專利名稱：石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法。
背景技術(shù)：
敦煌莫高窟以精美的壁畫(huà)和塑像聞名于世。莫高窟自公元366年開(kāi)鑿，現(xiàn)存北涼、 北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等時(shí)代興建的洞窟735個(gè)、壁畫(huà)4. 5萬(wàn)平方米、彩塑2415尊，是世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、內(nèi)容最豐富的佛教藝術(shù)寶庫(kù)。近代發(fā)現(xiàn)的藏經(jīng)洞，內(nèi)有 5萬(wàn)多件古代文物，由此衍生專門(mén)研究藏經(jīng)洞典籍和敦煌藝術(shù)的學(xué)科一敦煌學(xué)。1961年， 敦煌莫高窟被公布為第一批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位之一。1987年，被列為世界文化遺產(chǎn)名錄。千百年來(lái)，由于自然因素的作用和人為因素影響，敦煌壁畫(huà)正遭受著起甲、空鼓、 變色、酥堿、脫落、風(fēng)化等病害。造成彩繪的褪色、剝落。對(duì)莫高窟構(gòu)成前所未有的威脅。眾所周知，文物是不能再生的，也是不能永生的。盡管采取了許多保護(hù)措施，但是，敦煌石窟文物，特別是脆弱的壁畫(huà)逐漸褪化趨勢(shì)無(wú)法逆轉(zhuǎn)，持久保存敦煌藝術(shù)的信息面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，敦煌石窟脆弱的壁畫(huà)和塑像及其狹小的洞窟空間，與迅速發(fā)展的旅游開(kāi)放所形成的矛盾日益突出。因此，如何能夠永久地保存、又能永續(xù)利用這份人類珍貴的文化遺產(chǎn)，將千年的文化傳承于世，我國(guó)公開(kāi)了 “一種基于數(shù)字化技術(shù)的古代洞窟文物獲取方法及拍攝平臺(tái)”(專利號(hào)01112283. 8)。該方法包括1)使用位置分類法分割壁畫(huà)；2)按照壁畫(huà)測(cè)繪結(jié)果，采用分辨率計(jì)算法確定拍攝計(jì)劃；3)使用白板拍攝的方法調(diào)整閃光燈；4)采用古代洞窟壁畫(huà)文物獲取拍攝平臺(tái)進(jìn)行拍攝；5)在表格上記錄拍攝情況；6)使用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件對(duì)拍攝好的圖像進(jìn)行圖像拼接處理。該方法的不足之處是1)洞窟壁畫(huà)凹凸不平， 拍攝出的單幅圖像分辨率不一致；2)拍攝出的圖像色彩不逼真，色彩還原不夠真實(shí)；3)拼接圖像的形變未控制，變形較大；4)利用白板拍攝圖像調(diào)整閃光燈的方法環(huán)境光的衍射色彩還原不夠準(zhǔn)確、曝光不夠統(tǒng)一；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到使用推廣，如何采用數(shù)字?jǐn)z影、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理與人工智能等技術(shù)保護(hù)古代珍貴文物，尋找一種新的手段與方法，永久保護(hù)這份人類珍貴的文化遺產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
面對(duì)逐漸消退的千年壁畫(huà)文化遺產(chǎn)，本發(fā)明的目的旨在提供一種石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法。該方法能夠以高保真的數(shù)字化圖像方式，將高分辨率數(shù)字圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，使這份人類珍貴的文化遺產(chǎn)一敦煌壁畫(huà)不至于漶滅。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法其方法包括a.攝影采集I)拍攝方案編寫(xiě)制定攝影采集方案，確定使用的鏡頭、光圈、攝影距離、軌道行節(jié)點(diǎn)、軌道列節(jié)點(diǎn)參數(shù)；
