CN103679634A - 一种二维非规则碎片拼接复原的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二维非规则碎片拼接复原的方法，将二维非规则的碎片图像进行数据化，将数据化后的各个碎片图像进行比较是否存在交集，有交集再基于向量模的碎片匹配算法求曲线最相似的碎片，并进行碎片拼接。本发明的方法可用于文物碎片拼接等修复模拟，也用于公安部门对破损碎片进行修补的技术支持，也可用于拼图游戏；提高了工作效率。

Description

一种二维非规则碎片拼接复原的方法

技术领域

本发明涉及非规则碎片有序拼接修复的技术领域，尤其涉及一种二维非规则碎片拼接复原的方法。

背景技术

非规则图片匹配是通过对二维碎片集合模型的分析、变换、特征提取等手段实现对碎片的识别、相似性度量和拼合，这一技术在文物复原、虚拟现实、测量建模等领域有着重要应用。如考古出土的一些破碎的珍贵文物需要复原以重现历史文物的形貌；公安机关在破案时有可能发现被撕毁的照片、文件，需要将这些破损的碎片复原加以鉴别。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种二维非规则碎片拼接复原的方法，将构建不规则形状的控件模板，并将图片碎片绘制在该控件模板上，采用基于向量模碎片匹配算法使碎片得以拼接成完整有序图。

本发明是这样实现的：一种二维非规则碎片拼接复原的方法，将二维非规则的碎片图像进行数据化，将数据化后的各个碎片图像进行比较是否存在交集，有交集再基于向量模的碎片匹配算法求曲线最相似的碎片，并进行碎片拼接。

进一步地，所述将二维非规则的碎片图像进行数据化，具体包括如下步骤：

步骤10、使用制图工具将二维非规则的碎片图像转换获得包含碎片形状数据的psd文件；

步骤11、用微软产品Expression Blend获取各个psd文件中碎片形状数据；

步骤12、使用可扩展标记语言，创建各个控件模板，各个控件模板的形状数据是所述步骤11中获取的各个碎片形状数据；

步骤13、使用WPF技术，将各个二维非规则的碎片图像绘制到所述各个控件模板中。

进一步地，将数据化后的各个碎片图像进行比较是否存在交集，有交集再基于向量模的碎片匹配算法求曲线最相似的碎片，并进行碎片拼接；

具体为：在各个控件模板中的碎片形状数据的位置进行随机打乱，并选择其中任意一控制模板的碎片形状数据，并移动寻找与其匹配的碎片，先检测选中的碎片与其他碎片形状数据是否有交集，否，则不进行操作，继续检测；是，则使用基于向量模的碎片匹配算法，获得各碎片之间交集的曲线相似度，寻找选中的碎片与所有碎片的曲线相似度，如果相似度最高的碎片为当前有交集的碎片，则将两个碎片旋转到相同方向，并进行位移，以使碎片曲线相似的边相连；继续下一块碎片的判断，使各个碎片与曲线最相似的碎片相互连接，这样各个无序的碎片连接为有序完整的图像，从而完成整个图像的修复过程。

进一步地，所述制图工具为位图Photoshop、工程AutoCAD、矢量Illustrator或者矢量CorelDRAW。

进一步地，所述可扩展标记语言为：HTML语言、XHTML语言或者XML语言。

本发明具有如下优点：各个控件模板可以被设置为任意形状，并且控件模板之间可以实现无缝连接，每个控件模板显示一张完整图的一部分，所有控件模板进行拼接后，可获得一张完整而有序的图片，正确率高，算法效率高。此外，由于是通过一个个控件模板进行组合的，则系统的cpu占用率合理，画面不卡顿，性能稳定。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图。

图2为本发明中碎片A_i的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明为一种二维非规则碎片拼接复原的方法，将二维非规则的碎片图像进行数据化，具体包括如下步骤：

步骤10、使用制图工具将二维非规则的碎片图像转换获得包含碎片形状数据的psd文件；所述制图工具为位图Photoshop、工程AutoCAD、矢量Illustrator或者矢量CorelDRAW；

步骤11、用微软产品Expression Blend获取各个psd文件中碎片形状数据；

步骤12、使用可扩展标记语言，创建各个控件模板，各个控件模板的形状数据是所述步骤11中获取的各个碎片形状数据；所述可扩展标记语言为：HTML语言、XHTML语言或者XML语言；

