基于优化特征约束的文物碎片虚拟匹配方法研究

【摘要】：陶质文物是社会文明与发展的重要历史见证,陶质文物一般用陶土制作,受自然环境和人为破坏因素的影响,发掘出土时大多数已支离破碎,表面特征模糊。作为陶质文物的典范,兵马俑也面临着同样的问题,被发掘时破损严重,碎片数量巨大,且杂乱无章,这给修复工作带来了很大的挑战。由于已有的碎片匹配和孔洞修复方法对几何特征的完整性要求较高,且存在特征单一、误差大以及效率低等弊端,因此对破损兵马俑的修复效果不够理想。针对兵马俑碎片三维数据模型的数据量大、数据点分布不均匀以及噪声含量高等问题,本文主要研究文物虚拟复原中的碎片断裂面匹配和孔洞修复等关键技术,具体研究工作如下:(1)提出一种基于GH-LS3D和模拟退火ICP的碎片匹配方法首先采用GH-LS3D算法将碎片断裂面进行粗匹配,然后采用基于尺度因子和模拟退火系数的ICP算法实现断裂面的精确匹配,从而实现文物碎片的匹配。通过将该匹配方法应用于bunny和dragon公共数据集以及兵俑和马俑文物数据集进行验证,结果表明该方法可以有效提高数据量大、分辨率差异较大点云数据模型的匹配精度,实现文物碎片匹配。(2)提出一种基于区域分割的碎片匹配方法首先提取碎片断裂面上的凹凸特征点,然后采用基于混合流形谱聚类的分割算法对特征点集进行区域分割,最后采用基于SVD的ICP算法对区域进行匹配,从而实现碎片精确匹配。通过将该匹配方法应用于公共数据集和马俑文物数据集进行验证,结果表明该方法可以提高区域点云的重叠率,有效解决低重叠文物断裂面匹配。(3)提出一种基于扩展PFH特征的碎片匹配方法首先构建碎片断裂面上显著特征点的EPFH特征描述子,该描述子具有较强的区分度;然后利用采样一致性算法估算断裂面匹配的刚体变换,以实现初始匹配;最后利用基于k-d树的ICP算法实现断裂面的精匹配。通过将该匹配方法应用于cake公共碎片数据集和兵俑文物数据集进行验证,结果表明该方法可以解决噪声含量较高的文物碎片匹配。(4)提出一种基于特征线细分的径向基函数文物孔洞修复方法该方法利用径向基函数构建隐式曲面,并通过特征线来细分孔洞区域,是一种全局修复方法。在孔洞修复过程中,可以避免空间分割和整合的过程,有效捕获到孔洞细节特征,使得修复后曲面更加接近原始真实形状,与周围网格有很好的光顺连接。通过将该修复方法应用于bunny和horse公共数据集以及兵马俑文物数据集进行验证,结果表明该方法对不同类型、不同几何特征的孔洞修复效果良好。