CN102663828B - 一种三维书法碑刻或牌匾自动生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的三维书法碑刻或牌匾自动生成方法，步骤依次包括：用户交互输入书法碑刻或牌匾的拓片或者照片、生成三维书法碑刻或牌匾的模型类型及碑刻或牌匾雕刻模式：阴刻、阳刻或阴阳刻；对输入的碑刻或牌匾的拓片或者照片进行轮廓检测；对检测结果进行二维欧氏距离变换，生成距离场，作为文字表面初始高度估计；根据雕刻方式调制碑刻或牌匾的距离场，再进行高斯模糊，得到文字表面高度估计，并生成刻字表面高度估计和细节高度估计，叠加刻字表面高度估计和细节高度估计得到三维书法碑刻或牌匾的模型高度估计并输出。用该方法可以高效快速地生成高质量的三维书法碑刻或牌匾效果，它可以用于传统文化遗产的数字化保护、现代碑刻、牌匾的计算机辅助设计。

Description

一种三维书法碑刻或牌匾自动生成方法

技术领域

本发明涉及三维书法碑刻或牌匾的自动生成方法。

背景技术

书法是文字书写的一种法则，按照文字特点及其涵义，以相应书体笔法、结构和章法写字，使之成为富有美感的艺术作品，成为一种深厚的中国传统文化艺术，它不仅是中华民族的文化瑰宝，而且在世界文化艺术宝库中独放异彩。

碑刻，则是书法与雕刻相结合的产物。它把书法文字雕刻在石头上，从而可以比纸张更加长久地保存书法作品，也可以在露天环境里置放。典型的例子包括房山石经，西安碑林以及众多的碑铭志等。但由于介质和工具的改变，碑刻在力图保持书法文字艺术特征的同时，也糅合了雕刻艺术特征，即把笔画刻成有深度变化的，向内凹的立体线条(称阴刻)，从而形成一种新的艺术形式。

与碑刻非常类似的牌匾，除了采用碑刻里的阴刻外，还可以采用把文字笔画刻成凸起的阳刻以及文字剖面呈W状的阴阳刻法，从而形成更加复杂的立体文字表面，因而具有极高的审美价值，广泛地应用于宫殿、牌坊、寺庙、商号、民宅等建筑的显赫位置，向人们传达皇权、文化、人物、信仰、商业等信息。

碑刻受到潮湿、风化、灰尘以及石材本身质地等因素影响，在碑刻表面造成剥落以及文字模糊。此外在强外力作用下碑刻还可能发生纹裂以及严重损毁。我国在古代就用宣纸在碑刻上拓印，一方面可以增加保存书法作品的媒介种类，另一方面拓印在古代也起到类似印刷的作用，可对同一件碑刻作品多次拓印得到多份拓片，然后携带到其它地方供更多人欣赏。但拓片只记录了碑刻的书法文字形状，碑刻上文字因雕刻留下的深度信息则丧失掉。

如果能用拓片图像生成其碑刻效果，不仅可以清晰地再现碑刻上的文字信息，同时又能克服拓片的缺点，表现出碑刻文字的深度变化。生成的虚拟3D碑刻模型可以直接用在数字图书馆，数字博物馆等，对传统文化保护有重要意义。对于牌匾，如果通过书写在纸张上的文字信息自动生成牌匾文字的深度图，包括阴刻，阳刻以及阴阳刻的多种效果供用户选择，然后用数字雕刻机加工牌匾。与手工雕刻牌匾相比可大大提高牌匾制作效率，降低制作成本。

发明内容

本发明的目的是提供三维书法碑刻或牌匾自动生成方法，通过该方面用户只需要输入单张书法作品的拓片或者照片，以及选择生成类型和指定少量参数就可以快速的自动生成接近实物、高质量的三维碑刻或牌匾模型。

为了实现上述目的，本发明的三维书法碑刻或牌匾自动生成方法，包括以下步骤：

1)用户交互输入书法碑刻或牌匾的拓片或者照片；

2)输入生成三维书法碑刻或牌匾的模型类型；

3)输入碑刻或牌匾雕刻模式：阴刻、阳刻或阴阳刻；

4)对输入的碑刻或牌匾的拓片或者照片进行轮廓检测，步骤如下：

使用基于局部区域尺度可变的活动轮廓模型对输入的拓片或者照片I进行轮廓检测，将图像分割成K-1个不连续的笔画区域SR_i和背景区域BR，其中笔画区域由单个孤立笔画或者有交叉的多个笔画组成，I表示成：

