CN102609924A - 石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法，该方法通过摄影采集、图像处理、图像存储。利用散点透视、平行移动原理，采用自主设计的摄影采集系统和独特的十字骨架图像拼接处理方法，安全的数据存储，进行规范化的石窟文物壁画数字化，可将同一壁面拍摄的上千张甚至更多原始图像拼接融合为一幅无痕、完美的高保真原大全景图像。达到长久保存和永续利用这份人类珍贵的文化遗产。

Description

石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法

技术领域

本发明涉及一种石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法。

背景技术

敦煌莫高窟以精美的壁画和塑像闻名于世。莫高窟自公元366年开凿，现存北凉、北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等时代兴建的洞窟735个、壁画4.5万平方米、彩塑2415尊，是世界上现存规模最大、内容最丰富的佛教艺术宝库。近代发现的藏经洞，内有5万多件古代文物，由此衍生专门研究藏经洞典籍和敦煌艺术的学科——敦煌学。1961年，敦煌莫高窟被公布为第一批全国重点文物保护单位之一。1987年，被列为世界文化遗产名录。

千百年来，由于自然因素的作用和人为因素影响，敦煌壁画正遭受着起甲、空鼓、变色、酥碱、脱落、风化等病害。造成彩绘的褪色、剥落。对莫高窟构成前所未有的威胁。众所周知，文物是不能再生的，也是不能永生的。尽管采取了许多保护措施，但是，敦煌石窟文物，特别是脆弱的壁画逐渐褪化趋势无法逆转，持久保存敦煌艺术的信息面临着严峻的挑战。此外，敦煌石窟脆弱的壁画和塑像及其狭小的洞窟空间，与迅速发展的旅游开放所形成的矛盾日益突出。因此，如何能够永久地保存、又能永续利用这份人类珍贵的文化遗产，将千年的文化传承于世，我国公开了“一种基于数字化技术的古代洞窟文物获取方法及拍摄平台”(专利号：01112283.8)。该方法包括：1)使用位置分类法分割壁画；2)按照壁画测绘结果，采用分辨率计算法确定拍摄计划；3)使用白板拍摄的方法调整闪光灯；4)采用古代洞窟壁画文物获取拍摄平台进行拍摄；5)在表格上记录拍摄情况；6)使用计算机图像处理软件对拍摄好的图像进行图像拼接处理。该方法的不足之处是：1)洞窟壁画凹凸不平，拍摄出的单幅图像分辨率不一致；2)拍摄出的图像色彩不逼真，色彩还原不够真实；3)拼接图像的形变未控制，变形较大；4)利用白板拍摄图像调整闪光灯的方法环境光的衍射色彩还原不够准确、曝光不够统一；随着计算机技术的快速发展，计算机在各个领域得到使用推广，如何采用数字摄影、计算机图形学、数字图像处理与人工智能等技术保护古代珍贵文物，寻找一种新的手段与方法，永久保护这份人类珍贵的文化遗产。

发明内容

面对逐渐消退的千年壁画文化遗产，本发明的目的旨在提供一种石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法。该方法能够以高保真的数字化图像方式，将高分辨率数字图像存储于计算机中，使这份人类珍贵的文化遗产——敦煌壁画不至于漶灭。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法：其方法包括：

a.摄影采集

1)拍摄方案编写：制定摄影采集方案，确定使用的镜头、光圈、摄影距离、轨道行节点、轨道列节点参数；

2)确定摄影采集分辨率：300dpi。

3)计算实际拍摄范围：依据摄影采集分辨率P dpi，根据数码相机的像素Z，感光元器件长边像素为X、宽边像素为Y，依据如下公式，可计算出实际拍摄范围的长L cm，宽W cm。

Z＝X×Y

$L=2.54\×\frac{X}{P}$

$W=2.54\×\frac{Y}{P}$

4)计算摄距：依据摄影成像原理、实际拍摄范围长L cm与宽W cm、镜头和相机感光元器件的长L’cm与宽W’cm参数，利用相似三角形根据如下公式计算出摄距xcm：x＝L*镜头/L’；

