本發(fā)明涉及文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及用于文化遺產(chǎn)高精度數(shù)字化重建及展示文化遺產(chǎn)的色彩變化與復(fù)原效果的四維可視化方法。
背景技術(shù)：
實(shí)體的四維可視化即實(shí)體在時(shí)間和空間上的模擬顯示，即3D空間+時(shí)間，它不僅可以為觀察者提供一種空間上的近似真實(shí)的視覺體驗(yàn)，還可以展示實(shí)體隨時(shí)間的改變，便于觀察者了解實(shí)體的整個(gè)變化過程，為學(xué)習(xí)和研究實(shí)體在時(shí)間和空間上的屬性特征及其變化規(guī)律提供基礎(chǔ)。三維模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)三維世界的簡化表達(dá)，而時(shí)間則是三維模型變化的軸線，是現(xiàn)實(shí)世界變化的維度?？梢暬沁\(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)將科學(xué)計(jì)算的結(jié)果及過程轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示并進(jìn)行交互處理的理論技術(shù)和方法。現(xiàn)在有許多可視化工具，如OpenGL、DirectX、Jet3D，其中SGI公司推出的GL三維圖形庫表現(xiàn)突出，易于使用而且功能強(qiáng)大。
文化遺產(chǎn)的四維可視化方法是研究文化遺產(chǎn)(如塑像、壁畫、古代建筑等)在時(shí)間和空間上的特征及其變化規(guī)律的基礎(chǔ)。把實(shí)體的四維可視化技術(shù)引入到文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)的工作中，能有效的完成文物的復(fù)原、展示和預(yù)測等工作，為文化遺產(chǎn)的數(shù)字化保護(hù)工作提供研究和展示的平臺(tái)。三維激光掃描技術(shù)、攝影測量和計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)已經(jīng)在文化遺產(chǎn)三維數(shù)字化中廣為使用，多種技術(shù)結(jié)合的方法得到了大量的3D模型。這些3D模型是當(dāng)前狀態(tài)的表征。近年來，4D模型和可視化成為學(xué)界研究的關(guān)注點(diǎn)，其中，時(shí)間維度主要來通過舊的數(shù)據(jù)，如舊照片、古典繪畫、古籍資料等獲得?？梢酝ㄟ^不同的航空影像進(jìn)行三維重建獲得不同時(shí)期的三維模型，從而形成4D模型并可視化；也有對(duì)古代繪畫、古籍文字資料等材料進(jìn)行分析獲得以往時(shí)期的幾何模型或顏色模型而實(shí)現(xiàn)四維可視化。此外，也有通過建模分析和模擬文化遺產(chǎn)以前的形態(tài)，構(gòu)建四維模型?；谂f數(shù)據(jù)的4D重建方法依賴于數(shù)據(jù)本身，因而限制了其適用范圍?；诮７治龅姆椒ㄈ菀滓蚰Ｐ偷钠顚?dǎo)致結(jié)果的偏差。本發(fā)明則提出了新的思路，從文化遺產(chǎn)的物理、化學(xué)等性質(zhì)著手，分析其表面顏色發(fā)生變化的原因，從而恢復(fù)其不同時(shí)期的3D狀態(tài)，形成其沿時(shí)間維度變化的效果，并利用可視化技術(shù)將這一過程展現(xiàn)出來。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于探尋一種文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)的方法，解決文化遺產(chǎn)的數(shù)字化復(fù)原問題，研究物體表面隨時(shí)間變化的規(guī)律，并使用新型的多視角的數(shù)字化可視化方法來建立文物的彩色三維模型，為文化遺產(chǎn)的保護(hù)與還原提供新的解決方案。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種文化遺產(chǎn)的四維可視化方法，包括以下步驟：
步驟1、確定文化遺產(chǎn)表面顏色變化的原因；
步驟2、獲得表面顏色隨時(shí)間變化的規(guī)則，包括在實(shí)驗(yàn)室模擬相應(yīng)文物表面顏色的變色過程，建立對(duì)應(yīng)時(shí)間與樣本色度值之間的定量關(guān)系，從而建立樣本顏色與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，得到色彩變化的時(shí)間模型；