$I={\∪}_{i=1}^{K-1}{\mathrm{SR}}_i+\mathrm{BR}$

得到分割区域图；

5)对检测结果进行二维欧氏距离变换，生成距离场，作为文字表面初始高度估计；包括如下步骤：

a、对于每个笔画区域SR_i，其内部的点P＝{p∈SR_i}设置为非特征点，背景区域BR内的点P′＝{p′∈SR_i}设置为特征点。

b、采用斜切距离变换近似计算每一个非特征点p′到与其最近的特征点p的二维欧氏距离值，得到距离灰度图，即距离场D，将该距离场D作为三维书法碑刻或牌匾中的文字表面的初始高度估计；

6)若执行指令为碑刻时，则：

定义阴刻、阳刻和阴阳刻的调制函数分别为HM1、HM2和HM3，其中HM1＝-u×hmax，HM2＝u×hmax，HM3＝(u-1)×hmax，这里

d_x，y表示像素(x，y)的距离值，dmax为d_x，y，((x，y)∈P)集合中的最大值，hmax为文字最大高度，hmax＜1；

根据选择的碑刻雕刻模式，使用对应的调制函数HM1、HM2或HM3作用于距离场D的每一点，得到调整后的距离场D′；

7)若执行指令为牌匾时，则：

a、输入截断系数a，0＜a＜1；

b、定义阴刻、阳刻和阴阳刻的调制函数分别为HM1′、HM2′和HM3′，其中

${\mathrm{HM}1}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}-\frac{u}{a}\&times;h\max ,(u<a)\\ -h\max ,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$

${\mathrm{HM}2}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}\frac{u}{a}\&times;h\max ,(u<a)\\ h\max ,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$

${\mathrm{HM}3}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}(\frac{u}{a}-1)\&times;h\max ,(u<a)\\ 0,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$ 这里

d_x，y表示像素(x，y)的距离值，dmax为d_x，y，((x，y)∈P)集合中的最大值，hmax为文字最大高度，hmax＜1，当文字高度上升到截断系数a时进行截断；

根据选择的牌匾雕刻模式，使用对应的调制函数HM1′、HM2′或HM3′作用于距离场D的每一点，得到调整后的距离场D′；

8)生成文字表面高度估计GH；步骤如下：

a、对调制后的距离场D′采用高斯滤波进行平滑处理，高斯滤波的核取距离场D′中的最大像素值d′max；

b、将分割区域图中的笔画区域像素值设置为1，背景区域像素值设置为0，得到分割区域图的二值模板，将分割区域图的二值模板和高斯滤波后的图形做乘积运算，运算结果作为文字表面高度估计GH，对于碑刻GH＝G(HMi)(i＝1、2或3)，对于牌匾GH＝G(HMi′)(i＝1、2或3)，这里G表示高斯滤波及乘积复合函数；

9)根据选择的碑刻或牌匾的雕刻模式生成背景区域高度估计BH，将背景区域高度估计BH与文字表面高度估计GH叠加得到刻字表面的高度估计LH；步骤如下：

a、用L表示完整的书法碑刻或牌匾的刻字表面，LH表示L的高度估计，用BL表示背景区域BR对应的表平面，BH表示表平面BL的高度估计，用H_init表示雕刻前介质表面的初始高度，根据选择的文字雕刻模式生成背景区域表平面高度BH，用n表示雕刻方式，其由如下方程确定：

$\mathrm{BH}=\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{init}},(n=1)\\ H_{\mathrm{init}}-h\max ,(H_{\mathrm{init}}>h\max ,n=2)\\ H_{\mathrm{init}},(n=3)\end{array}\right.$

其中n＝1表示阴刻雕刻方式，n＝2表示阳刻雕刻方式，n＝3表示阴阳刻雕刻方式，

b、将背景区域高度BH与文字表面高度估计GH叠加得到刻字表面的高度估计LH，其由如下方程计算：

LH＝BH+GH  (n＝1或3时，BH＞hmax)

10)生成细节高度估计；步骤如下：

a、将输入的书法碑刻或牌匾的拓片或者照片转换成灰度图，得到的灰度图进行反相操作，对灰度图中每个笔画区域SR_i计算出该区域的平均灰度srg_i，对背景区域BR计算出该区域的平均灰度brg；

b、将碑刻或牌匾灰度图中的每个笔画区域SR_i内的像素值分别减去对应的平均灰度srg_i，背景区域BR减去灰度brg，得到细节高度估计Hd；

11)将刻字表面高度估计LH和细节高度估计Hd分别进行归一化，按照公式H＝(1-b)LH+bHd叠加刻字表面高度估计LH和细节高度估计Hd生成书法碑刻或牌匾的高度估计并输出，式中b为叠加比例，0＜b＜1。

