圖像處理在瑤族古建筑數(shù)字化保護(hù)中的應(yīng)用

李明

摘 要：城市化的發(fā)展進(jìn)程不斷加快，加之人為破壞及自然環(huán)境等因素的影響，人類珍貴的文化遺產(chǎn)之一——瑤族古建筑的發(fā)展正遭受沖擊。當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也從側(cè)面進(jìn)一步加速了古建筑的破壞，往日輝煌的瑤族古建筑面臨困境。針對(duì)此種情況，當(dāng)務(wù)之急是采取藝術(shù)手法、高科技手段復(fù)原保護(hù)古建筑。在修復(fù)、保護(hù)、展示古建筑等相關(guān)領(lǐng)域中，數(shù)字化圖像復(fù)原技術(shù)扮演著日益重要的角色，其是古建筑文化遺產(chǎn)恢復(fù)往日神采的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：古建筑保護(hù);數(shù)字化;圖像處理;瑤族古建筑

一、古建筑保護(hù)的重要性

位于湘、粵、桂三?。▍^(qū)）交界地的廣西賀州市富川瑤族自治縣，是古代南北交通要道之一，也是中原文化傳入粵、桂的一個(gè)通道口，且富川建縣較早（西漢元鼎六年即公元前111年始建富川縣，為廣西建縣較早的縣），歷史悠久，民族文化源遠(yuǎn)流長，文物古跡眾多，風(fēng)雨橋、瑞光古塔、明清古戲臺(tái)就是其中之杰出代表。隨著城鎮(zhèn)規(guī)劃的發(fā)展和人為破壞及自然環(huán)境等因素的影響，瑤族古建筑歷經(jīng)歲月長河卻依然完整或局部完整地保留著原貌。它們代表了那個(gè)時(shí)代的建筑技術(shù)水平、建筑材料水平以及建筑審美水平，因此，古建筑文物本身就是一種綜合性藝術(shù)，能在有限的空間里給人以美的享受，目前在一些古鎮(zhèn)還能欣賞到它們。

二、全景圖生成處理技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用

在技術(shù)工具高速發(fā)展的今天，全景圖生成方法作為一種具有代表性的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注，并且因廣角的表現(xiàn)手段和其他表現(xiàn)形式（如視頻、繪圖等）盡可能多地表現(xiàn)出真實(shí)環(huán)境而廣泛應(yīng)用在虛擬場景展示、醫(yī)學(xué)圖像處理及博物館漫游等領(lǐng)域，其在古建筑文物中同樣適用。據(jù)查閱最新文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)目前古建筑文物全景圖的生成方法主要有三種：一是利用全景攝像設(shè)備直接拍攝;二是通過工具軟件將普通攝像機(jī)拍攝的多幅圖像合成一幅全景圖;三是利用圖像拼接算法將多幅圖像融合成一幅全景圖。

（一）使用全景圖制作工具

全景圖制作中常用的工具包括PTGui、ArcSoft Panorama Maker等等，本文對(duì)這兩種工具進(jìn)行簡要介紹。

PTGui是全景制作工具的用戶界面軟件，它為全景制作工具提供了一個(gè)友好的視覺界面，實(shí)現(xiàn)多幅圖像的自動(dòng)拼接，從而生成高質(zhì)量的全景圖。PTGui的基本工作過程是圖像加載、特征點(diǎn)定位、圖像配準(zhǔn)、圖像融合和全景圖生成。該工作流程包括三個(gè)步驟：首先，通過單擊“加載圖像”按鈕，自動(dòng)導(dǎo)入一組原始圖像;其次，單擊“對(duì)齊圖像”按鈕，自動(dòng)對(duì)齊圖像的控制點(diǎn)，并以控制點(diǎn)的形式自動(dòng)縫合和優(yōu)化融合后的圖像;最后，單擊“創(chuàng)建全景”按鈕以生成所需的全景。全景圖制作軟件不僅功能豐富，而且用戶可以修改和添加控制點(diǎn)，提高拼接精度。拼接后，全景圖亮度均勻，沒有明顯的拼接痕跡。操作的簡單性使它成為制作古代建筑全景圖的首選工具。

