CN104268924B - 一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法，包括以下步骤：1)利用三维数据扫描仪对石碑石刻进行扫描，获得点云数据；2)建立起石碑石刻的3D模型；3)根据3D模型，获得石碑石刻的深度图；4)将深度图进行拷贝，并将两张深度图重叠放置；5)将位于上层的石碑石刻的深度图在图层混合模式中向下采用线性减淡的混合模式，将处理后的上层图片与下层图片混合，得到混合图片，并通过增加亮度，增大对比度；6)对处理后的混合图片进行曲线调整；7)对石碑石刻的保存质量进行判断，保存质量较好，则进入步骤9)；否则进入步骤8)；8)对曲线调整后的混合图片进行人工优化处理；9)进行色度反相操作，生成数字拓片。

Description

一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法

技术领域

本发明涉及一种提取石碑石刻拓片的方法，特别是关于一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法。

背景技术

石刻、特别是石碑石刻，以其上记载的文字内容、刻画的图案具有保存和传承历史文化的重要作用。拓片是记录中华民族文化的重要载体之一，具有很高的审美价值和历史文化价值。然而，传统拓片面临着一些问题：1、传统拓片的拓印过程一般包括清理器物、上纸、上墨和揭取几个步骤，全程手工制作。拓片的质量基本取决于制作者的经验和熟练程度，这包括对纸张干湿程度的把握、扑子的走向和顺序、扑拓时的用力和节奏以及揭取时的技巧都会影响到拓片的质量。采用传统的拓印方法每次只能生成一张拓片，不但耗时较长，且无法批量生产。2、传统拓片制作会对原石刻造成损害，传统拓片制作的过程中，很容易将墨迹残留到石刻上，绝大多数石刻年代久远，墨迹一旦接触，会立刻渗透，并且无法清洗掉，就会产生永久残留。传统拓片制作的过程中，采用刷白芨水、敲打、揭取等动作，会对石刻本身造成不同程度的损害，年代越久远的石刻损害越大，不利于文物本身的保存与保护。3、传统拓片方法在制作一些大型石刻的拓片时技术难度大，而且需要搭建支架、梯子等辅助设施，效率低且具有一定的危险性。4、传统拓片技术对于浮雕类石刻，有很大的局限性，由于很多浮雕的深度差较大，所以传统拓片的工艺很难很好的提取浮雕的纹理。5、目前国内石刻、碑帖大多保存分散，保护、利用形式单一，大多仅制作收藏用的精美拓片，并束之高阁，无法进行系统的管理和保护，并限制了对其开展研究、利用的广度和深度，使石刻的文物价值和史料价值及现实价值得不到充分的实现。6、传统拓片的保存方式对环境要求苛刻，挤压、搬动以及纸张纤维的老化等问题都不可避免的会造成拓片的损伤。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够清晰分割出石碑的石板和石刻，可批量获取高质量拓片，且有利于文物保护的基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法，包括以下步骤：1)利用三维数据扫描仪对石碑石刻进行扫描，获得高精度、高密度的石碑石刻点云数据，并输入计算机；2)将石碑石刻的点云数据转换为三角网格数据，建立起石碑石刻的3D模型；3)根据石碑石刻的3D模型，获得石碑石刻的深度图；4)根据石碑石刻的深度图，采用图像处理方法，将石碑石刻的深度图进行拷贝，得到两张石碑石刻的深度图，并将两张石碑石刻的深度图重叠放置；5)将位于上层的石碑石刻的深度图在图层混合模式中向下采用线性减淡的混合模式，将处理后的上层图片与下层图片混合，得到混合图片，并通过增加亮度，增大对比度，去掉石板表面凹凸不平的部分；6)对处理后的混合图片进行曲线调整，增强混合图片中较暗部分的细节，使基色变亮以反映混合色，其中基色代表石板的颜色，混合色代表石刻的颜色；7)对石碑石刻的保存质量进行判断，如果石碑石刻的保存质量较好，则进入步骤9)；否则进入步骤8)；8)对曲线调整后的混合图片进行人工优化处理，通过“补字”和“补色”来还原石刻文字的清晰度，保证完整性；9)进行色度反相操作，将凹黑凸白的颜色分布转换为凹白凸黑的特征，生成数字拓片。

完成所述步骤9)后，进行以下步骤：10)查看数字拓片的颜色通道，通过颜色通道建立文字选区；11)对文字选区边缘进行调整，包括边缘检测/半径、调整边缘/平滑、羽化、移动边缘，使文字选区扩大范围，以便文字的笔锋更加鲜明；12)根据步骤11)中得到的文字选区提取深度图中文字部分，生成碑刻字贴。