所述模擬相應(yīng)文物表面顏色的變色過程，包括確定實(shí)驗(yàn)室中文物表面顏色的變色時(shí)間模型如下，
其中，t為實(shí)驗(yàn)室中反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間，R、G、B為對(duì)應(yīng)的文物變色的紅、綠、藍(lán)通道顏色值，F(xiàn)r(t)、Fg(t)、Fb(t)則分別表示紅、綠、藍(lán)顏色分量隨時(shí)間變化的函數(shù)；
所述建立樣本顏色與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，包括將實(shí)驗(yàn)室模型轉(zhuǎn)換為真實(shí)時(shí)間模型，包括根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和自然條件下反應(yīng)所需時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化和變換，最終確定自然時(shí)間下的顏色變換模型；
步驟3、獲得文物數(shù)字三維模型；
步驟4、紋理影像的獲取與勻色勻光處理，包括利用相機(jī)獲得當(dāng)前時(shí)段的文物的圖像作為后期彩色三維模型的紋理圖像，通過勻色勻光算法消除圖像因光線、相機(jī)設(shè)置和環(huán)境所帶來的色差；
步驟5、使用紋理映射生成彩色三維模型，包括采用紋理映射方法將紋理圖像映射到三維模型表面，生成彩色三維模型；
步驟6、加入時(shí)間維生成文物四維模型，包括設(shè)置時(shí)間軸來設(shè)定時(shí)間，生成設(shè)定時(shí)間的時(shí)空紋理，繪制設(shè)定時(shí)間的彩色三維模型，通過顯示多個(gè)確定時(shí)間點(diǎn)的彩色三維模型，從而形成四維的可視化效果；
所述生成設(shè)定時(shí)間的時(shí)空紋理，包括根據(jù)步驟2中得到的色彩變化的時(shí)間模型計(jì)算確定時(shí)間點(diǎn)的色彩變化，得到確定時(shí)間的時(shí)空紋理。
而且，所述的步驟1中，首先，通過物理表面分析確定雕塑物因物理表面變化導(dǎo)致的變 色；其次，通過物質(zhì)成分分析確定雕塑物的主要顏料組成和物質(zhì)成分；最后，比較分析雕塑物表面顏色變化前后的差異，確定導(dǎo)致變色的主要物理化學(xué)變化的因素。
而且，所述的步驟3中的獲得文物數(shù)字三維模型的方式有，通過攝影測量進(jìn)行光線交會(huì)得到三維立體模型，使用三維激光掃描儀直接獲取物體表面點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合攝影測量同時(shí)獲取物體表面的紋理。
而且，所述的步驟4中紋理影像的勻色勻光采用MASK和Wallis勻光算法實(shí)現(xiàn)。
而且，所述的步驟5中，首先，將多幅紋理圖像映射到物體的三維模型上生成彩色三維模型，然后，對(duì)多幅紋理圖像相接處進(jìn)行局部的精細(xì)調(diào)整，確保整個(gè)模型的紋理色彩上光順、幾何上精確。
而且，所述的步驟6中通過顯示多個(gè)確定時(shí)間點(diǎn)的彩色三維模型，從而形成四維的可視化效果，包括通過設(shè)置時(shí)間軸拖動(dòng)、自動(dòng)播放動(dòng)畫或變化對(duì)比顯示文物彩色模型。
本發(fā)明具有如下積極效果：
1，本發(fā)明提出了文化遺產(chǎn)四維可視化的一種工作流程，通過獲取三維模型和時(shí)間彩色變換，實(shí)現(xiàn)了文化遺產(chǎn)在時(shí)空維的變化顯示，為文化遺產(chǎn)的保護(hù)和復(fù)原提供新方法。
2，本發(fā)明從表面顏色變化研究文物隨時(shí)間的變化，通過研究物質(zhì)的理化性質(zhì)與表面顏色變化關(guān)系得到文物在不同時(shí)期的表現(xiàn)形態(tài)，為文物的復(fù)原和變化預(yù)測提供了新的研究思路。
3，本發(fā)明使用高精度激光掃描、攝影測量、紋理勻色和紋理映射等技術(shù)建立了精準(zhǔn)真實(shí)的文物彩色三維模型，為文化遺產(chǎn)的數(shù)字化模型建立工作提供了參考。