5)硬件色彩管理：使用Profile Maker 5.0和Eye One Pro对拍摄用数码相机和显示器制作ICC文件，进行色彩管理；

6)摄影采集系统搭设：对洞窟规模、壁面斜度、曲率和狭窄空间综合考量，进行轨道铺设、摄影框安装，最后固定相机；

7)测光：测试灯光照度，确定曝光值为5500K，1/60s，f11-16；

8)色卡拍摄：在使用标准色温下，拍摄24色标准色卡；

9)拍摄：由下至上、由左至右开始逐张拍摄壁画图片，相邻图片的上下与左右均50％的重叠度；

10)现场检查：检查单幅图片的焦点虚实、重叠度、曝光均匀性、每行图片的数量，边缘完整性；

11)元数据记录：记录拍摄时间、拍摄人员、洞窟壁面位置、相机编号、光圈、感光度、相机高度、摄距；

12)存储图像：将拍摄的洞窟原始图像数据进行存储；

b.图像处理

1)硬件色彩管理：使用Profile Maker 5.0和Eye One Pro对图形处理工作站制作ICC文件进行色彩管理；

2)色温确定：3200K至5500K；

3)图像畸变校准：采用Photoshop软件对镜头造成的光学透视畸变的原始图像进行校准；

4)裁切比例确定：对单幅图像边缘处品质较差部分进行裁切；

5)图像拼接：在Photoshop CS5中，建立基本壁面大小的画布，以拼接壁画的中心为原点，建立整幅壁画的十字框架，然后以原点为起始点，以十字框架为中心发散拼接；

6)畸变调整：采用Photoshop CS5软件，通过匹配特征点位置对被摄壁面不够平整造成图像的透视畸变进行调整；

7)色彩调整：采用Photoshop CS5软件，对少数图像存在细微的色彩差异的部位进行调整；

8)图像融合：通过畸变调整和色彩调整，将整壁的所有原始图像拼接融合为一张全景图像；

9)存储：按照洞窟编号、位置、方位进行存储；

c.检查、验收

1)图像检查、修改：在Photoshop中将拼接完成的最终图像显示比例放大到100％，逐块检查其内容，确保图像清晰度、图像色彩、图像畸变、图像内容准确；

2)验收检查：验收图像清晰度、图像色彩、图像畸变、图像内容并存储于服务器。

本发明的优点和产生的有益效果：

1、本发明采用数字摄影、计算机图形图像学、近景摄影测量技术，使用数码相机分幅拍摄高分辨率的壁画数字图像，所获取的单幅图像利用图像处理软件在图形处理工作站上完成最终合成，在整个获取、处理、存储的过程中进行严格的色彩控制和畸变控制，使得壁画数字图像达到高保真、高分辨率的标准。

2、摄影采集时，本发明采用镜头实时调节摄距，使凹凸不平的壁面的投影面在相机焦平面达到一致，为图像拼接提供准确的原始图像；

3、采用爱色丽色彩管理软件Profile maker 5.0(使用Measure Tool、Profile maker模块)和硬件Eye one Pro，对相机与显示设备进行色彩管理，达到图像色彩逼真，准确还原壁画色彩信息；

4、本发明采用十字框架图像处理方法，完成高分辨率图像拼接处理，分散和减小形变误差累积，保证所获取的数字图像每像素所携带的特征信息、相邻像素关系完整和准确；另一方面，基础框架的确立使得多任务并行处理成为可能，很大程度上分割了拼接处理的先后顺序和依赖性，极大的提高图像处理效率，从而提升了整个工作流效率。

5、利用漫反射遮挡光源阻环境光对壁面产生的衍射，壁画色彩还原准确，同时，避免强光直射对壁画造成的损伤；

6、本发明采用300dpi的摄影采集分辨率，摄影采集分辨率高，达到原始壁画实际尺寸的两倍，图像清晰、层次丰富、色彩逼真。

附图说明

图1为本发明摄距计算示意图；

图2为本发明检测布光均匀性示意图；

图3为本发明摄影采集相邻两张单幅图像重叠度示意图；

图4为本发明摄影采集顺序图；

图5为本发明单幅图像畸变校准示意图；

图6为本发明图像拼接方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实际操作进行详细说明：

一种石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法，包括：

第一步：拍摄采集

拍摄方案编写：根据洞窟的形制、塑像、壁画、从北凉、北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等时代、洞窟空间大小、壁画面积、墙面形变情况做系统的调查，制定摄影采集方案。

本发明以敦煌莫高窟第57窟南壁为拍摄对象，该洞窟修建于初唐，晚唐重修，覆斗形顶，西壁开一龛，南壁面积约为12.6m²，壁面较为平整，曲率较小。该方法要求的设备包括：基于轨道的壁画摄影采集系统一套，CanonEOS-1Ds Mar kIII相机一台，DELL T7500工作站一台，EIZO CG223W图形显示器一台，标准色卡，水平尺，相机存储卡3张，Profilemaker 5Eye-One pro系列色彩管理工具，数码相机SG色卡，爱玲珑RX闪光灯一套及闪光灯电源，其具体方法如下：

1)确定摄影采集分辨率：300dpi。

2)计算实际拍摄范围：依据摄影采集分辨率P＝300dpi，根据数码相机Canon EOS-1Ds Mar kIII的像素Z＝2100万，感光元器件长边像素为X＝5616、宽边像素为Y＝3744，依据如下公式，

