觀音手狀文物骨架線提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種觀音手狀文物骨架線提取方法，屬于文物修復工程領域，該方法包括：采用三維激光掃描準備修復的觀音手狀文物，獲取該觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)；利用獲取的所述觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)經(jīng)三維重建得到該觀音手狀文物的三角網(wǎng)格模型；采用骨架線提取算法處理從所述三角網(wǎng)格模型上提取出所述觀音手狀文物的三維空間骨架線。該方法能以較簡單方式準確提取待修復的觀音手狀文物的骨架線，使其滿足于觀音手狀文物修復工程。該方法操作簡單，提取過程快捷，為觀音手狀文物修復提供準確的依據(jù)，保證了修復效果。
【專利說明】觀音手狀文物骨架線提取方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及文物修復工程領域，特別是涉及一種觀音手狀文物骨架線提取方法， 提取的骨架線可用于修復觀音手狀文物。

【背景技術】
[0002] 在觀音手狀文物保護工程中，由于年代久遠及病害的侵蝕，觀音手指經(jīng)常會發(fā)生 斷裂。而在修復工程中，通常采取與斷裂觀音手指的骨架線形態(tài)相同的輕質(zhì)材料作為支撐 物，在此支撐物的基礎之上，對觀音手進行實際修復。因此，觀音手的骨架線是文物修復過 程中的重要幾何參數(shù)，能夠為觀音手狀文物的修復提供很大的便利。目前，在文物修復領 域，對文物的骨架線提取通常是根據(jù)二維的數(shù)碼相片，由文物修復者通過手工線畫提取，二 維圖像中所提取的骨架線無法保證精度與立體感，往往與實際骨架相比有較大的差異。
[0003] 隨著三維激光掃描技術與三維重建技術的發(fā)展，文物三維模型的獲取越來越精確 與便捷。因此，以三維模型為數(shù)據(jù)基礎的骨架線獲取方法能夠提取觀音手的三維骨架線，反 應出最真實的觀音手基本幾何形態(tài)。目前，針對三維模型的骨架線提取方法主要包括體積 方法、幾何方法以及Laplace微分算子方法等幾類。其中體積方法與后兩種方法的主要區(qū) 別在于前者需要對模型進行體素化，利用到模型的內(nèi)部空間，而后兩者只需要利用模型表 面的曲面信息。
[0004] 但是，以上骨架線提取方法主要應用于計算機圖形學中所涉及的三維動畫、模型 檢索等方面，該領域所應用的三維模型質(zhì)量較好，模型表面較為光滑，并且提取出的骨架線 僅需要能夠表達三維模型的基本幾何形態(tài)及拓撲結構就能滿足需求。然而，與計算機圖形 學中所研究的模型相比較，通過三維激光掃描獲取到的高精度文物三維模型由于文物本體 表面存在病害等原因，導致模型表面噪聲較多，模型質(zhì)量較差。并且，為了使模型提取出的 骨架線在文物保護工程中能夠應用，還需要骨架線具有較好的中心性，才能夠滿足工程中 的需求。因此，對骨架線提取的要求更高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于上述現(xiàn)有技術所存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠準確提取觀音手狀文物三 維模型骨架線的方法，使提取出的觀音手骨架線能夠滿足文物修復工作的需求。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種觀音手狀文物骨架線提取方法，包括：
[0007] 采用三維激光掃描獲取待修復觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)；
[0008] 利用獲取的所述觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)經(jīng)三維重建得到該觀音手狀文物的三 角網(wǎng)格模型；
[0009] 采用骨架線提取算法處理從所述三角網(wǎng)格模型上提取出所述觀音手狀文物的三 維空間骨架線。
[0010] 本發(fā)明的有益效果為：該方法能以較簡單方式準確提取待修復的觀音手狀文物的 骨架線，使其滿足于觀音手狀文物修復工程。該方法操作簡單，提取過程快捷，為觀音手狀 文物修復提供準確的依據(jù)，保證了修復效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0012] 圖1為本發(fā)明實施例提供的提取方法流程圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明實施例提供的提取方法的骨架線提取算法流程圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明實施例提供的骨架線提取算法的幾何收縮處理示意圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明實施例提供的骨架線提取算法的幾何收縮處理后具有骨架形態(tài)的 片狀網(wǎng)格模型示意圖