2)確定攝影采集分辨率300dpi。3)計(jì)算實(shí)際拍攝范圍依據(jù)攝影采集分辨率P dpi，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)的像素Z，感光元器件長(zhǎng)邊像素為X、寬邊像素為Y，依據(jù)如下公式，可計(jì)算出實(shí)際拍攝范圍的長(zhǎng)L Cm，寬W cm。Z = XXYZ = 2.54 X—
PW = 2.54χ —
P4)計(jì)算攝距依據(jù)攝影成像原理、實(shí)際拍攝范圍長(zhǎng)L cm與寬W cm、鏡頭和相機(jī)感光元器件的長(zhǎng)L’cm與寬W’cm參數(shù),利用相似三角形根據(jù)如下公式計(jì)算出攝距xcm x = L* 鏡頭/L，；5)硬件色彩管理使用Profile Maker 5. O和Eye One Pro對(duì)拍攝用數(shù)碼相機(jī)和顯示器制作ICC文件，進(jìn)行色彩管理；6)攝影采集系統(tǒng)搭設(shè)對(duì)洞窟規(guī)模、壁面斜度、曲率和狹窄空間綜合考量，進(jìn)行軌道鋪設(shè)、攝影框安裝，最后固定相機(jī)；7)測(cè)光測(cè)試燈光照度，確定曝光值為5500K，l/60s, fll-16 ；8)色卡拍攝在使用標(biāo)準(zhǔn)色溫下，拍攝24色標(biāo)準(zhǔn)色卡；9)拍攝由下至上、由左至右開(kāi)始逐張拍攝壁畫(huà)圖片，相鄰圖片的上下與左右均 50%的重疊度；10)現(xiàn)場(chǎng)檢查檢查單幅圖片的焦點(diǎn)虛實(shí)、重疊度、曝光均勻性、每行圖片的數(shù)量， 邊緣完整性；11)元數(shù)據(jù)記錄記錄拍攝時(shí)間、拍攝人員、洞窟壁面位置、相機(jī)編號(hào)、光圈、感光度、相機(jī)高度、攝距；12)存儲(chǔ)圖像將拍攝的洞窟原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；b.圖像處理I)硬件色彩管理使用Profile Maker 5. O和Eye One Pro對(duì)圖形處理工作站制作ICC文件進(jìn)行色彩管理；2)色溫確定3200K 至 5500Κ ；3)圖像畸變校準(zhǔn)采用Photoshop軟件對(duì)鏡頭造成的光學(xué)透視畸變的原始圖像進(jìn)行校準(zhǔn)；4)裁切比例確定對(duì)單幅圖像邊緣處品質(zhì)較差部分進(jìn)行裁切；5)圖像拼接在Photoshop CS5中，建立基本壁面大小的畫(huà)布，以拼接壁畫(huà)的中心為原點(diǎn)，建立整幅壁畫(huà)的十字框架，然后以原點(diǎn)為起始點(diǎn)，以十字框架為中心發(fā)散拼接；6)畸變調(diào)整采用Photoshop CS5軟件，通過(guò)匹配特征點(diǎn)位置對(duì)被攝壁面不夠平整造成圖像的透視畸變進(jìn)行調(diào)整；7)色彩調(diào)整采用Photoshop CS5軟件，對(duì)少數(shù)圖像存在細(xì)微的色彩差異的部位進(jìn)行調(diào)整；8)圖像融合通過(guò)畸變調(diào)整和色彩調(diào)整，將整壁的所有原始圖像拼接融合為一張全景圖像；
9)存儲(chǔ)按照洞窟編號(hào)、位置、方位進(jìn)行存儲(chǔ)；c.檢查、驗(yàn)收I)圖像檢查、修改在Photoshop中將拼接完成的最終圖像顯示比例放大到 100 %，逐塊檢查其內(nèi)容，確保圖像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內(nèi)容準(zhǔn)確；2)驗(yàn)收檢查驗(yàn)收?qǐng)D像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內(nèi)容并存儲(chǔ)于服務(wù)器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果I、本發(fā)明采用數(shù)字?jǐn)z影、計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、近景攝影測(cè)量技術(shù)，使用數(shù)碼相機(jī)分幅拍攝高分辨率的壁畫(huà)數(shù)字圖像，所獲取的單幅圖像利用圖像處理軟件在圖形處理工作站上完成最終合成，在整個(gè)獲取、處理、存儲(chǔ)的過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格的色彩控制和畸變控制，使得壁畫(huà)數(shù)字圖像達(dá)到高保真、高分辨率的標(biāo)準(zhǔn)。