本发明具有以下优点：

1.本发明可以根据实物照片快速地恢复出接近实物的碑刻或牌匾的三维模型，易于存储且不易流失，对于传承文化有重要意义。

2.本发明可以根据书法作品快速生成三维的碑刻或牌匾模型，易于修改，节省了大量时间和材质。

3.本发明实现了生成三维书法碑刻或牌匾方面工作从无到有的突破，能生成高质量的书法碑刻或牌匾，并且大大降低了算法开销。

附图说明

图1是本发明的三維书法碑刻或牌匾自动生成流程图；

图2是本发明斜切距离变换采用的掩模示意图；

图3是本发明的碑刻距离场调制流程图；

图4是本发明的牌匾距离场调制流程图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

本发明的三维书法碑刻或牌匾自动生成方法流程如图1所示，该流程依次有如下步骤：

1)用户交互输入书法碑刻或牌匾的拓片或者照片；

2)输入生成三维书法碑刻或牌匾的模型类型；

3)输入碑刻或牌匾雕刻模式：阴刻、阳刻或阴阳刻；

4)对输入的碑刻或牌匾的拓片或者照片进行轮廓检测，步骤如下：

a、使用基于局部区域尺度可变的活动轮廓模型对输入的拓片或者照片图像I进行轮廓检测，将图像分割成K-1个不连续的笔画区域SR_i和背景区域BR，其中笔画区域由单个孤立笔画或者有交叉的多个笔画组成，I可以表示成：

$I={\&cup;}_{i=1}^{K-1}{\mathrm{SR}}_i+\mathrm{BR}$

得到分割区域图；

5)对检测结果进行二维欧氏距离变换，生成距离场，作为文字表面初始高度估计；包括如下步骤：

a、对于每个笔画区域SR_i，其内部的点P＝{p∈SR_i}设置为非特征点，背景区域BR内的点P′＝{p′∈SR_i}设置为特征点。

b、用d_x，y表示像素(x，y)的距离值，用D表示图像I的距离灰度图，即距离场，采用斜切(Chamfer)距离变换近似计算每一个非特征点p′到与其最近的特征点p的二维欧氏距离值，具体为：使用掩模并行或串行扫描整个图像I近似计算二维欧氏距离变换。在扫描过程中，掩模的中心点被顺序放置于图像的每个像素(x，y)上，依次将掩模上的每个像素点(设该像素点的在掩模上的位置为(k，l)，掩模中心点的位置为(0，0))离中心点的局部距离c(k，l)加到(x，y)对应的像素值d_x，y上，(x，y)新的像素值为所有这些加和的最小值。用

代表图像中点(x，y)在第m次迭代后的距离值，初始时置 $\left\{\begin{array}{c}{d}_{x,y}^0=0,(x,y)\&Element;P^{\&prime;}\\ d_{x,y}^0=+\&infin;,(x,y)\&Element;P\end{array}\right.,$ 第m次迭代后的像素(x，y)的值按如下方程计算：

$d_{x,y}^m={\min }_{(k.l)\&Element;\mathrm{mask}}(d_{x+k,y+l}^{m-1}+c(k,l))$

反复迭代直至所有像素点的值不再变化，假设采用5×5的掩模，掩模中每行每列的参数值由最优斜切距离变换方法得到，参数值如图2所示，其中空白处表示掩模中该位置处不需要参数，得到的距离场D，作为三维书法碑刻或牌匾中的文字表面的初始高度估计。

6)若执行指令为碑刻时(流程见图3)，则：

定义阴刻、阳刻和阴阳刻的调制函数分别为HM1、HM2和HM3，其中HM1＝-u×hmax、HM2＝u×hmax、HM3＝(u-1)×hmax，这里

dmax为d_x，y，((x，y)∈P)集合中的最大值。hmax为文字最大高度，hmax＜1。

根据选择的碑刻雕刻模式，使用对应的调制函数HM1、HM2或HM3作用于距离场D的每一点，得到调整后的距离场D′；

7)若执行指令为牌匾时(流程见图4)，则：

a、输入截断系数a，0＜a＜1，一般取a＝0.1～0.2；

b、定义阴刻、阳刻和阴阳刻的调制函数分别为HM1′、HM2′和HM3′，其中 ${\mathrm{HM}1}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}-\frac{u}{a}\&times;h\max ,(u<a)\\ -h\max ,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$ ${\mathrm{HM}2}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}\frac{u}{a}\&times;h\max ,(u<a)\\ h\max ,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$ ${\mathrm{HM}3}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}(\frac{u}{a}-1)\&times;h\max ,(u<a)\\ 0,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}.\right.$ 这里