本發(fā)明的研究受到國家基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973項(xiàng)目)No.2012CB725300和武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目(WHU-2015-SYJS-04)的支持，關(guān)系到我國文物保護(hù)和文化遺產(chǎn)事業(yè)，具有重要的實(shí)用意義。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行具體描述。
如圖1所示，實(shí)施例所提供一種文化遺產(chǎn)的四維可視化方法，包括以下步驟：
步驟1，確定文化遺產(chǎn)表面顏色變化的原因：通過同步輻射分析、成分分析、物理表面分析和遙感光譜等多種方法確定文化遺產(chǎn)表面顏色變化的原因。
實(shí)施例中，確定文化遺產(chǎn)表面顏色變化的原因，該步驟主要涉及同步輻射分析、成分分析、物理表面分析和遙感光譜等多種方法確定文化遺產(chǎn)(文物)表面顏色變化的原因。實(shí)際 操作可綜合運(yùn)用多種方法，如首先，通過物理表面分析確定雕塑物因物理表面變化導(dǎo)致的變色；其次，通過物質(zhì)成分分析確定雕塑物的主要顏料組成和物質(zhì)成分；最后，比較分析雕塑物表面顏色變化前后的差異，利用顯微觀測表面結(jié)構(gòu)、同步輻射、能量散射、光譜分析等方法確定導(dǎo)致變色的主要物理化學(xué)變化的因素，為進(jìn)一步研究變色與時(shí)間的關(guān)系提供理論依據(jù)。具體實(shí)施時(shí)，可以預(yù)先確定文化遺產(chǎn)表面顏色變化的原因，以備文化遺產(chǎn)的四維可視化使用。
步驟2，獲得表面顏色隨時(shí)間變化的規(guī)則：在實(shí)驗(yàn)室模擬相應(yīng)文物表面顏色的變色過程，建立對(duì)應(yīng)時(shí)間與樣本色度值之間的定量關(guān)系，從而建立樣本顏色與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，得到色彩變化的時(shí)間模型。
實(shí)施例中，獲得表面顏色隨時(shí)間變化的規(guī)則，該步驟進(jìn)一步包括以下兩步：①在實(shí)驗(yàn)室模擬相應(yīng)表面的變色過程，建立對(duì)應(yīng)時(shí)間與樣本色度值之間的定量關(guān)系，從而建立樣本顏色與實(shí)驗(yàn)室時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。②將實(shí)驗(yàn)室模型轉(zhuǎn)換為真實(shí)時(shí)間模型，可通過變換和轉(zhuǎn)換將實(shí)驗(yàn)室時(shí)間轉(zhuǎn)換成自然時(shí)間，確定自然時(shí)間下的顏色變換模型。如常見的紅色對(duì)聯(lián)在自然條件下被長時(shí)間日光照射后，其顏色逐步褪化，最終變成白色。因此，可以在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)紅色對(duì)聯(lián)受光照和時(shí)間的影響褪色的實(shí)驗(yàn)，記錄固定光照值條件下不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)聯(lián)的顏色，從而形成對(duì)聯(lián)的顏色隨時(shí)間變化的褪色模型，而自然條件，每天的光照不同，自然褪色的時(shí)間亦不相同，因此需要統(tǒng)計(jì)自然條件下光照的變化和褪色時(shí)間。并將實(shí)驗(yàn)室的褪色模型與自然條件下的光照和實(shí)際褪色時(shí)間進(jìn)行對(duì)應(yīng)和轉(zhuǎn)換，修正實(shí)驗(yàn)室得到的褪色變化模型。
所述的步驟2中的獲得表面顏色隨時(shí)間變化的規(guī)則包括以下子步驟：
①實(shí)驗(yàn)室中文物表面顏色的變色時(shí)間模型確定
在等式1中，t為實(shí)驗(yàn)室中反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間，R、G、B為對(duì)應(yīng)的文物變色的紅、綠、藍(lán)通道顏色值，F(xiàn)r(t)、Fg(t)、Fb(t)則分別表示紅、綠、藍(lán)顏色分量隨時(shí)間變化的函數(shù)。
