CN102798351B - 一种文物法向图的扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种文物法向图的扫描方法：（1）用贴有棋盘格图像的夹具固定待扫描的文物；（2）把夹具放到平板扫描仪上，分别旋转0°、90°、180°、270°，扫描四幅图像扫描；（3）根据棋盘格图像的角点把四幅图像对齐；（4）计算每个像素的法向量（nx,ny,nz），并转换为彩色（r,g,b）,保存到法向图中；（5）用通用的图像处理软件打开法向图，观察和分析图像。本发明产生的法向图具有较高的分辨率（与采用的平板扫描仪有关），比通常的彩色图像具有更多的细节信息，可以表现出文物表面细微的深度变化（如划痕等），可以应用在考古和文物领域，对鉴定和分析文物具有帮助作用。

Description

一种文物法向图的扫描方法

技术领域

本发明涉及一种文物法向图的扫描方法。

背景技术

法向图的每个像素保存的是对应物体表面采样点的法向量，而一般的彩色图保存的对应物体表面采样点的颜色信息。法向图比一般的彩色图像具有更多的细节信息，可以表现出文物表面细微的深度变化(如划痕等)，可以应用在考古和文物领域，对鉴定和分析文物具有帮助作用。

已经有一些相关的法向图获取方法，主要的方法和应用分为以下几类：(1)利用三维深度扫描仪获取物体表面的三维信息，这种方法受到三维深度扫描仪分辨率的限制，精度不高。三维深度扫描仪的价格是普通平板扫描仪的几十倍，操作复杂。(2)利用数码相机拍摄不同光照下的多幅图像，基于光度立体技术，计算每个采样点的法向量。这种方法需要特殊的光源，数码相机的分辨率也远远地低于平板扫描仪。(3)利用平板扫描仪获取多幅图像，基于光度立体技术，计算每个采样点的法向量。这种方法通常需要改造平板扫描仪的硬件结构(例如增加多个扫描灯管)，或者需要对扫描仪用特殊的标定物进行标定，过程复杂。

发明内容

本发明改进了基于平板扫描仪的法向图获取方法，不需要改造扫描仪的硬件结构或者设计特殊的标定物，利用普通平板扫描仪和一个夹具，就可以获得物体的法向图，操作简单，分辨率较高(与采用的平板扫描仪有关)。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种文物法向图的扫描方法，该方法的实现步骤如下：

(1)用贴有棋盘格图像的夹具固定待扫描的文物；

(2)把固定好带扫描文物的夹具放到平板扫描仪上，将夹具旋转0°、90°、180°、270°，得到相应的扫描图像；

(3)根据棋盘格图像的角点把得到的扫描图像对齐；

(4)计算扫描图像中每个像素的法向量(n_x,n_y,n_z)，并转换为彩色(r,g,b),保存到法向图中；

(5)完成文物法向图的扫描。

所述步骤(3)中，所述图像对齐的方法如下：

a)在0°图像中，用鼠标选取棋盘格的至少两个角点；

b)在90°图像中，用鼠标选取棋盘格的对应角点；

c)根据对应角点的坐标，利用最小二乘法，计算90°图像的旋转和平移矩阵；

d)把90°图像进行旋转和平移，与0°图像对齐；

e)重复a)-d),分别把180°、270°图像与0°图像对齐。

所述步骤(4)中，计算法向量的方法如下：

对每一个像素，计算其法向量(n_x,n_y,n_z)，

n_x＝1.5(I_270°-I_90°),n_y＝1.5(I_0°-I_180°),n_z＝0.25(I_0°+I_180°+I_90°+I_270°)

$n_x=n_x/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2},n_y=n_y/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2},n_z=n_z/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2}$

所述步骤(5)中，把法向量(n_x,n_y,n_z)转换为彩色(r,g,b)的方法如下：

a)把n_x∈[-1.0,1.0]线性映射到红色分量r∈[0,255]

b)把n_y∈[-1.0,1.0]线性映射到绿色分量g∈[0,255]

c)把n_z∈[0.0,1.0]线性映射到蓝色分量b∈[0,255]

d)对每一像素重复a)-c)，进行彩色映射，保存到法向图中。

本发明的有益效果：本发明提供了一种简单、操作方便、成本较低的文物法向图扫描方法。该方法首先用夹具固定文物；然后扫描四幅灰度图像；用基于棋盘格角点的方法对齐四幅图像；利用给出的公式计算每个像素的法向量；最后把法向量转换为彩色值，保存到法向图中。本发明充分利用了平板扫描仪的价格低、分辨率高的优点，不需要改造扫描仪的硬件结构，也不需要特殊的标定物，利用普通的平板扫描仪和一个夹具，就可以获得文物的法向图。输出的法向图可以用通用的图像处理软件打开，进行观察和分析。本发明产生的法向图具有较高的分辨率(与采用的平板扫描仪有关)，比通常的彩色图像具有更多的细节信息，可以表现出文物表面细微的深度变化(如划痕等)，可以应用在考古和文物领域，对鉴定和分析文物具有帮助作用。

