基于色彩向量的藏式傳統(tǒng)建筑外觀數(shù)字特征提取

董建民 李麗寧

摘要：針對藏式傳統(tǒng)建筑色彩藝術(shù)分析中以定性分析為主、缺少定量分析的問題，首先介紹了視覺可分函數(shù)、色彩可分度、色彩特征張成空間等相關(guān)定義，然后給出了以簡單集合運(yùn)算為主要理論依據(jù)的藏式傳統(tǒng)建筑中色彩特征張成空間的生成方法，將其結(jié)果作為藏式傳統(tǒng)建筑彩色特征的主要表現(xiàn)形式，最后將數(shù)碼照片和彩色點(diǎn)云作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的正確性與有效性，而且與已有的定性分析結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：色彩向量；藏式傳統(tǒng)建筑；數(shù)字特征；色彩張成可分空間

DOI：10.11907/rjdk.181555

中圖分類號：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0219-04

Abstract：ThisarticleisfocusedonthequalitativeanalysisinthecolorartanalysisofTibetantraditionalarchitecture（TTA）whichislackofquantitativeanalysis，thedefinitionsofvisualdistinguishablefunction，colordistinguishablelevelandcolorvectorspandistinguishablespace（CVSDS）areintroducedfirstly，methodforCVSSisputforwardbythesedefinitionsandsimplesetoperationaboutTibetantraditionalarchitecture，whichisusedasthemainmanifestationofthecolorfeaturesoftheTTA.Finally，numericaltestsareimplementedwiththedigitalimagesandcolorpointcloudsbeingtheinputeddatasetbyMatlabprogramming.Theexperimentsareprovedthatthemethodissimple，accurateandeffective，anditagreeswiththeworksoftheexistingqualitativeanalysis.

KeyWords：colorvector；Tibetantraditionalarchitecture；digitalfeature；colorvectorspandistinguishablespace

0引言

我國藏區(qū)民眾由于長年生活在雪域高原，藍(lán)天、白云、森林、草原等大自然的色彩都啟發(fā)了他們對色彩的運(yùn)用，從而形成了與眾不同的色彩審美藝術(shù)。自然崇拜與原始信仰的深遠(yuǎn)影響，在藏式傳統(tǒng)建筑中被歷代藏族人民發(fā)揮得淋漓盡致，從而造就了藏民族獨(dú)特的建筑形式及其外觀裝飾風(fēng)格，同時也是藏民族歷史發(fā)展進(jìn)程中創(chuàng)造的特殊地域文化、民族傳統(tǒng)心理審美特征的集中反映。在藏式建筑整體裝飾中，習(xí)慣大面積使用對比強(qiáng)烈、明度和純度高的顏色，如最常用的白、藍(lán)、紅、黃、綠等顏色。白色主要用于墻面，黑色用于門窗，紅色用在屋檐、外墻等部位[1-3]。這些顏色在長期的民俗文化和宗教傳統(tǒng)中被賦予了不同象征意義，例如：白色象征純潔，黃色象征脫俗，紅色象征庇護(hù)，黑色象征驅(qū)邪，金色象征高貴。這些明亮、質(zhì)樸、純凈、艷麗的色彩從整體上塑造了傳統(tǒng)藏式建筑莊嚴(yán)而又熱烈的形象。藏式建筑通常以一到兩種顏色為主色調(diào)，多為白色、紅色，其它顏色由主色調(diào)衍生而來，以求達(dá)到色調(diào)的和諧。外墻色彩主要分為兩種：白色和紅色，這兩種顏色組合色彩對比強(qiáng)烈、飽和度鮮明。其中白色用法較為普遍，無論是宮殿、寺廟還是民居，通常墻體都用白色涂料粉刷，紅色用法則較為嚴(yán)格，主要用在寺廟中[4-5]。白色、絳紅的組合搭配，大面積地出現(xiàn)在藏式建筑裝飾中，所體現(xiàn)的民族性是顯而易見的。此外，藏式建筑中還有一定數(shù)量的金黃色建筑，金色的使用和金頂（金瓦屋頂俗稱“金頂”）的建造有明文規(guī)定，只有等級高、富裕、有權(quán)勢的寺院或皇族才有資格使用，如布達(dá)拉宮。金頂是加蓋在寺院主殿、王宮頂部的特制金屬頂瓦，是一種豪華的建筑裝飾。金色裝飾讓建筑顯得富麗堂皇、巍峨壯觀、氣勢宏偉。金頂面積的大小是象征政教權(quán)勢、貧富貴賤的重要標(biāo)志。因此不難發(fā)現(xiàn)，藏式建筑的外部裝飾都采用基本相同的色彩，即利用白、藏紅、金黃三色組合作為建筑裝飾色[6-8]。