②實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間模型轉(zhuǎn)換為真實(shí)時(shí)間模型，由于等式1中的t為實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)時(shí)間，而自然環(huán)境下與實(shí)驗(yàn)室中的反應(yīng)速度不同，所以需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和自然條件下反應(yīng)所需時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化和變換，最終確定自然時(shí)間下的顏色變換模型，即色彩變化的時(shí)間模型。
步驟3，獲得文物數(shù)字三維模型：采用攝影測量雙目立體、結(jié)構(gòu)光、投影光柵以及激光掃描等多種方法獲得文物數(shù)字三維模型。
實(shí)施例中，采用高精度三維激光掃描儀直接獲取物體表面點(diǎn)坐標(biāo)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí) 配合高分辨率相機(jī)獲取物體表面紋理照片，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)生成文物表面，獲得文物數(shù)字三維模型。
所述的步驟3中的獲得文物數(shù)字三維模型的方式有：
通過攝影測量進(jìn)行光線交會(huì)得到三維立體模型；
使用高精度三維激光掃描儀直接獲取物體表面點(diǎn)坐標(biāo)，結(jié)合攝影測量同時(shí)獲取物體表面的紋理。
步驟4，紋理影像的獲取與勻色勻光處理：利用相機(jī)獲得當(dāng)前時(shí)段的文物的圖像作為后期彩色三維模型的紋理圖像，通過勻色勻光算法消除圖像因光線、相機(jī)設(shè)置和環(huán)境所帶來的色差。
具體實(shí)施時(shí)，紋理影像的勻色勻光處理，可通過MASK和Wallis等勻光算法消除因多幅紋理圖像間光線、相機(jī)設(shè)置和環(huán)境所帶來的色差，使得多幅紋理圖像組合顯示時(shí)沒有明顯的色差。
所述的步驟4中紋理影像的勻色勻光和步驟5中精細(xì)的紋理映射是保證文物彩色三維模型極具真實(shí)感和精準(zhǔn)性的重要步驟。
步驟5，使用紋理映射生成彩色三維模型：采用紋理映射方法將紋理圖像映射到三維模型表面，生成彩色三維模型。
實(shí)施例中，紋理映射生成彩色三維模型，該步驟首先，將多幅紋理圖像映射到物體的三維模型上生成彩色三維模型，然后，對(duì)多幅紋理圖像相接處進(jìn)行局部的精細(xì)調(diào)整，確保整個(gè)模型的紋理色彩上光順、幾何上精確。
步驟6，加入時(shí)間維生成文物四維模型：設(shè)置時(shí)間軸來設(shè)定時(shí)間，利用步驟2中的規(guī)則成該時(shí)間的時(shí)空紋理，使用三維圖形顯示技術(shù)快速的顯示該時(shí)間的彩色三維模型，通過顯示多個(gè)確定時(shí)間點(diǎn)的彩色三維模型，從而形成四維的可視化效果。
實(shí)施例中，加入時(shí)間維生成文物四維模型，該步驟首先，通過設(shè)置時(shí)間拖動(dòng)軸來設(shè)定時(shí)間，然后，根據(jù)步驟2中得到的色彩變化的時(shí)間模型計(jì)算該時(shí)間點(diǎn)的色彩變化，生成該時(shí)間的時(shí)空紋理，最后，使用DirectX或OpenGL三維圖形顯示技術(shù)快速的顯示該時(shí)間的彩色三維模型。
為了提供四維效果，可以設(shè)置多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)展示，所述的步驟6中的文物四維模型使用以下方法實(shí)現(xiàn)：
①生成多個(gè)確定時(shí)間點(diǎn)的時(shí)空紋理，根據(jù)步驟2中得到的色彩變化的時(shí)間模型和當(dāng)前時(shí)段的文物的彩色三維模型計(jì)算確定時(shí)間點(diǎn)的色彩變化，生成確定時(shí)間的時(shí)空紋理。
②繪制確定時(shí)間點(diǎn)的彩色三維模型，使用DirectX或OpenGL等三維圖形顯示技術(shù)，顯示所選定時(shí)刻的彩色三維模型。
③通過設(shè)置時(shí)間軸拖動(dòng)、自動(dòng)播放動(dòng)畫、變化對(duì)比等方式顯示文物彩色模型。
具體實(shí)施時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用計(jì)算機(jī)軟件方式支持實(shí)現(xiàn)流程。
本發(fā)明提供了本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)方案。以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。