所述步骤1)中对石碑石刻进行扫描的扫描点的点距应小于0.4mm。

所述步骤3)中获得石碑石刻的深度图的过程包括以下步骤：①将石碑石刻的3D模型放置于(X,Y,Z)三维坐标系中，在石碑石刻的3D模型上进行手工选点，要求选的点能够勾勒出整个石碑石刻的形状特征，将这些点进行Delaunay三角化，构造正射投影面，得到若干个三角面；②选择的每个点被多个三角面共有，计算这些三角面的法向量，并将这些三角面的法向量求和，所得结果即为该点的法向量；③求出所有点的法向量，将这些法向量求和，并将求和结果进行归一化，得到归一化的向量，找出所有点中Z值最小的点，将这个点与归一化的向量构造的平面为总的投影平面；④遍历所有点，将各点沿着自身的法向量向总的投影平面进行投影，投影点的坐标(X,Y)即为该点的UV坐标，U表示图像的X方向坐标值，V表示图像的Y方向坐标值，将UV坐标调整为起点为0，根据UV坐标的范围确定深度图的大小，即深度图的长和宽；⑤遍历石碑石刻3D模型的所有顶点，判断顶点应该向手工选点所构造的正射投影面中的那个三角面投影，具体方法是：顶点与某一三角面的法向量构成直线，用此直线与三角面求交点，若交点存在，则确定此三角面为该顶点的投影面，顶点与交点的有符号距离即为此顶点的深度值；⑥交点与三角面的三个顶点将三角面划分为三个小三角形，每个小三角形面积与三角形的面积比值为权重值，根据权重值即可得出顶点的UV坐标，计算方法为：假设三角形的三个顶点分别为P0，P1，P2，其UV坐标分别为(U0,VO),(U1,V1)(U2,V2)；交点为P，交点UV坐标为(U,V)；三角形PP1P2的面积为A0，三角形PP2P0的面积记为A1，三角形PP0P1的面积记为A2，三角形P0P1P2的面积记为A；则

⑦将所有顶点的深度值归一化到0至255之间，并且根据顶点的UV坐标将归一化的深度值映射到总的投影平面上，从而得到碑刻的深度图。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于利用三维数据扫描仪对石碑石刻进行扫描，因此可以获得高精度、高密度的石碑石刻点云数据；同时由于将石碑石刻的点云数据转换为三角网格数据，因此能够建立起石碑石刻的3D模型，为进一步对数据进行精确处理提供了前提。2、本发明由于将石碑石刻的3D模型放置于三维坐标系中上，通过手工选点、对所有点法向量进行求和、归一化处理等建立起总的投影平面，再将所有数据的深度值映射到总的投影平面上，因此可以在石碑石刻不是完全平整的情况下得到石碑石刻的深度图，进而能够清晰地分辨出石板和石刻界限。3、本发明由于根据石碑石刻深度图，利用计算机图像处理技术对石碑石刻进行线性减淡、增加亮度、增大对比度、曲线调整、人工优化等各种图像处理方法，因此能够获得具有传统拓片视觉特性的高清晰度的数字拓片。4、本发明由于采用非接触式的三维扫描技术对石碑石刻进行扫描，因此不但避免了传统拓片拓制过程中对文物进行的损害，而且使拓片的制作变得简单、快捷且易操作，得到的数字拓片相对稳定、不易变形，且便于有效管理和广泛传播。5、本发明由于在数字拓片的基础上，通过颜色通道建立文字选区，并对文字选区边缘进行平滑、羽化、移动边缘等调整，因此能够得到深度图中的文字部分，生成具有自然的效果的碑刻字贴。本发明可以广泛用于各种石碑石刻的提取过程中。

