圖像處理技術在文物本體裂隙監(jiān)測中的應用

丁飛 楊雙國

（安徽博物院 安徽省合肥市 230071）

中國是具有五千年悠久歷史的文明古國，文化遺產(chǎn)豐富，文物保護工作艱巨而復雜。隨著文化遺產(chǎn)保護理念從“搶救性保護”向“預防性保護”的轉(zhuǎn)變，文化遺產(chǎn)監(jiān)測就顯得越來越重要。

文物本體監(jiān)測作為文化遺產(chǎn)監(jiān)測中的重要環(huán)節(jié)之一，主要從文物本體的形態(tài)、結構、病害等幾個方面進行監(jiān)測。在文物本體裂隙加固工程（以下簡稱“加固工程”）中，提出了無損監(jiān)測的概念，采用圖像處理技術對文物本體裂隙的加固過程進行了跟蹤記錄，精準的記錄了遺址修復過程中裂隙的變化，本文通過系統(tǒng)化的描述對方案內(nèi)容進行全面介紹。

1 文物本體裂隙監(jiān)測技術

目前針對文物本體裂隙變化的監(jiān)測主要采用電阻應變片、位移傳感器等接觸式監(jiān)測技術，此類監(jiān)測技術會對文物本體造成不同程度的損害。隨著科學技術的發(fā)展和文化遺產(chǎn)保護要求的提高，越來越多新的理念和方法被引入進來，下面對主要監(jiān)測技術作簡單介紹。

1.1 接觸式監(jiān)測技術

接觸式監(jiān)測方式多采用電阻應變片，根據(jù)金屬導體的應變效應，當被測物體受力沿電阻絲方向發(fā)生形變時，電阻絲隨之一起變形，因而電阻絲的阻值也發(fā)生改變，根據(jù)應變片的靈敏系數(shù)，數(shù)據(jù)采集儀器可測得應變片電阻值的變化，并將之轉(zhuǎn)換成裂隙的變化值。

這種監(jiān)測方式有很大的局限性，因需要在本體表面進行粘貼和處理，因此在壁畫表面、土遺址表面等監(jiān)測應用場景下不適用。

本文針對以上監(jiān)測問題，提出了通過圖像處理技術進行非接觸式監(jiān)測的解決方案，并在土遺址本體加固工程中得到了實際應用。

1.2 圖像處理技術

圖1：圖像的位分解

圖2：系統(tǒng)應用示意圖

圖3：水平鏡頭拍攝

圖4：傾斜鏡頭拍攝

基于圖像處理技術進行本體裂隙變化監(jiān)測，主要是對現(xiàn)場所采集的數(shù)字圖像進行處理。數(shù)字圖像通常是由一個矩形像素矩陣構成，一幀圖像可以描述成N×M 位像素，其中N 和M 是像素點的數(shù)目，圖像處理實際上就是對像素矩陣中像素值的數(shù)字化處理。

通過高清成像設備采集現(xiàn)場圖像，采用二值化及邊緣檢測方法得到原始圖像的特征區(qū)域輪廓，經(jīng)過定位、分割、解碼計算出區(qū)域中心點像素坐標，最終按照比例尺將不同像素點的差值換算成實際距離，從而得到裂隙的變化值。如圖1 所示。

圖5：二維碼

圖6：二維碼測距

圖7：裂隙變化圖

圖像處理技術還包括點運算、群運算、邊緣檢測、局部特征檢測、像素運算、模板匹配等，針對不同應用采用不同的技術進行處理。

1.3 攝影測量技術

攝影測量技術指通過光學攝像機獲取影像，經(jīng)過處理獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性的一項學科，主要被用于測繪領域。通過對影像原始尺寸、比例尺、拍攝角度等因素的綜合處理，最終獲得被攝物體表面特征。

2 基于圖像處理技術的本體監(jiān)測實現(xiàn)方案

針對文物本體裂隙變化的監(jiān)測，獲知裂隙變化量及變化趨勢是關鍵點。因此采取特殊標記點（如工業(yè)色標、二維碼圖標等）識別方法，通過高清攝像機固定拍攝現(xiàn)場照片，上傳至服務器。識別出圖像中的標記點的相對坐標值，根據(jù)攝像機實際取景范圍經(jīng)過比例換算得到實際測量值。

2.1 監(jiān)測方案

系統(tǒng)應用示意圖如圖2 所示。結合系統(tǒng)實際操作經(jīng)驗，我們對監(jiān)測過程進行了如下定義：

（1）基礎定標：采用定點圖像采集方式進行監(jiān)測，因此需要在系統(tǒng)運行初期對監(jiān)測部位進行定標操作，包括固定攝像機位置、固定焦距、確定圖像尺寸、確定水平位置。