作為全景圖制作軟件，ArcSoft Panorama Maker 在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在古建筑全景圖的制作方面脫穎而出。該軟件可自動(dòng)拼接存在重疊度的圖片，形成高質(zhì)量的全景圖，其手動(dòng)微調(diào)選項(xiàng)可滿足專業(yè)攝影人員調(diào)整、編輯、生成圖像的各種操作需要，如對(duì)拼接點(diǎn)進(jìn)行修改，調(diào)整拼接位置、圖像對(duì)比度、亮度等等。該軟件支持五種專業(yè)（縱向、平鋪、橫向、自動(dòng)、360°）的全景圖拼接方式，且可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)整融合區(qū)域和匹配點(diǎn)，制作稱心如意的全景圖。此外，它還具有3D預(yù)覽的效果，比如PageFlip、Line Interleave、Anaglyph等。在圖片保存方面，可選擇 *.MPO 3D的格式。

（二）使用全景圖拼接相關(guān)算法應(yīng)用

眾所周知，普通相機(jī)下的寬視角全景圖分辨率低，廣角鏡頭、全景相機(jī)的全景圖不僅存在嚴(yán)重的失真、畸變現(xiàn)象，需要運(yùn)用其他軟件修復(fù)，且價(jià)格高。故此，為了提高拼接全景圖的質(zhì)量，確保圖像的分辨率符合要求，數(shù)字圖像處理相關(guān)算法應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)合生成全景圖的過程，筆者認(rèn)為全景圖拼接的關(guān)鍵技術(shù)主要有兩個(gè)，即圖像配準(zhǔn)和圖像融合。

1.圖像配準(zhǔn)

全景圖拼接圖像的質(zhì)量很大程度取決于圖像配準(zhǔn)，這充分說明該技術(shù)的重要性。圖像配準(zhǔn)是以匹配策略為基礎(chǔ)，找出需要拼接的圖像的特征點(diǎn)。當(dāng)然，也可以以參考圖像為依據(jù)，從模板中找到能夠與之匹配的配置，并以此為依據(jù)對(duì)兩幅圖像進(jìn)行對(duì)比分析。點(diǎn)匹配法是較早出現(xiàn)的圖像配準(zhǔn)方法，但是此種方法存在諸多弊端，比如質(zhì)量差、粗糙、速度慢等。另外，就配準(zhǔn)古建筑文物圖片的需要來看，人工選擇初始匹配點(diǎn)也存在不足。本次整理了現(xiàn)有與圖像配準(zhǔn)相關(guān)的文獻(xiàn)得出其主要可分為基于灰度信息、相位、特征三種類型的圖像配準(zhǔn)。其中以灰度信息為基礎(chǔ)的圖像配準(zhǔn)的過程是首先確定模板，即提取圖像中的目標(biāo)區(qū)域，然后在待拼接圖像中搜索最佳區(qū)域，主要以相似性定量規(guī)則為依據(jù)。此類圖像配準(zhǔn)具體方法主要有局部與區(qū)域信息結(jié)合法、交互信息法等，此法的不足是存在圖像之間非剛性變換的問題。以特征為基礎(chǔ)的圖像配準(zhǔn)在估計(jì)圖像變換方面，主要以圖像的特征（如區(qū)域、邊緣、形狀、紋理、角）等為依據(jù)。

2.圖像融合

在全景拼接中，圖像融合雖然是末尾環(huán)節(jié)，但也是最為重要的步驟，即融合處理拼接圖象的重合區(qū)域，以讓所形成的拼接全景圖質(zhì)量高，實(shí)現(xiàn)平滑無縫。采用該技術(shù)能夠使全景圖的視覺效果更好，確保全景圖質(zhì)量，其主要通過消除圖像的鬼影、拼接縫隙、亮度差異等手段提升全景圖質(zhì)量。漸入漸出法、加權(quán)平均法等都屬于早期的圖像融合技術(shù)，此類方法僅能夠簡單地融合圖像，融合質(zhì)量較差。本次查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)圖像融合有像素級(jí)、特征級(jí)、決策級(jí)三種層次。