附图说明

图1为本发明的实施的流程图；

图2为固定文物的夹具及粘贴的棋盘格图像；

图3a-图3d分别为把文物分别旋转0°、90°、180°、270°，扫描的四幅灰度图像I_0°,I_90°,I_180°,I_270°；

图4a-图4_d为根据棋盘格图像的角点，把四幅灰度图像I_0°,I_90°,I_180°,I_270°对齐后的结果；

图5a为用平板扫描仪扫描的印章彩色图；

图5b为图5a印章的法向图；

图6a为扫描的游戏币彩色图；

图6b为游戏币的法向图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明的实施流程图，如图所示，本发明的实现过程如下：

(1)与普通的扫描方法不同，该方法需要一个夹具，并在夹具上粘贴棋盘格图像。

(2)与普通的扫描方法不同，该方法需要用夹具固定待扫描的文物，如图2所示。把夹具放到平板扫描仪上，分别顺时针旋转0°、90°、180°、270°，扫描四次，得到扫描四幅灰度图像I_0°,I_90°,I_180°,I_270°；

(3)根据棋盘格图像的角点，把四幅灰度图像对齐，如图4所示。所述图像对齐的方法如下：(a)在0°图像中，用鼠标选取棋盘格的至少两个角点；(b)在90°图像中，用鼠标选取棋盘格的对应角点；(c)根据对应角点的坐标，利用最小二乘法，计算90°图像的旋转和平移矩阵；(d)把90°图像进行旋转和平移，与0°图像对齐。重复a)-d),分别把180°、270°图像与0°图像对齐。

(4)计算每个像素的法向量(n_x,n_y,n_z)(n_x,n_y,n_z是法向量在空间三维坐标系中的坐标)；计算法向量的方法如下：对每一个像素，计算其法向量(n_x,n_y,n_z)，n_x＝1.5(I_270°-I_90°)，n_y＝1.5(I_0°-I_180°)，n_z＝0.25(I_0°+I_180°+I_90°+I_270°)

$n_x=n_x/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2},n_y=n_y/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2},n_z=n_z/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2}$

(5)把法向量转换为彩色(r,g,b),保存到法向图中。用通用的图像处理软件(比如AdobePhotoshop和Windows中的画图程序)打开法向图，就可以观察和分析图像表面的细节信息；所述把法向量(n_x,n_y,n_z)转换为彩色(r,g,b)的方法如下：把n_x∈[-1.0,1.0]线性映射到红色分量r∈[0,255]，把n_y∈[-1.0,1.0]线性映射到绿色分量g∈[0,255]，把n_z∈[0.0,1.0]线性映射到蓝色分量b∈[0,255]，如图5(b)、图6(b)所示。为了与普通彩色图的对比，图5(a)、图6(a)中给出了用平板扫描仪扫描的彩色图。从图5(a)、图6(a)和图5(b)、图6(b)的对比结果，可以看出彩色图中不明显的划痕等细节、表面的方向信息在法向图中非常清楚。

Claims (4)

1.一种文物法向图的扫描方法，其特征是，该方法的实现步骤如下：

(1)用贴有棋盘格图像的夹具固定待扫描的文物；

(2)把固定好待扫描文物的夹具放到平板扫描仪上，将夹具旋转0°、90°、180°、270°，得到相应的扫描图像；

(3)根据棋盘格图像的角点把得到的扫描图像对齐；

(4)计算扫描图像中每个像素的法向量(n_x,n_y,n_z)，并转换为彩色(r,g,b),保存到法向图中；

(5)完成文物法向图的扫描。

2.如权利要求1所述的一种文物法向图的扫描方法，其特征是，所述步骤(3)中，所述图像对齐的方法如下：

a)在0°图像中，用鼠标选取棋盘格的至少两个角点；

b)在90°图像中，用鼠标选取棋盘格的对应角点；

c)根据对应角点的坐标，利用最小二乘法，计算90°图像的旋转和平移矩阵；

d)把90°图像进行旋转和平移，与0°图像对齐；

e)重复a)-d),分别把180°、270°图像与0°图像对齐。

3.如权利要求1所述的一种文物法向图的扫描方法，其特征是，所述步骤(4)中，计算法向量的方法如下：

对每一个像素，计算其法向量(n_x,n_y,n_z)，

n_x＝1.5(I_270°-I_90°),n_y＝1.5(I_0°-I_180°),n_z＝0.25(I_0°+I_180°+I_90°+I_270°)

$n_x=n_x/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2},n_y=n_y/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2},n_z=n_z/\sqrt{n_x^2+n_y^2+n_z^2}$

其中，I_0°,I_90°,I_180°,I_270°表示把夹具放到平板扫描仪上，分别顺时针旋转0°、90°、180°、270°，得到的灰度图像。

4.如权利要求1所述的一种文物法向图的扫描方法，其特征是，所述步骤(5)中，把法向量(n_x,n_y,n_z)转换为彩色(r,g,b)的方法如下：

a)把n_x∈[-1.0,1.0]线性映射到红色分量r∈[0,255]

b)把n_y∈[-1.0,1.0]线性映射到绿色分量g∈[0,255]

c)把n_z∈[0.0,1.0]线性映射到蓝色分量b∈[0,255]

d)对每一像素重复a)-c)，进行彩色映射，保存到法向图中。