dmax为d_x，y，((x，y)∈P)集合中的最大值。hmax为文字最大高度，hmax＜1。

当文字高度上升到截断系数a时进行截断，根据选择的牌匾雕刻模式，使用对应的调制函数HM1′、HM2′或HM3′作用于距离场D的每一点，得到调整后的距离场D′；

8)生成文字表面高度估计GH；步骤如下：

a、对调制后的距离场D′采用高斯滤波进行平滑处理，高斯滤波的核取距离场D′中的最大像素值d′max；

b、将分割区域图中的笔画区域像素值设置为1，背景区域像素值设置为0，得到分割区域图的二值模板，将分割区域图的二值模板和高斯滤波后的图形做乘积运算，运算结果作为文字表面高度估计GH，其对应的方程为GH＝G(HMi)(i＝1、2或3)，这里G表示高斯滤波及乘积复合函数；

9)根据选择的碑刻或牌匾的雕刻模式生成背景区域高度估计BH，将背景区域高度估计BH与文字表面高度估计GH叠加得到刻字表面的高度估计LH；

a、用L表示完整的书法碑刻或牌匾表面，即刻字表面，LH表示L的高度估计，用BL表示背景区域BR对应的表平面，BH表示表平面BL的高度估计，用H_init表示雕刻前介质表面的初始高度，根据选择的文字雕刻模式生成背景区域表平面高度BH，用n表示雕刻方式，其由如下方程确定：

$\mathrm{BH}=\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{init}},(n=1)\\ H_{\mathrm{init}}-h\max ,(H_{\mathrm{init}}>h\max ,n=2)\\ H_{\mathrm{init}},(n=3)\end{array}\right.$

其中n＝1表示阴刻雕刻方式，n＝2表示阳刻雕刻方式，n＝3表示阴阳刻雕刻方式。

b、将背景区域高度BH与文字表面高度估计叠加得到刻字表面的高度估计LH，其由如下方程计算：

LH＝BH+GH  (n＝1或3时，BH＞hmax)

10)生成细节高度估计；步骤如下：

a、将输入的书法碑刻或牌匾的拓片或者照片转换成灰度图，得到的灰度图进行反相操作，对灰度图中每个笔画区域SR_i计算出该区域的平均灰度srg_i，对背景区域BR计算出该区域的平均灰度brg；

b、将碑刻或牌匾灰度图中的每个笔画区域SR_i内的像素值分别减去对应的平均灰度srg_i，背景区域BR减去灰度brg，得到细节高度估计Hd；

11)将刻字表面高度估计LH和细节高度估计Hd分别进行归一化，按照公式H＝(1-b)LH+bHd叠加刻字表面高度估计LH和细节高度估计Hd生成书法碑刻或牌匾的高度估计并输出，式中b为叠加比例，0＜b＜1，一般取b＝0.05～0.2。

Claims (1)

1.一种三维书法碑刻或牌匾自动生成方法，包括以下步骤：

1）用户交互输入书法碑刻或牌匾的拓片或者照片；

2）输入生成三维书法碑刻或牌匾的模型类型；

3）输入碑刻或牌匾雕刻模式：阴刻、阳刻或阴阳刻；

4）对输入的碑刻或牌匾的拓片或者照片进行轮廓检测，步骤如下：

使用基于局部区域尺度可变的活动轮廓模型对输入的拓片或者照片I进行轮廓检测，将图像分割成K-1个不连续的笔画区域SR_i和背景区域BR，其中笔画区域由单个孤立笔画或者有交叉的多个笔画组成，I表示成：

$I={\&cup;}_{i=1}^{K-1}{\mathrm{SR}}_i+\mathrm{BR}$

得到分割区域图；

5）对检测结果进行二维欧氏距离变换，生成距离场，作为文字表面初始高度估计；包括如下步骤：

a、对于每个笔画区域SR_i，其内部的点P＝{p∈SR_i}设置为非特征点，背景区域BR内的点P′＝{p′∈SR_i}设置为特征点；

b、采用斜切距离变换近似计算每一个特征点p′到与其最近的非特征点p的二维欧氏距离值，得到距离灰度图，即距离场D，将该距离场D作为三维书法碑刻或牌匾中的文字表面的初始高度估计；

