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三维表面数字拼接算法研究

李孟  
【摘要】:随着数字博物馆于20世纪90年代的兴起,将文物转化为数字形式进行收藏、管理、展示和处理,为文物保管工作提供了新的思路。计算机图形处理、模式识别、三维信息处理技术的发展,使具有丰富特征和精细纹理的历史文物的数字拼接成为可能,该方法具有速度快、可重复操作的特点,避免了一时不慎造成的损失,且可进行人类手工几乎无法实现的拼接工作,为文物保护工作提供了全新的解决方案。然而,目前的文物碎片数字拼接方法大多是基于碎片二维形状特征的,存在一些不足和有待解决的问题。本文以文物碎片表面三维数据为研究对象,旨在提出一套完整的、行之有效的三维表面数字拼接算法。 本文系统综述了三维表面数字拼接算法的发展概况,阐述了模式识别和计算机图形学的相关理论。针对文物碎片三维表面扫描数据具有数据量大、拓扑结构复杂、噪声和干扰较大等特性,以提高文物碎片分类精度和文物碎片数字拼接准确率为目的,对文物碎片自动分类算法、三维模型表面特征提取算法、三维表面数据区域分割算法以及三维数字拼接算法进行了深入研究。 在文物碎片自动分类方面,考虑到目前对不同材质、不同类型及不同年代文物碎片进行自动分类算法还未见报道这一情况,在分析滤波图像中文字区域特性和文物碎片表面三维纹理特性的基础上,提出了三种基于表面特征的文物碎片自动分类算法。以二维纹理作为表面特征,利用基于Gabor滤波器的数字图像文字提取算法对图像中的文字区域进行自动检测和定位,从而实现含文字文物碎片和不含文字文物碎片的自动分类;以三维纹理作为表面特征,使用三维纹理直方图模型和三维纹理相关函数特征作为分类特征,使用支持向量机作为分类器,实现文物碎片自动分类。实验结果表明上述方法可有效进行文物碎片的自动分类。 在三维模型表面特征提取算法方面,考虑到目前直接对三维点云数据进行表面特征提取的算法较少以及现有三维网格表面特征提取算法性能受采样、体素化等预处理方法的影响较大这两种情况,提出了基于向量表示的三维点云模型描述子以及球面栅格D2(spherical grid D2, SD2)描述子。基于向量表示的三维点云模型描述子利用向量集对三维点云中各点进行精确表示,通过计算此向量集的统计量来表示三维点云模型的表面形状。在分析传统D2和GD2描述子优缺点的基础上,提出SD2描述子,该描述子使用球面栅格代替D2描述子中的顶点以及GD2描述子中的卡迪尔坐标栅格,实验结果表明该描述子有效解决了D2描述子对噪声、裂缝和多边形的插入及删除敏感以及GD2描述子损失大量原始模型信息的问题。 在三维表面数据区域分割算法方面,针对现有碎片三维表面区域分割算法受原始碎片表面粗糙度影响较大且只适用于形状较规则、表面较平坦及断裂面较少的碎片这一问题,在分析三维模型表面拓扑结构特性的基础上,提出了基于碎片断面高度图的三维扫描数据表面区域分割算法。首先将三维扫描表面数据转化为三维网格模型;然后利用同一区域中相邻网格具有相似法线方向这一性质,使用区域膨胀策略生成若干候选表面区域;最后通过去除候选区域中的噪声区域得到最终表面区域分割结果。通过实物表面扫描数据对上述算法进行实验验证,结果表明该算法可对三维表面扫描数据进行有效的区域分割。 在三维数字拼接算法方面,针对目前数字拼接算法研究都要使用碎片边缘曲线作为特征、还没有完全利用碎片断面三维形状特征进行数字拼接的算法这一问题,提出了基于碎片断面高度图的三维数字拼接算法。该方法首先使用本文提出的基于区域膨胀策略的三维表面扫描数据区域分割算法对文物碎片三维表面扫描数据进行区域分割;利用各表面区域粗糙度确定文物碎片断面;以碎片断面高度图作为匹配特征,以断面高度图之间的互补程度作为匹配准则,进行全局最优数字拼接。使用真实物体碎片对提出算法进行实验验证,结果证明了提出算法的有效性。


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