對藏式建筑室外色彩的研究與分析目前主要以宗教文化為切入點(diǎn)。從研究方法上看，目前還停留在基本的外在視覺觀察和人為主觀分析階段；從研究數(shù)據(jù)的運(yùn)用上看，基本上是針對一類建筑或其局部的外在色彩進(jìn)行分析研究，已有的研究成果基本上是定性結(jié)論。隨著多維數(shù)據(jù)分析理論和方法的發(fā)展，利用多維數(shù)據(jù)分析理論對藏式建筑室外色彩進(jìn)行分析也成為了可能。多維數(shù)據(jù)分析通常利用已知的特征提取算法提取研究對象數(shù)據(jù)特征，然后對數(shù)據(jù)特征進(jìn)行處理，其過程往往借助于數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)等算法，最后得出相關(guān)結(jié)論。從目前對傳統(tǒng)藏式建筑外部色彩特征的研究結(jié)果看，尚缺少利用多維數(shù)據(jù)分析理論進(jìn)行分析的結(jié)果，且大部分僅是對分析對象特征進(jìn)行的前期調(diào)研與初步定性總結(jié)，缺少抽取其自身色彩數(shù)字特征，經(jīng)相關(guān)算法處理后得到的結(jié)果[9-13]。

色彩的數(shù)字特征與其所在顏色空間密不可分。從目前已有的顏色模型看，主要分為RGB、HSV、HSI、CMY等模型；從目前主要數(shù)碼產(chǎn)品的應(yīng)用看，以RGB顏色模型為主流。RGB顏色空間采用一個單位長度的立方體表示顏色，黑藍(lán)綠青紅紫黃白8種常見顏色分別位于立方體8個頂點(diǎn)，通常將黑色置于三位直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，紅綠藍(lán)分別置于3根坐標(biāo)軸上。各參數(shù)的量化取值范圍為：R取0～255；G取0～255；B取0～255。參數(shù)值也稱為三色系數(shù)、基色系數(shù)、顏色值或顏色深度，除以255后歸一到0～1之間，量化后得到有限個數(shù)值。因此，紅綠藍(lán)分量全部組合起來共表示16777216種不同顏色；從電子器件的應(yīng)用廣度與范圍看，RGB顏色空間模型的應(yīng)用范圍更廣，在常見的數(shù)據(jù)采集中占據(jù)主導(dǎo)地位。HSV、HSI兩個顏色空間是為了更好地適應(yīng)人類視覺感知而提出的，而CMY則是工業(yè)印刷采用的顏色模型；從理論角度看，這些顏色模型都可通過相關(guān)數(shù)學(xué)方法加以轉(zhuǎn)換，從而在視覺表達(dá)上趨于一致[14-20]。但由于在不同色彩模型的轉(zhuǎn)化中往往存在舍入誤差，在分析研究對象色彩特征時，通常直接利用自身定義的顏色模型采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，以盡量避免由于顏色模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換帶來的分析偏差，特別是對于那些對數(shù)據(jù)比較敏感的方法。

在藏式傳統(tǒng)建筑的分析研究中，研究者基本還停留在定性分析基礎(chǔ)上，特別是對其外觀顏色的定性分析已被人們廣泛接受，但從數(shù)據(jù)分析的角度看，定性分析難以滿足人們對藏式建筑的分析研究需求；從研究的難易程度看，目前僅有對其外觀色彩的量化分析等相對簡單的分析方法；另外從人的視角看，能夠分辨和接受的顏色信息難以通過目前的RGB顏色模型進(jìn)行描述與分析，特別是對于某種單色的分析往往具有一定主觀性。本文針對該問題構(gòu)建量化分析理論與方法，以采集數(shù)據(jù)庫中藏式建筑的數(shù)碼圖像及以三維掃描原理為基礎(chǔ)的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)為驗(yàn)證依據(jù)，給出相應(yīng)分析結(jié)果，繪制出其在RGB模型中的對應(yīng)顏色。

1相關(guān)理論

實(shí)際上，滿足這種條件的函數(shù)是存在的，從數(shù)學(xué)意義上看，該函數(shù)應(yīng)該是可測函數(shù)的一個子空間。最常見的就是在笛卡爾空間中，歸一化后兩個向量的內(nèi)積函數(shù)則滿足上述要求。因此，所有由該函數(shù)值作為自變量的一元初等函數(shù)都可作為視覺可分函數(shù)。此類函數(shù)在實(shí)際研究中往往刻畫的是系統(tǒng)對視覺中同一種色彩在不同亮度下的數(shù)據(jù)敏感性。

通過以上定義，顯然色彩可分度嚴(yán)格依賴于可分指標(biāo)和視覺可分度函數(shù)，從該函數(shù)的定義看，基本符合人的視覺系統(tǒng)對顏色的認(rèn)知過程。

定義3色彩特征張成空間：設(shè)C1，C2，…，Cn為給定視覺函數(shù)和視覺可分度指標(biāo)量化后的彩色向量集，稱由C1，C2，…，Cn張成的空間P為色彩特征張成空間。換言之，對于任意指標(biāo)可分的色彩C，都存在某一非零數(shù)k和指標(biāo)i，使得C=kCi，稱k為色彩C在該色彩可分空間的參考系數(shù)，Ci為C在該色彩特征張成空間的原色。如果C1，C2，…，Cn是有限的，則稱C1，C2，…，Cn形成分析對象的色彩特征張成空間。