表1：物距對應的觀測尺寸與分辨率

（2）圖像采集：通過網(wǎng)絡將現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)推送至服務器。

（3）圖像處理：對圖像進行處理，識別出圖像上的標記點，并確定標記點所在圖像的坐標值，通過比例換算得到不同標記點間的實際尺寸。

（4）測量結果：在坐標系上以時間軸為序展示裂隙變化數(shù)據(jù)，包括裂隙長度變化圖和驟變趨勢圖。長度變化圖主要表現(xiàn)裂隙變化的過程，而驟變趨勢圖主要呈現(xiàn)過程中的變化幅度。

（5）系統(tǒng)精度說明：案例選用的網(wǎng)絡攝像機為130 萬像素成像設備，最大像素尺寸為1280*960 像素。系統(tǒng)精度與施工現(xiàn)場有緊密聯(lián)系（表1），具體測算方法如下：

測量精度=觀測尺寸/成像像素（長）

物距：指鏡頭到被攝物之間的實際距離。

觀測尺寸：指被攝物體在畫面（長度）中的尺寸。

成像像素：指生成圖像的像素尺寸。

通過選取更高規(guī)格的攝像機，可以進一步提升系統(tǒng)精度。如選用某廠家一款500 萬像素的攝像機并配備同等規(guī)格鏡頭，該設備標稱成像像素為2560×1920。以1000mm 物距、120mm 觀測尺寸為例，帶入公式計算精度為120/2560 ≈0.05mm。

（6）拍攝角度。需要特別指出的是拍攝角度會對拍攝精度帶來細微影響，我們主要從觀測尺寸（或稱取景寬度）來分析。當攝像機鏡頭與被攝物體平行放置時，拍攝場景如圖3 所示，當攝像機鏡頭與被攝物體成30°傾角放置時，相機的觀測尺寸被相對放大，在成像尺寸不變的情況下，降低了拍攝精度（如圖4 所示）。因此在使用該方案時，應保持攝像機鏡頭與被攝物體呈水平狀，以便獲取最大精度。同時在系統(tǒng)運行過程中，不應調(diào)整攝像機拍攝角度，否則會影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2.2 標記點的應用

關于標記點的選擇，在系統(tǒng)設計初期，計劃采用白底黑心的圓形圖標作為特殊標記點，但經(jīng)過反復試驗，這種設計存在兩方面缺陷：

（1）圓形的誤識別率較高，可能與應用現(xiàn)場的背景有很大的相似度；

（2）這種沒有任何含義的圖標不利于后期系統(tǒng)擴展。

通過試驗對比，我們提出采用二維碼圖標作為特殊標記點。首先二維碼圖標不會與任何環(huán)境物品的紋飾存在重復性，從根本上降低了誤識別率；其次，二維碼圖標自身可以攜帶大量信息，便于滿足后期功能擴展。另外，二維碼圖標的方向性也是可以被有效利用的，如通過二維碼圖標自身旋轉(zhuǎn)得知物體在平面上的位移變化。如圖5 所示。

為了提高數(shù)據(jù)的一致性，消除二維碼圖標因方向性帶來的干擾信息，規(guī)定每個二維碼圖標的第一個框與第三個框的連線中點為二維碼圖標的中心點。通過計算一組二維碼圖標中心點之間的距離，得到一組二維碼圖標間的像素差值，并通過進一步換算得到實際距離，如圖6 所示。

下面我們結合實際案例來了解這種監(jiān)測技術的應用。

3 應用案例

如圖7，在某博物館長期實時監(jiān)測過程中裂隙變化范圍在33.35mm～33.5mm 之間，通過數(shù)據(jù)得知，在近幾個月的監(jiān)測過程中，可以實時的反映裂隙的生長發(fā)育，故采用圖像處理技術，并輔以二維碼圖標作為標記物，是可以精確監(jiān)測到裂隙變化過程的。

4 小結

文物本體裂隙產(chǎn)生的因素很多，本文提出的非接觸式的監(jiān)測方法與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，優(yōu)勢在于不需要與文物本體表面進行過多接觸，尤其無需進行大面積粘貼、清潔、防潮處理等工作，最大限度的保護文物本體不受破壞，便于在多種特殊應用環(huán)境下使用。該方案仍存在一些問題，例如現(xiàn)場運行設備整體功耗較大需要獨立市電供應、監(jiān)測精度受現(xiàn)場環(huán)境因素制約影響較大等等，需要進一步優(yōu)化改進。總體來講，本文提出的基于圖像處理技術的監(jiān)測方法為文物本體裂隙監(jiān)測提供了一種新的監(jiān)測手段，豐富了行業(yè)應用。