6）若执行指令为碑刻时，则：

定义阴刻、阳刻和阴阳刻的调制函数分别为HM1、HM2和HM3，其中HM1＝-u×hmax，HM2＝u×hmax，HM3＝(u-1)×hmax，这里

d_x,y表示像素(x,y)的距离值，dmax为d_x,y,((x,y)∈P)集合中的最大值，hmax为文字最大高度，hmax＜1；

根据选择的碑刻雕刻模式，使用对应的调制函数HM1、HM2或HM3作用于距离场D的每一点，得到调整后的距离场D′；

7）若执行指令为牌匾时，则：

a、输入截断系数a，0＜a＜1；

b、定义阴刻、阳刻和阴阳刻的调制函数分别为HM1′、HM2′和HM3′，其中

${\mathrm{HM}1}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}-\frac{u}{a}\&times;h\max ,(u<a)\\ -h\max ,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$

${\mathrm{HM}2}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}\frac{u}{a}\&times;h\max ,(u<a)\\ \mathrm{hnax},(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$

${\mathrm{HM}3}^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{c}(\frac{u}{a}-1)\&times;h\max ,(u<a)\\ 0,(u\&GreaterEqual;a)\end{array}\right.,$ 这里 $u=\frac{d_{x,y}}{d\max },$ d_x,y表示像素(x,y)的距离值，dmax为d_x,y,((x,y)∈P)集合中的最大值，hmax为文字最大高度，hmax＜1，当文字高度上升到截断系数a时进行截断；

根据选择的牌匾雕刻模式，使用对应的调制函数HM1′、HM2′或HM3′作用于距离场D的每一点，得到调整后的距离场D′；

8）生成文字表面高度估计GH；步骤如下：

a、对调制后的距离场D′采用高斯滤波进行平滑处理，高斯滤波的核取距离场D′中的最大像素值d′max；

b、将分割区域图中的笔画区域像素值设置为1，背景区域像素值设置为0，得到分割区域图的二值模板，将分割区域图的二值模板和高斯滤波后的图形做乘积运算，运算结果作为文字表面高度估计GH，对于碑刻GH＝G(HMi)(i＝1、2或3)，对于牌匾GH＝G(HMi′)(i＝1、2或3)，这里G表示高斯滤波及乘积复合函数；

9）根据选择的碑刻或牌匾的雕刻模式生成背景区域高度估计BH，将背景区域高度估计BH与文字表面高度估计GH叠加得到刻字表面的高度估计LH；步骤如下：

a、用L表示完整的书法碑刻或牌匾的刻字表面，LH表示L的高度估计，用BL表示背景区域BR对应的表平面，BH表示表平面BL的高度估计，用H_init表示雕刻前介质表面的初始高度，根据选择的文字雕刻模式生成背景区域表平面高度BH，用n表示雕刻方式，其由如下方程确定：

$\mathrm{BH}=\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{init}},(n=1)\\ H_{\mathrm{init}}-h\max ,(H_{\mathrm{init}}>h\max ,n=2)\\ H_{\mathrm{init}},(n=3)\end{array}\right.$

其中n＝1表示阴刻雕刻方式，n＝2表示阳刻雕刻方式，n＝3表示阴阳刻雕刻方式，

b、将背景区域高度BH与文字表面高度估计GH叠加得到刻字表面的高度估计LH，其由如下方程计算：

LH＝BH+GH(n＝1或3时,BH＞hmax)

10）生成细节高度估计；步骤如下：

a、将输入的书法碑刻或牌匾的拓片或者照片转换成灰度图，得到的灰度图进行反相操作，对灰度图中每个笔画区域SR_i计算出该区域的平均灰度srg_i，对背景区域BR计算出该区域的平均灰度brg；

b、将碑刻或牌匾灰度图中的每个笔画区域SR_i内的像素值分别减去对应的平均灰度srg_i，背景区域BR减去灰度brg，得到细节高度估计Hd；

11）将刻字表面高度估计LH和细节高度估计Hd分别进行归一化，按照公式H＝(1-b)LH+bHd叠加刻字表面高度估计LH和细节高度估计Hd生成书法碑刻或牌匾的高度估计并输出，式中b为叠加比例，0＜b＜1。

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