步骤13、使用WPF技术，将各个二维非规则的碎片图像绘制到所述各个控件模板中；

将数据化后的各个碎片图像进行比较是否存在交集，有交集再基于向量模的碎片匹配算法求曲线最相似的碎片，并进行碎片拼接；具体为：

在各个控件模板中的碎片形状数据的位置进行随机打乱，并选择其中任意一控制模板的碎片形状数据，并移动寻找与其匹配的碎片，先检测选中的碎片与其他碎片形状数据是否有交集，否，则不进行操作，继续检测；是，则使用基于向量模的碎片匹配算法，获得各碎片之间交集的曲线相似度，寻找选中的碎片与所有碎片的曲线相似度，如果相似度最高的碎片为当前有交集的碎片，则将两个碎片旋转到相同方向，并进行位移，以使碎片曲线相似的边相连；继续下一块碎片的判断，使各个碎片与曲线最相似的碎片相互连接，这样各个无序的碎片连接为有序完整的图像，从而完成整个图像的修复过程。

下面结合一具体实施例对本发明做进一步说明。

步骤19、使用制图工具PhotoShop获得包含碎片形状数据的psd文件；打开PhotoShop，导入格式为png的碎片图片，并按住Ctrl，然后点击右下方的图层，选中选区。选择路径，然后选择从选区生成路径，选择图层菜单，添加图层矢量蒙版，当前路径，保存为PSD格式。

步骤20、使用微软Expression Blend获取步骤19保存的psd文件中碎片形状数据。打开Expression Blend，新建一个WPF工程，在文件菜单中选择“导入Adobe photoshop文件”菜单项，导入步骤10中保存的psd格式文件。勾选“检查所有导入层”。拷贝XML文件中Path.Data字段数据。

步骤30、使用XML语言，创建各个控件模板，该各个控件模板的形状数据是步骤20中获取的碎片形状数据。打开VS2010，创建WPF工程，窗口XML文件中创建模板，该模板Path元素属性Data值为步骤20中得到的Path.Data数据。在源代码中将这些数据转换为点数据。

步骤40、使用基于向量模板的碎片匹配算法寻找最相似相邻碎片。

将步骤30获得的点数据存储在一个数组中。

假设取A_i点到A_j的匹配边(即两个匹配碎片的公共边)是(P_iP_i+1…P_j)，则根据碎片A_i的边界计算得到的距离矩阵D_i的第i行必然与和它匹配的碎片A_j的边界计算得到的距离矩阵D_j的某一行(假设是第K行)有最大匹配(连续的距离值相等的序列达到最长),即：

{d(P_iP_i+1),d(P_iP_i+2),…d(P_iP_j)}={d(P_kP_k-1),d(P_kP_k+2),…d(P_kP_k+(j-i))},d(P_iP_j)为匹配边之间的距离；

在此，匹配的碎片的边界提取方向是相反的，由此生成的距离矩阵才能匹配上。假设碎片A_i的边界提取方向是顺时针，而碎片A_j的边界提取方向不是逆时针而是顺时针的话，则需要将其距离矩阵D_j沿着副对角线翻转即可得到沿逆时针计算的距离矩阵，然后用同样方法与距离矩阵D_j比较，依然能找到正确的最大匹配。基于模值矩阵的碎片最大匹配段匹配算法描述如下：

如图2所示，碎片A_i的边界曲线，边界a_i是由提取边界时确定的起点S(P₁)到终点T(P_n)的一系列离散点构成的封闭环。将p₁到各个点的距离作为矩阵的第一行，再计算P₂到各个点的距离并作为第二行，依次类推。

输入：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{1,2}}& ...& a_{1,n1}\\ a_{\mathrm{2,1}}& a_{\mathrm{2,2}}& ...& a_{2,n1}\\ ...& ...& ...& ...\\ a_{n\mathrm{1,1}}& a_{n\mathrm{1,2}}& ...& a_{n1,n1}\end{array}\right]$ 和 $B=\left[\begin{array}{cccc}{b}_{\mathrm{1,1}}& b_{\mathrm{1,2}}& ...& b_{1,n1}\\ b_{\mathrm{2,1}}& b_{\mathrm{2,2}}& ...& b_{2,n1}\\ ...& ...& ...& ...\\ b_{n\mathrm{1,1}}& b_{n\mathrm{1,2}}& ...& b_{n1,n1}\end{array}\right]$

两个可能匹配的碎片的距离矩阵。其中，a_i,j为碎片a边界上的点i和j之间的距离。同理，b_i,j为碎片b边界上的点i和j之间的距离输出：

匹配碎片的最大匹配段在两个碎片边界中的起始位置pos_a和pos_b以及该最大匹配段的长度L。

步骤1分别令n=min(n₁,n₂),m=max(n₁,n₂),k=1,L=2，其中，n，m为矩阵的行列;

步骤2将矩阵A的第i行(i=1,2,3…n₁,)循环左移i-1位，同样将矩阵B的第i行(I=1,2,3…n₂)循环左移i-1位；

步骤3如果n₁>n₂，则：

a.将A矩阵截取前n₁行,前n₂列，即成为m行n列；

b.将B矩阵用“0”填充为m行n列；

反之，则：

a.将B矩阵截取前n₂行,前n₁列；

b.将A矩阵用“0”填充为m行n列；

步骤4当k<m时，做

a.