2、攝影采集時(shí)，本發(fā)明采用鏡頭實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)攝距，使凹凸不平的壁面的投影面在相機(jī)焦平面達(dá)到一致，為圖像拼接提供準(zhǔn)確的原始圖像；3、米用愛(ài)色_色彩管理軟件 Profile maker 5· O (使用 Measure Tool、Profile maker模塊)和硬件Eye one Pro，對(duì)相機(jī)與顯示設(shè)備進(jìn)行色彩管理，達(dá)到圖像色彩逼真，準(zhǔn)確還原壁畫(huà)色彩/[目息；4、本發(fā)明采用十字框架圖像處理方法，完成高分辨率圖像拼接處理，分散和減小形變誤差累積，保證所獲取的數(shù)字圖像每像素所攜帶的特征信息、相鄰像素關(guān)系完整和準(zhǔn)確；另一方面，基礎(chǔ)框架的確立使得多任務(wù)并行處理成為可能，很大程度上分割了拼接處理的先后順序和依賴性，極大的提高圖像處理效率，從而提升了整個(gè)工作流效率。5、利用漫反射遮擋光源阻環(huán)境光對(duì)壁面產(chǎn)生的衍射，壁畫(huà)色彩還原準(zhǔn)確，同時(shí)，避免強(qiáng)光直射對(duì)壁畫(huà)造成的損傷；6、本發(fā)明采用300dpi的攝影采集分辨率，攝影采集分辨率高，達(dá)到原始壁畫(huà)實(shí)際尺寸的兩倍，圖像清晰、層次豐富、色彩逼真。


圖I為本發(fā)明攝距計(jì)算示意圖2為本發(fā)明檢測(cè)布光均勻性示意圖3為本發(fā)明攝影采集相鄰兩張單幅圖像重疊度示意圖
圖4為本發(fā)明攝影采集順序圖5為本發(fā)明單幅圖像畸變校準(zhǔn)示意圖6為本發(fā)明圖像拼接方法示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)際操作進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明一種石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法，包括第一步拍攝采集拍攝方案編寫(xiě)根據(jù)洞窟的形制、塑像、壁畫(huà)、從北涼、北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等時(shí)代、洞窟空間大小、壁畫(huà)面積、墻面形變情況做系統(tǒng)的調(diào)查，制定攝影采集方案。
本發(fā)明以敦煌莫高窟第57窟南壁為拍攝對(duì)象，該洞窟修建于初唐，晚唐重修，覆斗形頂，西壁開(kāi)一龕，南壁面積約為12. 6m2，壁面較為平整，曲率較小。該方法要求的設(shè)備包括基于軌道的壁畫(huà)攝影采集系統(tǒng)一套，Canon EOS-IDs Mar kill相機(jī)一臺(tái)，DELL T7500工作站一臺(tái)，EIZO CG223W圖形顯示器一臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)色卡，水平尺，相機(jī)存儲(chǔ)卡3張， Profilemaker 5Eye_0ne pro系列色彩管理工具,數(shù)碼相機(jī)SG色卡,愛(ài)玲瓏RX閃光燈一套及閃光燈電源，其具體方法如下I)確定攝影采集分辨率300dpi。2)計(jì)算實(shí)際拍攝范圍依據(jù)攝影采集分辨率P = 300dpi，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)Canon EOS-IDs Mar kill的像素Z = 2100萬(wàn)，感光元器件長(zhǎng)邊像素為X = 5616、寬邊像素為Y = 3744，依據(jù)如下公式，Z = XXYL = 2.54 X x/pW = 2.54x y/P可計(jì)算出實(shí)際拍攝范圍的長(zhǎng)L = 47. 5cm,寬W = 31. 7cm。3)計(jì)算攝距依據(jù)攝影成像原理圖I、實(shí)際拍攝范圍長(zhǎng)ab = 47. 5cm、鏡頭為EF 85mm f/1. 2LII USM和相機(jī)感光元器件的長(zhǎng)L’ = 36cm或?qū)扺，= 24cm參數(shù)，利用三角形 abo和a，b，ο為相似三角形計(jì)算出攝距eo。eo = 47. 5X36/85 = 112. 