Z＝X×Y

$L=2.54\×\frac{X}{P}$

$W=2.54\×\frac{Y}{P}$

可计算出实际拍摄范围的长L＝47.5cm，宽W＝31.7cm。

3)计算摄距：依据摄影成像原理图1、实际拍摄范围长ab＝47.5cm、镜头为EF 85mm f/1.2LII USM和相机感光元器件的长L’＝36cm或宽W’＝24cm参数，利用三角形abo和a’b’o为相似三角形计算出摄距eo。

eo＝47.5×36/85＝112.3cm

4)确定使用的Canon EOS-1Ds MarkIII相机、Canon EF 85mm f/1.2L II USM定焦镜头、光圈F16、速度1/60s、摄影距离112.3cm、轨道行节点23cm、轨道列节点15cm参数；

5)相机色彩管理：制作数码相机Icc Profile需要使用PM5(Profile maker模块)，Digital ColorChecker SG色卡。第一步：在规定条件下使用数码相机拍摄色卡，使用标准色温光源，拍摄结果要求光线柔和均匀，相同色块间RGB值误差不得超过5，亮度、对比度要求全黑色块RGB值不超过20，全白色块RGB值不低于220；第二步：使用Profile maker，打开拍摄好的色卡图片并调整好位置；第三步：设置Photo Task和Light Sourse参数，点击开始制作相机Icc Profile，完成后保存，命名带有日期，位置

WINDOWS\system32\spool\drivers\color文件夹。

6)摄影采集系统搭设：综合考量洞窟空间大小和难易程度，轨道铺设需要8英尺和4英尺的轨道各一对，摄影框安装，最后固定相机；

7)测光：采集作业中，在工作现场设计灯光，力求同一洞窟空间所使用的摄影灯光一致；确定最终使用的曝光值和漫反射布光方式，在拍摄壁面上放置方格白板拍摄(白板不能接触壁画)，在白板中间选择点1，在四角顺序选择点2，点3，点4，点5共五个点，确保任意两点的RGB值相差不大于10，使得被摄壁面的光线照度保持统一的均匀性(见图2)；

8)色卡拍摄：整幅壁面拍摄Q14色阶(Kodak)卡；

9)摄影采集：采用基于轨道的摄影采集系统，面对拍摄壁面，以拍摄壁面的左下角为坐标原点，建立拍摄坐标系，以原点为拍摄起点，X轴方向为拍摄方向，拍摄第一行row01，然后拍摄第二行row02……，最终以自下而上的方向拍摄完整壁壁面(见图3)。相邻图像的上下与左右均50％的重叠度。以图4e为中心，在图4e中有菱形图案，图4d与图2e的左半部分重叠50％，图4b与图4e的右半部分重叠50％，图4a与图4e的上半部分重叠50％，图4c与图4e的下半部分重叠50％，图4a、图4b、图4c、图4d和图4e拼接融合，达到图4f效果。

10)现场检查：对于完成拍摄的每张图像均由图像处理人员进行现场检查，确保检查图像的焦点虚实、重叠度、曝光均匀性、每行图像的数量，边缘完整性。

11)元数据记录：现场检查人员需及时、准确的记录元数据，包括记录拍摄时间、拍摄人员、洞窟壁面位置、相机编号、光圈、感光度、相机高度、摄距。具体元数据记录表格如下：

12)存储图像：当日完成的图片拍摄准确、安全的存入本地计算机，同时利用移动存储设备及时上传至服务器，按照预定义的目录级别进行传输，并确认文件正确性。共拍摄26层，每层23张照片，包括色卡、方格白板等属性描述文件在内，最终获得原始RAW数据634张。

第二步：图像处理

1)显示器色彩管理：为显示器制作色彩特性文件(Icc Profile)，需要使用格林达软件Profile maker 5.0(使用Measure Tool、Profile maker模块)，硬件Eye one Pro，对图形处理工作站进行色彩管理，第一步：使用Measure Tool连接Eye one Pro；第二步：使用Profile maker开始读取制作显示器线性文件(txt文件)；第三步：显示器线性做好后，点击开始制作显示器Icc Profile，完成后保存，命名带有日期，位置是WINDOWS\system32\spool\drivers\color文件夹，最后通过操作系统的色彩设置将该ICC文件作为系统默认属性；

2)色温确定：5500K。

3)图像畸变校准：镜头本身因光学设计造成的透视畸变，使用Photoshop软件对图像进行针对性校准。如图5所示，拍摄方格板查看镜头因光学设计造成的透视畸变，使用Photoshop软件对存在畸变的单幅图像矫正，见图5a，单幅图像得到畸变矫正的效果，间图5b。

4)裁切比例确定：采用不同焦距的镜头，其固有的光学特性对成像质量的影响不同，对图像边缘处品质较差部分进行裁切。

5)图像拼接：在Photoshop CS5中，建立基本壁面大小的画布，以拼接壁画的中心为原点，建立整幅壁画的十字框架，然后以原点为起始点，以十字骨架为中心发散拼接，最终拼接完成无痕、完美的整幅壁画的全景数字图像(见图6)，莫高窟第57窟南壁全景数字图像在300dpi分辨率下，宽81756像素，高65372像素。