附图说明

图1本发明方法的流程示意图；

图2是欲提取数字拓片的石碑石刻示意图；

图3是本发明利用三维扫描仪得到的碑刻点云数据示意图；

图4是图2的局部石碑石刻的深度图；

图5是本发明对局部石碑石刻的深度图采用线性减淡混合模式处理结果示意图；

图6是图5增加亮度后的示意图；

图7是图6增大对比度后的示意图；

图8是对混合图片进行曲线调整后的示意图；

图9是曲线调整后的混合图片进行人工优化处理后的示意图；

图10是利用本发明方法生成的数字拓片；

图11是通过数字拓片的颜色通道建立文字选区的示意图；

图12对文字选区边缘进行调整后示意图；

图13提取深度图中文字选区部分生成碑刻字贴的示意图。

具体实施方式

本发明一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法，包括以下步骤(如图1所示)：

1)利用三维数据扫描仪对石碑石刻(如图2所示)进行扫描，获得高精度、高密度的石碑石刻点云数据(如图3所示)，并输入计算机；其中扫描点的点距应小于0.4mm；

2)将石碑石刻的点云数据通过已有技术转换为三角网格数据(或称三角面片数据)，建立起石碑石刻的3D模型；

3)根据石碑石刻的3D模型，获得石碑石刻的深度图，其包括以下步骤：

①将石碑石刻的3D模型放置于(X,Y,Z)三维坐标系中，在石碑石刻的3D模型上进行手工选点，要求选的点能够勾勒出整个石碑石刻的形状特征，将这些点进行Delaunay三角化(德劳内三角化)，构造正射投影面，得到若干个三角面；

②选择的每个点被多个三角面共有，计算这些三角面的法向量，并将这些三角面的法向量求和，所得结果即为该点的法向量；

③求出所有点的法向量，将这些法向量求和，并将求和结果进行归一化，得到归一化的向量，找出所有点中Z值最小的点，将这个点与归一化的向量构造的平面为总的投影平面；

④遍历所有点，将各点沿着自身的法向量向总的投影平面进行投影，投影点的坐标(X,Y)即为该点的UV坐标，U表示图像的X方向坐标值，V表示图像的Y方向坐标值，将UV坐标调整为起点为0，根据UV坐标的范围确定深度图的大小，即深度图的长和宽。

⑤遍历石碑石刻3D模型的所有顶点，判断顶点应该向手工选点所构造的正射投影面中的那个三角面投影，具体方法是：顶点与某一三角面的法向量构成直线，用此直线与三角面求交点，若交点存在，则确定此三角面为该顶点的投影面，顶点与交点的有符号距离即为此顶点的深度值；

⑥交点与三角面的三个顶点将三角面划分为三个小三角形，每个小三角形面积与三角形的面积比值为权重值，根据权重值即可得出顶点的UV坐标，计算方法为：

假设三角形的三个顶点分别为P0，P1，P2，其UV坐标分别为(U0,VO),(U1,V1)(U2,V2)。交点为P，交点UV坐标为(U,V)。三角形PP1P2的面积为A0，三角形PP2P0的面积记为A1，三角形PP0P1的面积记为A2，三角形P0P1P2的面积记为A。则

⑦将所有顶点的深度值归一化到0至255之间，并且根据顶点的UV值将归一化的深度值映射到总的投影平面上，从而得到碑刻的深度图(如图4所示)；

4)根据石碑石刻的深度图，采用已有技术的图像处理方法，比如PhotoShop(仅以此为例，但不限于此)，将石碑石刻的深度图进行拷贝，得到两张石碑石刻的深度图，并将两张石碑石刻的深度图重叠放置；

5)将位于上层的石碑石刻的深度图在常规的图层混合模式中向下采用线性减淡的混合模式(如图5所示)，将处理后的上层图片与下层图片混合，得到混合图片，并通过增加亮度(如图6所示)，增大对比度(如图7所示)，去掉石板表面凹凸不平的部分。其中，“线性减淡”模式的原理是：查看每个通道的颜色信息，并增加亮度使基色变亮以反映混合色，而黑色混合则不发生变化。因为石碑石刻深度图为灰度图像，所以将石碑石刻深度图的每个像素的R,G,B增加相同的值，即可以增加亮度。增大对比度采用的是直方图均衡化方法，对图像进行非线性拉伸，重新分配图像像素值，使一定灰度范围内的像素数量大致相同；

6)对处理后的混合图片进行曲线调整，增强混合图片中较暗部分的细节，使基色变亮以反映混合色(如图8所示)，其中基色代表石板的颜色，混合色代表石刻的颜色；

7)对石碑石刻的保存质量进行判断，如果石碑石刻的保存质量较好，则进入步骤9)；否则进入步骤8)；

8)对曲线调整后的混合图片进行人工优化处理(如图9所示)，通过“补字”和“补色”来还原石刻文字的清晰度，保证完整性；

9)进行色度反相操作，将凹黑凸白的颜色分布转换为凹白凸黑的特征，生成数字拓片(如图10所示)。

上述数值拓片生成后，若想生成一张碑刻字帖，可以进行以下步骤；

10)查看数字拓片的颜色通道，通过颜色通道建立文字选区(如图11所示)；

11)对文字选区边缘进行调整(如图12所示)，包括边缘检测/半径、调整边缘/平滑、羽化、移动边缘等，使文字选区扩大范围，以便文字的笔锋更加鲜明。其中，边缘检测方法使用的是Canny算子边缘检测算法，平滑处理使用的是高斯滤波器。对选区进行羽化调整，可以让选区的边缘逐渐过渡，使选区对图像进行处理时，产生更加自然的效果；