3cm4)確定使用的 Canon EOS-IDs MarkIII 相機(jī)、Canon EF 85mm f/1. 2L II USM 定焦鏡頭、光圈F16、速度l/60s、攝影距離112. 3cm、軌道行節(jié)點(diǎn)23cm、軌道列節(jié)點(diǎn)15cm參數(shù)；5)相機(jī)色彩管理制作數(shù)碼相機(jī)Icc Profile需要使用PM5 (Profile maker模塊)，Digital ColorChecker SG色卡。第一步在規(guī)定條件下使用數(shù)碼相機(jī)拍攝色卡,使用標(biāo)準(zhǔn)色溫光源，拍攝結(jié)果要求光線柔和均勻，相同色塊間RGB值誤差不得超過(guò)5，亮度、 對(duì)比度要求全黑色塊RGB值不超過(guò)20，全白色塊RGB值不低于220 ;第二步使用Profile maker,打開(kāi)拍攝好的色卡圖片并調(diào)整好位置；第三步設(shè)置Photo Task和Light Sourse參數(shù)，點(diǎn)擊開(kāi)始制作相機(jī)Icc Profile,完成后保存,命名帶有日期,位置WIND0WS\system32\spool\drivers\color 文件夾。6)攝影采集系統(tǒng)搭設(shè)綜合考量洞窟空間大小和難易程度，軌道鋪設(shè)需要8英尺和4英尺的軌道各一對(duì)，攝影框安裝，最后固定相機(jī)；7)測(cè)光采集作業(yè)中，在工作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)燈光，力求同一洞窟空間所使用的攝影燈光一致；確定最終使用的曝光值和漫反射布光方式，在拍攝壁面上放置方格白板拍攝(白板不能接觸壁畫(huà))，在白板中間選擇點(diǎn)I，在四角順序選擇點(diǎn)2,點(diǎn)3,點(diǎn)4,點(diǎn)5共五個(gè)點(diǎn),確保任意兩點(diǎn)的RGB值相差不大于10，使得被攝壁面的光線照度保持統(tǒng)一的均勻性(見(jiàn)圖
2)；8)色卡拍攝整幅壁面拍攝Q14色階(Kodak)卡；9)攝影采集采用基于軌道的攝影采集系統(tǒng)，面對(duì)拍攝壁面，以拍攝壁面的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立拍攝坐標(biāo)系，以原點(diǎn)為拍攝起點(diǎn)，X軸方向?yàn)榕臄z方向，拍攝第一行 rowOl,然后拍攝第二行row02......，最終以自下而上的方向拍攝完整壁壁面(見(jiàn)圖3)。相鄰圖像的上下與左右均50%的重疊度。以圖4e為中心，在圖4e中有菱形圖案，圖4d與圖 2e的左半部分重疊50 %，圖4b與圖4e的右半部分重疊50 %，圖4a與圖4e的上半部分重疊50 %，圖4c與圖4e的下半部分重疊50 %，圖4a、圖4b、圖4c、圖4d和圖4e拼接融合，達(dá)到圖4f效果。10)現(xiàn)場(chǎng)檢查對(duì)于完成拍攝的每張圖像均由圖像處理人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，確保檢查圖像的焦點(diǎn)虛實(shí)、重疊度、曝光均勻性、每行圖像的數(shù)量，邊緣完整性。11)元數(shù)據(jù)記錄現(xiàn)場(chǎng)檢查人員需及時(shí)、準(zhǔn)確的記錄元數(shù)據(jù),包括記錄拍攝時(shí)間、 拍攝人員、洞窟壁面位置、相機(jī)編號(hào)、光圈、感光度、相機(jī)高度、攝距。具體元數(shù)據(jù)記錄表格如下
權(quán)利要求
1.一種石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法其方法包括a.拍攝米集.1)拍攝方案編寫(xiě)制定攝影采集方案，確定使用的鏡頭、光圈、攝影距離、軌道行節(jié)點(diǎn)、 軌道列節(jié)點(diǎn)參數(shù)；.2)確定攝影采集分辨率75dpi、150dpi、300dpi；.3)計(jì)算實(shí)際拍攝范圍依據(jù)攝影采集精度Pdpi，根據(jù)數(shù)碼相機(jī)的像素Z，感光元器件長(zhǎng)邊像素為X、寬邊像素為Y，依據(jù)如下公式，可計(jì)算出實(shí)際拍攝范圍的長(zhǎng)L Cm,寬W Cm;Z = XXYfV = 2.54x — P.4)計(jì)算攝距依據(jù)攝影成像原理、實(shí)際拍攝范圍長(zhǎng)Lcm與寬W cm、鏡頭和相機(jī)感光元器件的長(zhǎng)L’ cm與寬W’ cm參數(shù)，利用相似三角形根據(jù)如下公式計(jì)算出攝距Xcm:X = L*鏡頭 /L，；.5)硬件色彩管理使用ProfileMaker 5. O和Eye One Pro對(duì)拍攝用數(shù)碼相機(jī)和顯示器制作ICC文件，進(jìn)行色彩管理；.6)攝影采集系統(tǒng)搭設(shè)對(duì)洞窟規(guī)模、壁面斜度和曲率綜合考量進(jìn)行軌道鋪設(shè)、攝影框安裝，最后固定相機(jī)；.7)測(cè)光測(cè)試燈光照度，確定曝光值為5500K，l/60s,f 11-16 ；.8)色卡拍攝在使用標(biāo)準(zhǔn)色溫下，拍攝24色標(biāo)準(zhǔn)色卡；.9)拍攝由下至上、由左至右開(kāi)始逐張拍攝圖像，相鄰圖像的上下與左右均50%的重疊度；.10)現(xiàn)場(chǎng)檢查檢查圖像的焦點(diǎn)虛實(shí)、重疊度、曝光均勻性、每行圖像的數(shù)量，邊緣完整.11)元數(shù)據(jù)記錄記錄拍攝時(shí)間、拍攝人員、洞窟壁面位置、相機(jī)編號(hào)、光圈、感光度、相機(jī)聞度、攝距；.12)存儲(chǔ)圖像將拍攝的洞窟原圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；b.圖像處理.1)硬件色彩管理使用ProfileMaker 5. O和Eye One Pro對(duì)圖形處理工作站制作ICC 文件進(jìn)行色彩管理；.2)色溫確定3200K至5500Κ；.3)圖像畸變校準(zhǔn)采用Photoshop軟件對(duì)鏡頭造成的光學(xué)透視畸變的原始圖像進(jìn)行校準(zhǔn)；.4)裁切比例確定對(duì)單幅圖像邊緣處品質(zhì)較差部分進(jìn)行裁切；.5)圖像拼接在PhotoshopCS5中，建立基本壁面大小的畫(huà)布，以拼接壁畫(huà)的中心為原點(diǎn)，建立整幅壁畫(huà)的十字框架，然后以原點(diǎn)為起始點(diǎn)，以十字骨架為中心向發(fā)散拼接，最終拼接完成無(wú)痕、完美的整幅壁畫(huà)的全景數(shù)字圖像；.6)畸變調(diào)整采用PhotoshopCS5軟件，通過(guò)匹配特征點(diǎn)位置對(duì)被攝壁面不夠平整造成圖像的透視畸變進(jìn)行調(diào)整；.7)色彩調(diào)整采用PhotoshopCS5軟件，對(duì)少數(shù)圖像存在細(xì)微的色彩差異的部位進(jìn)行調(diào)整；.8)圖像融合通過(guò)畸變調(diào)整和色彩調(diào)整，將正壁的所有原始圖像拼接融合為一張全景圖像；.9)存儲(chǔ)按照洞窟編號(hào)、位置、時(shí)代進(jìn)行存儲(chǔ)；c.檢查、驗(yàn)收.1)自檢修改在Photoshop中將拼接完成的最終圖像顯不比例放大到100*%，逐塊檢查其內(nèi)容，確保圖像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內(nèi)容準(zhǔn)確；.2)驗(yàn)收檢查驗(yàn)收?qǐng)D像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內(nèi)容存儲(chǔ)于服務(wù)器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種石窟寺壁畫(huà)數(shù)字化高保真圖像采集處理方法，該方法通過(guò)攝影采集、圖像處理、圖像存儲(chǔ)。利用散點(diǎn)透視、平行移動(dòng)原理，采用自主設(shè)計(jì)的攝影采集系統(tǒng)和獨(dú)特的十字骨架圖像拼接處理方法，安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行規(guī)范化的石窟文物壁畫(huà)數(shù)字化，可將同一壁面拍攝的上千張甚至更多原始圖像拼接融合為一幅無(wú)痕、完美的高保真原大全景圖像。達(dá)到長(zhǎng)久保存和永續(xù)利用這份人類珍貴的文化遺產(chǎn)。
文檔編號(hào)G03B17/56GK102609924SQ20121006423
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者丁曉宏, 俞天秀, 刁常宇, 劉剛, 吳健, 孫志軍, 孫洪才, 張偉文, 李大丁, 楊靜, 趙良, 魯東明 申請(qǐng)人:敦煌研究院, 浙江大學(xué)