當(dāng)前全景圖拼接中普遍運(yùn)用的方法有很多。一是像素級(jí)圖像融合，此種融合方式是在嚴(yán)格的配準(zhǔn)條件下對(duì)各種傳感器輸出的原始信號(hào)進(jìn)行綜合處理的過程，應(yīng)用較多的算法有泊松融合算法、多分辨率融合算法、加權(quán)平均融合算法等。像素級(jí)圖像融合可保留較多原始圖像信息，生成的全景圖精度高，但所需時(shí)間長。二是特征級(jí)圖像融合，此種圖像融合方式是先提取各類傳感器的特征信息，然后進(jìn)行綜合處理。此種融合法效率較高，但是不能充分保留圖像細(xì)節(jié)信息，所生成的全景圖精度較像素級(jí)圖像融合法差。三是決策級(jí)圖像融合，其基本原理是逐一提取、識(shí)別、分類各個(gè)源圖像，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合特定的決策融合所有待融合的圖像，聯(lián)合眾多決策類型，實(shí)現(xiàn)最終判決，常見的方法包括基于支持向量機(jī)、證據(jù)推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及Bayes推理等。雖然，對(duì)比其他圖像融合方式，此類融合計(jì)算量較小，但是由于處理過程中喪失較多圖像原始信息，所以融合后所得到的全景圖清晰度較低。綜上，實(shí)踐中更加傾向于采用加權(quán)平均融合法處理古建筑文物圖像。

三、數(shù)字圖像技術(shù)處理古建筑裂縫監(jiān)測

（一）研究原理

運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)測量墻體開裂變形圖像，為了求取物體與數(shù)字圖像像素的比例系數(shù)，往往需要運(yùn)用到相機(jī)標(biāo)定。該法是假設(shè)x1、y分別為物體實(shí)物x、y的尺寸（單位長度），對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)的圖像尺度用x2、y（單位像素）表示。綜上，我們可將圖像與實(shí)物兩者的尺度比例系數(shù)理解為物體的標(biāo)定系數(shù)。這表明，如相機(jī)標(biāo)定，則只需要獲取圖像的圖像尺度，對(duì)應(yīng)就可得到實(shí)際物體的尺寸，即通過圖像尺度乘以比例系數(shù)。雖然此種方法能夠獲得對(duì)象物的尺寸，但是無法觀測其對(duì)象，故需要通過閾值化分割以預(yù)測對(duì)象區(qū)域。閾值分割主要運(yùn)用了圖像的開裂口、健全區(qū)域存在不同的灰度分布，即設(shè)置灰度閾值的方式區(qū)別兩者，從而提取開裂口。但是在閾值分割后，仍無法保證圖像純度，這是因?yàn)槠渲写嬖趫D像噪聲，不利于保證圖像精確度。基于此，需要結(jié)合形態(tài)學(xué)抑制噪聲，檢測區(qū)域邊緣，提取圖像特征等。為了實(shí)現(xiàn)上述操作，對(duì)整個(gè)圖像采取結(jié)構(gòu)元素逐行掃描法，并集合其中的交并圖像。形態(tài)學(xué)的操作有很多，其中最為基本的操作有兩個(gè)，第一個(gè)是腐蝕，第二個(gè)是膨脹。在這兩個(gè)基本操作的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出系列操作，比如閉合、開啟等。在圖像處理中，形態(tài)學(xué)操作的作用主要體現(xiàn)在如下方面：首先是可對(duì)小孔洞、縫隙進(jìn)行填補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)連接間斷;其次是去除與二值圖像無關(guān)的因素;再次是過濾突刺，切斷細(xì)長搭接;最后是對(duì)缺口、孔洞進(jìn)行填充。管理者基于形態(tài)學(xué)操作，即可直觀地觀看裂縫邊緣，并以此為依據(jù)，明確測量線的起始點(diǎn)。

（二）實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

賀州市富川瑤族自治縣作為三?。ü稹⒒?、湘）交界點(diǎn)，是中原文化進(jìn)入桂、粵的重要通道口，是古代南北交通要道。富川縣建立于公元前111年，即西漢元鼎六年，在漫長的歲月歷程中，該縣留下了諸多文物古跡，是遠(yuǎn)近馳名的古城，較為完整地保留了各種文物。對(duì)比傳統(tǒng)測量法測定裂縫寬度，依托數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行測量其精度更高、操作更為簡便，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

四、結(jié)語

中國歷史悠久，文化瑰寶絢麗，古建筑是其中的精髓。當(dāng)前我國擁有很多古建筑，是我國優(yōu)秀文化的精髓。將現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于古建筑保護(hù)，促進(jìn)科技與文化保護(hù)的深度整合，完美融合技術(shù)與藝術(shù)。充分運(yùn)用高科技傳承與保護(hù)古建筑，不僅能夠讓當(dāng)代人獲得更好的文化體驗(yàn)和文化歸屬感，同時(shí)還能夠引導(dǎo)現(xiàn)代人欣賞古建筑的魅力，這是有效落實(shí)各項(xiàng)工作，傳承保護(hù)古建筑的重要手段。

參考文獻(xiàn)：

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作者單位：

賀州學(xué)院