12)根据步骤11)中得到的文字选区提取深度图中文字部分，生成碑刻字贴(如图13所示)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法，包括以下步骤：

1)利用三维数据扫描仪对石碑石刻进行扫描，获得高精度、高密度的石碑石刻点云数据，并输入计算机；

2)将石碑石刻的点云数据转换为三角网格数据，建立起石碑石刻的3D模型；

3)根据石碑石刻的3D模型，获得石碑石刻的深度图，具体过程为：

①将石碑石刻的3D模型放置于(X,Y,Z)三维坐标系中，在石碑石刻的3D模型上进行手工选点，要求选的点能够勾勒出整个石碑石刻的形状特征，将这些点进行De launay三角化，构造正射投影面，得到若干个三角面；

②选择的每个点被多个三角面共有，计算这些三角面的法向量，并将这些三角面的法向量求和，所得结果即为该点的法向量；

③求出所有点的法向量，将这些法向量求和，并将求和结果进行归一化，得到归一化的向量，找出所有点中Z值最小的点，将这个点与归一化的向量构造的平面为总的投影平面；

④遍历所有点，将各点沿着自身的法向量向总的投影平面进行投影，投影点的坐标(X,Y)即为该点的UV坐标，U表示图像的X方向坐标值，V表示图像的Y方向坐标值，将UV坐标调整为起点为0，根据UV坐标的范围确定深度图的大小，即深度图的长和宽；

⑤遍历石碑石刻3D模型的所有顶点，判断顶点应该向手工选点所构造的正射投影面中的那个三角面投影，具体方法是：顶点与某一三角面的法向量构成直线，用此直线与三角面求交点，若交点存在，则确定此三角面为该顶点的投影面，顶点与交点的有符号距离即为此顶点的深度值；

⑥交点与三角面的三个顶点将三角面划分为三个小三角形，每个小三角形面积与三角形的面积比值为权重值，根据权重值即可得出顶点的UV坐标，计算方法为：

假设三角形的三个顶点分别为P0，P1，P2，其UV坐标分别为(U0,VO),(U1,V1)(U2,V2)；交点为P，交点UV坐标为(U,V)；三角形PP1P2的面积为A0，三角形PP2P0的面积记为A1，三角形PP0P1的面积记为A2，三角形P0P1P2的面积记为A；则

$U=\frac{U0*A0}{A}+\frac{U1*A1}{A}+\frac{U2*A2}{A},V=\frac{V0*A0}{A}+\frac{V1*A1}{A}+\frac{V2*A2}{A};$

⑦将所有顶点的深度值归一化到0至255之间，并且根据顶点的UV坐标将归一化的深度值映射到总的投影平面上，从而得到碑刻的深度图；

4)根据石碑石刻的深度图，采用图像处理方法，将石碑石刻的深度图进行拷贝，得到两张石碑石刻的深度图，并将两张石碑石刻的深度图重叠放置；

5)将位于上层的石碑石刻的深度图在图层混合模式中向下采用线性减淡的混合模式，将处理后的上层图片与下层图片混合，得到混合图片，并通过增加亮度，增大对比度，去掉石板表面凹凸不平的部分；

6)对处理后的混合图片进行曲线调整，增强混合图片中较暗部分的细节，使基色变亮以反映混合色，其中基色代表石板的颜色，混合色代表石刻的颜色；

7)对石碑石刻的保存质量进行判断，如果石碑石刻的保存质量较好，则进入步骤9)；否则进入步骤8)；

8)对曲线调整后的混合图片进行人工优化处理，通过“补字”和“补色”来还原石刻文字的清晰度，保证完整性；

9)进行色度反相操作，将凹黑凸白的颜色分布转换为凹白凸黑的特征，生成数字拓片。

2.如权利要求1所述的一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法，其特征在于：完成所述步骤9)后，进行以下步骤：

10)查看数字拓片的颜色通道，通过颜色通道建立文字选区；

11)对文字选区边缘进行调整，包括边缘检测/半径、调整边缘/平滑、羽化、移动边缘，使文字选区扩大范围，以便文字的笔锋更加鲜明；

12)根据步骤11)中得到的文字选区提取深度图中文字部分，生成碑刻字贴。

3.如权利要求1或2所述的一种基于三维数据扫描提取石碑石刻数字拓片的方法，其特征在于：所述步骤1)中对石碑石刻进行扫描的扫描点的点距应小于0.4mm。