6)畸变调整：对被摄壁面不够平整造成图像的透视畸变进行调整；另外相机在绝对水平和垂直位置关系的情况下，依然会存在部分细小而造成图像的透视畸变也要进行调整。因此使用Photoshop通过调整匹配特征点位置达到对齐目的。

7)色彩调整：在拍摄采集过程中，尽管要求所有图像曝光统一和色彩一致。但是由于拍摄空间限制、其他壁面反光、被摄物材质的影响，少数部位存在细微的色彩差异，这种差异通过使用Photoshop软件进行色彩调整，使所有图像色彩达到统一。

8)图像融合：最终通过畸变调整和色彩调整，将相邻图像进行图片的拼合，使拍摄的两张数字图像融合为一张完美的图像。逐次累加形成最终的整个壁面图像。

9)存储：按照洞窟编号、位置、方位进行存储MG57_MC_SW.psb，文件量大小为16.8GB。

第三步：检查、验收

1)检查修改：在Photoshop中将拼接完成的最终图像文件显示比例放大到100％，逐块检查其内容，确保图像清晰度、图像色彩、图像畸变、图像内容准确。存在问题的部分使用原始单张图像进行修补。

2)验收检查：验收图像清晰度、图像色彩、图像畸变、图像内容，合格后存储于服务器指定位置。

Claims (1)

1.一种石窟寺壁画数字化高保真图像采集处理方法：其方法包括：

a.拍摄采集

1)拍摄方案编写：制定摄影采集方案，确定使用的镜头、光圈、摄影距离、轨道行节点、轨道列节点参数；

2)确定摄影采集分辨率：75dpi、150dpi、300dpi；

3)计算实际拍摄范围：依据摄影采集精度P dpi，根据数码相机的像素Z，感光元器件长边像素为X、宽边像素为Y，依据如下公式，可计算出实际拍摄范围的长L cm，宽W cm；

Z＝X×Y

$L=2.54\×\frac{X}{P}$

$W=2.54\×\frac{Y}{P}$

4)计算摄距：依据摄影成像原理、实际拍摄范围长L cm与宽W cm、镜头和相机感光元器件的长L’cm与宽W’cm参数，利用相似三角形根据如下公式计算出摄距xcm：x＝L*镜头/L’；

5)硬件色彩管理：使用Profile Maker 5.0和Eye One Pro对拍摄用数码相机和显示器制作ICC文件，进行色彩管理；

6)摄影采集系统搭设：对洞窟规模、壁面斜度和曲率综合考量进行轨道铺设、摄影框安装，最后固定相机；

7)测光：测试灯光照度，确定曝光值为5500K，1/60s，f11-16；

8)色卡拍摄：在使用标准色温下，拍摄24色标准色卡；

9)拍摄：由下至上、由左至右开始逐张拍摄图像，相邻图像的上下与左右均50％的重叠度；

10)现场检查：检查图像的焦点虚实、重叠度、曝光均匀性、每行图像的数量，边缘完整性；

11)元数据记录：记录拍摄时间、拍摄人员、洞窟壁面位置、相机编号、光圈、感光度、相机高度、摄距；

12)存储图像：将拍摄的洞窟原图像数据进行存储；

b.图像处理

1)硬件色彩管理：使用Profile Maker 5.0和Eye One Pro对图形处理工作站制作ICC文件进行色彩管理；

2)色温确定：3200K至5500K；

3)图像畸变校准：采用Photoshop软件对镜头造成的光学透视畸变的原始图像进行校准；

4)裁切比例确定：对单幅图像边缘处品质较差部分进行裁切；

5)图像拼接：在Photoshop CS5中，建立基本壁面大小的画布，以拼接壁画的中心为原点，建立整幅壁画的十字框架，然后以原点为起始点，以十字骨架为中心向发散拼接，最终拼接完成无痕、完美的整幅壁画的全景数字图像；

6)畸变调整：采用Photoshop CS5软件，通过匹配特征点位置对被摄壁面不够平整造成图像的透视畸变进行调整；

7)色彩调整：采用Photoshop CS5软件，对少数图像存在细微的色彩差异的部位进行调整；

8)图像融合：通过畸变调整和色彩调整，将正壁的所有原始图像拼接融合为一张全景图像；

9)存储：按照洞窟编号、位置、时代进行存储；

c.检查、验收

1)自检修改：在Photoshop中将拼接完成的最终图像显示比例放大到100％，逐块检查其内容，确保图像清晰度、图像色彩、图像畸变、图像内容准确；

2)验收检查：验收图像清晰度、图像色彩、图像畸变、图像内容存储于服务器。

Images