從色彩特征張成空間的定義看，其不同于一般數(shù)學(xué)意義下的線性空間，也不同于顏色量化的顏色空間，因?yàn)槿绻鸆是具有3個分量的向量，顯然按照一般線性空間的定義，必然是三維線性空間，具有3個標(biāo)準(zhǔn)基底，而根據(jù)之前定義，顏色可分空間的相應(yīng)原色顯然超過了三原色。然而，從藏式建筑的室外裝飾色彩研究及建筑藝術(shù)的角度看，利用已有的色彩量化數(shù)據(jù)，根據(jù)上述相關(guān)定義和理論，確定其在視覺可分函數(shù)及指標(biāo)的色彩特征張成空間，對于研究藏式建筑特色、建筑風(fēng)格、藝術(shù)體系等有著重要意義，同時對已有藏式傳統(tǒng)建筑的人工色彩修復(fù)乃至數(shù)字修復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

2色彩特征張成空間確定方法

3數(shù)據(jù)收集與整理

藏式傳統(tǒng)建筑的室外色彩數(shù)據(jù)采集是本文算法的一個基本出發(fā)點(diǎn)，從目前已有的數(shù)據(jù)采集方式看，主要分為兩大類：一類是以攝影為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集方法，包括利用普通數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行人工拍照，以及利用搭載攝影器材的小型無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行拍攝等，其得到的最終數(shù)據(jù)形式往往是一系列規(guī)格統(tǒng)一的數(shù)碼照片或設(shè)定解析度的視頻數(shù)據(jù)，實(shí)際上視頻數(shù)據(jù)也可被分解成若干有限幀的圖像數(shù)據(jù)；另一類是利用以激光雷達(dá)技術(shù)原理集成的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括靜態(tài)彩色激光掃描儀、車載激光掃描儀、車載雷達(dá)掃描儀以及近地機(jī)載雷達(dá)掃描儀等，此類儀器往往得到的是一批彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但由于其成本相對較高，目前應(yīng)用還較為有限。本文將分別采用兩種不同數(shù)據(jù)采集方式驗(yàn)證色彩特征張成空間生成方法，一是采用定焦數(shù)碼相機(jī)人工拍照得到一系列規(guī)格統(tǒng)一的數(shù)碼照片數(shù)據(jù)集，二是通過掃描得到大量彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4數(shù)值實(shí)驗(yàn)

本文采用的數(shù)據(jù)是利用佳能600D數(shù)碼相機(jī)在85mm定焦鏡頭下拍攝的5000多張藏式傳統(tǒng)建筑數(shù)碼照片，并在6個藏式傳統(tǒng)建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用Matlab2013b，在ThinkStationT500的RAM32GB志強(qiáng)E1605工作站上編程運(yùn)行。其中，色彩區(qū)分度L=0.005，視覺可分度函數(shù)f（x，y）取歸一化后的向量內(nèi)積函數(shù)。圖1-圖3為數(shù)碼照片數(shù)據(jù)集程序運(yùn)行結(jié)果，其左側(cè)為原始數(shù)字圖像，右側(cè)是其對應(yīng)的色彩特征張成空間，其均含有藏式建筑色彩以外的顏色，因而驗(yàn)證了本文算法的正確性；圖4為利用天寶TX5彩色激光掃描儀掃描6站所得的含有2026116個彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)集的程序運(yùn)行結(jié)果；圖5是圖3、圖4兩組運(yùn)行結(jié)果色彩特征張成空間的交集，需注意圖5最底層為白色（彩圖見封二）。

5結(jié)語

本文通過引入視覺可分函數(shù)及可分度的相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了以提取數(shù)據(jù)集自身特征為基礎(chǔ)的色彩特征張成空間生成方法，利用Matlab進(jìn)行編程，分別將單張數(shù)碼照片、多張數(shù)碼照片數(shù)據(jù)集以及彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)輸入，得到其對應(yīng)的色彩特征張成空間，從而證明了算法的正確性和有效性。同時對兩組輸入結(jié)果進(jìn)行集合交運(yùn)算，得到其共同結(jié)果，并通過實(shí)驗(yàn)證明了藏紅、金黃、白色等顏色為藏式傳統(tǒng)建筑的鮮明特征，與已有的定性分析結(jié)果一致。同時，由于本文的數(shù)碼照片數(shù)據(jù)含有建筑之外的諸如藍(lán)天、綠色植被等顏色，其更精確的計(jì)算需分割圖像數(shù)據(jù)后再進(jìn)行處理。從算法的軟件實(shí)現(xiàn)看，今后如何提高軟件在執(zhí)行時的并行能力是減少運(yùn)算時間的有效途徑之一。同時在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在采集數(shù)據(jù)、拍攝對象全景數(shù)碼照片以及掃描三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，需盡量減少外界環(huán)境的影響，這也是提高算法準(zhǔn)確度的根本途徑。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)拍攝同一種色彩圖像時，環(huán)境光和其表面反射會影響算法執(zhí)行結(jié)果，該問題尚有待進(jìn)一步分析。

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（責(zé)任編輯：黃健）