，确定纠正影像的图幅的大小；

（4）从纠正影像出发，按一定的物方坐标顺序依据步骤（1）中的公式，逐像素计算其在原始图像中对应的像点位置，并进行颜色值的内插，填充到纠正影像相应像元点上；

（c）基于纠正后正射器物影像的数字化：对步骤（b）所获得的器物正射影像按器物的形制特点进行数字化，包括外轮廓和内轮廓，并量取关键的形制尺寸自动保存到数据库；

（d）对器物进行分类：由步骤（c）中获得的形制尺寸，按照考古器物分类研究对器物形制的量化指标，设计单一指标和复合指标,由计算机辅助对器物形态进行分类。 

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