[0016] 圖5為圖4的局部網(wǎng)格示意圖；
[0017] 圖6為本發(fā)明實施例提供的骨架線提取算法的骨架簡化處理后的示意圖；
[0018] 圖7為本發(fā)明實施例提供的骨架線提取算法的節(jié)點微調(diào)處理后的示意圖；
[0019] 圖8為本發(fā)明實施例提供的提取后的骨架線的示意圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例 僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0021] 圖1所示為本發(fā)明實施例提供的一種觀音手狀文物骨架線提取方法，用于準確提 取待修復的觀音手狀文物的骨架線，為對該類文物修復提供準確依據(jù)，保證修復效果，該方 法包括以下步驟：
[0022] 采用三維激光掃描準備修復的觀音手狀文物，獲取該觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)；
[0023] 利用獲取的觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)經(jīng)三維重建得到該觀音手狀文物的三角網(wǎng) 格模型；
[0024] 采用骨架線提取算法處理從三角網(wǎng)格模型上提取出觀音手狀文物的三維空間骨 架線。
[0025] 上述三維模型骨架線提取流程中，骨架線提取算法處理包括：
[0026] 依次進行的對三角網(wǎng)格模型的幾何收縮步驟、骨架簡化步驟與節(jié)點微調(diào)步驟。
[0027] 上述提取方法中，對三角網(wǎng)格模型的幾何收縮步驟為利用網(wǎng)格Laplace算子作用 在三角網(wǎng)格模型上，通過不斷迭代使三角網(wǎng)格模型的頂點沿著該局部區(qū)域曲率的近似法向 方向移動，直到該文物的三角網(wǎng)格模型收縮為一個片狀骨架形態(tài)網(wǎng)格模型。
[0028] 上述提取方法中，幾何收縮步驟具體為：
[0029] 第一步，求解

【權利要求】
1. 一種觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，包括： 采用三維激光掃描獲取待修復觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)； 利用獲取的所述觀音手狀文物的點云數(shù)據(jù)經(jīng)三維重建得到該觀音手狀文物的三角網(wǎng) 格模型； 采用骨架線提取算法處理從所述三角網(wǎng)格模型上提取出所述觀音手狀文物的三維空 間骨架線。
2. 根據(jù)權利要求1所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述骨架線提 取算法包括： 順序進行的對所述三角網(wǎng)格模型處理的幾何收縮步驟、骨架簡化步驟與節(jié)點微調(diào)步 驟。
3. 根據(jù)權利要求2所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述對所述三 角網(wǎng)格模型處理的幾何收縮步驟為利用網(wǎng)格Laplace算子作用在所述三角網(wǎng)格模型上，通 過不斷迭代使所述三角網(wǎng)格模型的頂點沿著該局部區(qū)域曲率的近似法向方向移動，直到該 文物的三角網(wǎng)格模型收縮為一個片狀骨架形態(tài)網(wǎng)格模型。
4. 根據(jù)權利要求3所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述幾何收縮 步驟具體為： 響 fm·賴 第一步，求解/廣'=^r0 *解得到Vt+1;其中，WUWtl1均為nXn帶有權 值的對角矩陣，其中，初值設定為Wf=LO;Wi6βA為三角網(wǎng)格模型中所有三 角片的平均面積，V為三角網(wǎng)格模型中的笛卡爾坐標；
其中，cotCiij和cotPij為三角網(wǎng)格模型上的一條邊（i，j)所組成的一條邊的兩個對 角的余切； 第二步：利用新解算的Vt+1更新Lt+1 ; 第三步：更新收縮權與約束權，A為第三角網(wǎng)格模型中，以i為頂點的一環(huán)三角網(wǎng)的面 積，其中