由步骤3，得到新矩阵如下：(这里的C矩阵是a、b矩阵变换后得到的矩阵。经过步骤3，必有一矩阵变成全为0的矩阵，因此不再列出)

$C=\left[\begin{array}{cccc}{c}_{\mathrm{1,1}}& c_{\mathrm{1,2}}& ...& c_{1,n1}\\ c_{\mathrm{2,1}}& c_{2,2}& ...& c_{2,n1}\\ ...& ...& ...& ...\\ c_{n\mathrm{1,1}}& c_{n\mathrm{1,2}}& ...& c_{n1,n1}\end{array}\right],$ 其中

b.

对矩阵每行求和，寻找最大和值。则得到和值矩阵S

$S=\left(\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ ...\\ s_m\end{array}\right)=\left[\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{1,j}\\ \underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{2,j}\\ ...\\ \underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{m,j}\end{array}\right]$

c.令len=s_ind=max(s₁,s₂…s_m)，且下标ind为len在矩阵s中的行号，即取和值最大的行作为变量len的值；

d.如果len>L且

$\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{len}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ind},j}}{\mathrm{len}}>\mathrm{thr}$

其中，c_ind,j为最大和值所在行矩阵成员。即从最大和值行的第一个元素开始求和，其范围为上述所求变量len。thr为可以接受的len的阈值，即预先设定的可接受的误差像素值，该值决定匹配的精确度。根据公式得到的值如果大于thr，则找到了一个长度为len的极大匹配，做：

L=len；

如果n₁>n₂，

pos_a=(n₁+ind-k+1)mod n1,

pos_b=ind；

否则，

pos_a=ind，pos_b=(n₂+ind-k+1)mod n₂；

其中，pos_a和pos_b分别是该极大匹配在矩阵A、B中的起始位置，L为该极大匹配的长度。

e.k加1：如果n₁>n₂，A矩阵元素循环下移一行，否则，B矩阵元素循环下移一行。

当寻找到最相似曲线后，将这两个最相似碎片在最相似的边上相连。如果碎片已经在各个相邻位置上都找到了最相似碎片，则设置碎片已匹配属性为真，该碎片将不再出现在其他碎片的最相似曲线查找循环中，以提高运行效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种二维非规则碎片拼接复原的方法，其特征在于：将二维非规则的碎片图像进行数据化，将数据化后的各个碎片图像进行比较是否存在交集，有交集再基于向量模的碎片匹配算法求曲线最相似的碎片，并进行碎片拼接。

2.根据权利要求1所述的一种二维非规则碎片拼接复原的方法，其特征在于：所述将二维非规则的碎片图像进行数据化，具体包括如下步骤：

步骤10、使用制图工具将二维非规则的碎片图像转换获得包含碎片形状数据的psd文件；

步骤11、用微软产品Expression Blend获取各个psd文件中碎片形状数据；

步骤12、使用可扩展标记语言，创建各个控件模板，各个控件模板的形状数据是所述步骤11中获取的各个碎片形状数据；

步骤13、使用WPF技术，将各个二维非规则的碎片图像绘制到所述各个控件模板中。

3.根据权利要求2所述的一种二维非规则碎片拼接复原的方法，其特征在于：将数据化后的各个碎片图像进行比较是否存在交集，有交集再基于向量模的碎片匹配算法求曲线最相似的碎片，并进行碎片拼接；

具体为：在各个控件模板中的碎片形状数据的位置进行随机打乱，并选择其中任意一控制模板的碎片形状数据，并移动寻找与其匹配的碎片，先检测选中的碎片与其他碎片形状数据是否有交集，否，则不进行操作，继续检测；是，则使用基于向量模的碎片匹配算法，获得各碎片之间交集的曲线相似度，寻找选中的碎片与所有碎片的曲线相似度，如果相似度最高的碎片为当前有交集的碎片，则将两个碎片旋转到相同方向，并进行位移，以使碎片曲线相似的边相连；继续下一块碎片的判断，使各个碎片与曲线最相似的碎片相互连接，这样各个无序的碎片连接为有序完整的图像，从而完成整个图像的修复过程。

4.根据权利要求2所述的一种二维非规则碎片拼接复原的方法，其特征在于：所述制图工具为位图Photoshop、工程AutoCAD、矢量Illustrator或者矢量CorelDRAW。

5.根据权利要求2所述的一种二维非规则碎片拼接复原的方法，其特征在于：所述可扩展标记语言为：HTML语言、XHTML语言或者XML语言。

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