第四步：判斷迭代終止條件：收縮后的模型體積/原模型體積〈1E-05 ;如果未達到終 止條件，則回到第一步；如果符合終止條件，則迭代終止。
5. 根據(jù)權利要求2、3或4所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述骨架 簡化步驟為對所述幾何收縮步驟后得到的片狀骨架形態(tài)網(wǎng)格模型通過基于邊折疊方式對 三角面進行刪除，直到所有的三角面均被刪除，得到只保留關鍵骨架點及其連線的簡化骨 架線。
6. 根據(jù)權利要求5所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述骨架簡化 步驟具體為： 先定義所述幾何收縮步驟處理后的三角網(wǎng)格模型中每個頂點的QEM: 在該過程中，首先為該三角網(wǎng)格模型中每一條邊（i，j)定義一個二次誤差矩陣Kij(見 公式3-4)，依據(jù)空間中點到直線距離的矩陣計算方法可以得到，點p到其對邊的二次誤差 度量為Pt (KTijKij)P;
其中，a是三角網(wǎng)格模型中某一條邊（i，j)的歸一化的邊向量，并且b=aXVpV是三 角網(wǎng)格模型的笛卡爾坐標； 如下述公式（3-5)所示，頂點i的初始二次誤差為該點到其相關邊的距離平方和：
其中，P為三角網(wǎng)格模型中，模型頂點的笛卡爾坐標； 在簡化過程中，通過折疊一條邊（i，j)所產(chǎn)生的二次誤差度量保證骨架線形態(tài)，具體 為：
在對邊（i，j)進行邊折疊簡化時，首先對每條邊折疊的二次誤差度量進行計算，然 后按照由小到大的順序插入隊列中，從二次誤差度量最小的邊開始折疊簡化，具體為： ε(i,j) =aεa(i,j)+bεb(i,j)，其中，a和b的權值均取 1。
7. 根據(jù)權利要求2、3或4所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述節(jié)點 微調(diào)步驟是對所述骨架簡化步驟得到的簡化骨架線，通過建立骨架節(jié)點與迭代收縮停止后 的頂點及原模型之間的映射關系，以及與骨架簡化前后的骨架點相關的收縮后模型頂點， 計算骨架點的偏移量，并對其位置進行修正得到最終的骨架線。
8. 根據(jù)權利要求7所述的觀音手狀文物骨架線提取方法，其特征在于，所述節(jié)點微調(diào) 步驟具體為： 根據(jù)三角網(wǎng)格模型幾何收縮前與三角網(wǎng)格模型骨架簡化后，模型頂點之間的映射關 系，每一個骨架線節(jié)點均會對應一個原始三角網(wǎng)格模型的帶狀區(qū)域，設該區(qū)域上、下兩個邊 界為j，因此每一個邊界均包含有一個原模型的頂點點集I，計算該邊界中頂點的加權平 均位移：
其中，是在一環(huán)邊界j中頂點i的兩個鄰接邊的長度之和，V為頂點坐標； 對于普通節(jié)點，即骨架點中有且僅有兩個鄰接邊的點。由于這類骨架節(jié)點對應原模型 中的兩環(huán)邊界Cl1于d2。因此，骨架點的空間坐標調(diào)整為：
其中，V為骨架節(jié)點的笛卡爾坐標； 而對于分支節(jié)點，即具有大于或等于三個鄰接邊的節(jié)點，為了使模型的骨架線更符合 模型本體各幾何結構之間的拓撲關系，則需要對距離過近的分支節(jié)點進行合并。在這里需 要注意，針對不同幾何構造的模型，分支節(jié)點合并的閾值需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。并 且，分支節(jié)點骨架點的中心性調(diào)整為：
其中，V為骨架節(jié)點的笛卡爾坐標，N為分支數(shù)量； 最后一類骨架節(jié)點稱為終端節(jié)點，該類節(jié)點的特點是有且僅有一個鄰接邊的點。這一 類頂點的微調(diào)方法為： V=v-d(3-12) 其中，V為骨架節(jié)點的笛卡爾坐標； 終端骨架點的位置應當位于模型表面。盡管在收縮過程中增加了較大的保形約束條 件，使其中終端節(jié)點能夠更多地保持在模型表面附近，可是仍會出現(xiàn)脫離模型表面的問題。 因此，對終端節(jié)點的調(diào)整還需要找到其收縮前模型所對應的點，并將終端節(jié)點連接到對應 的模型點上。
【文檔編號】G06T17/30GK104463972SQ201410683293
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權日:2014年11月24日
【發(fā)明者】侯妙樂, 楊溯 申請人:北京建筑大學