基于圖像處理技術(shù)的中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙男

摘? 要： 針對(duì)原有中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)識(shí)別色彩修復(fù)邊緣能力不足的問題，基于圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)新式的中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)。在保留原有系統(tǒng)硬件的前提下，更換一個(gè)采集能力更強(qiáng)的圖像采集卡，將其與USB端口和圖像采集器相連接，增強(qiáng)系統(tǒng)的圖像識(shí)別能力。在系統(tǒng)軟件方面，此次設(shè)計(jì)利用圖像處理技術(shù)，結(jié)合損失公式，識(shí)別待修復(fù)色彩區(qū)域的銜接邊緣;建立色彩提取區(qū)域，計(jì)算色彩最優(yōu)點(diǎn)的位權(quán)值，找出色彩提取位置，并按照原有繪畫色彩疊加方式，將不同顏色合成;利用偏微分方程設(shè)置色彩修復(fù)系統(tǒng)的修復(fù)代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國畫色彩的修復(fù)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，與原有修復(fù)系統(tǒng)相比，所設(shè)計(jì)的色彩修復(fù)系統(tǒng)識(shí)別中國畫色彩修復(fù)邊緣的能力更強(qiáng)，修復(fù)后的中國畫質(zhì)量更高。由此可見，該色彩修復(fù)系統(tǒng)可應(yīng)用于中國畫的色彩修復(fù)。

關(guān)鍵詞： 中國畫; 色彩修復(fù); 圖像處理技術(shù); 銜接邊緣修復(fù); 色彩提取; 修復(fù)代碼設(shè)置

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0060?04

Abstract： As the original color restoration system for the Chinese paintings does not have enough capability to recognize the edge of color restoration， a new color restoration system for Chinese paintings is designed on the basis of image processing technology. On the premise of retaining the original system hardware， the original image acquisition card is replaced by an image acquisition card with stronger acquisition ability， which connects USB port and image collector to enhance the image recognition ability of the system. In terms of system software， the image processing technology and loss formula are adopted in the system design to identify the join edge of the color area under restoration， establish the color extraction area， and calculate the optimal bit weight value of color to find out the color extraction position and compound different colors according to the original color superposition method. The restoration code of the color restoration system is set up with partial differential equation to realize the color restoration of the Chinese paintings. The experimental results show that， in comparison with the original restoration system， the designed color restoration system has a stronger ability to recognize the color restoration edges of the Chinese paintings， and the quality of the restored Chinese paintings is much higher. This shows the color restoration system can be applied to the color restoration of the Chinese paintings.

Keywords： Chinese painting; color restoration; image processing technology; join edge restoration; color extraction; restoration code generation

0? 引? 言

中國畫作為一種歷史悠久、傳統(tǒng)優(yōu)良的中華民族傳統(tǒng)繪畫，凝聚著大量的中華民族歷史信息，體現(xiàn)了一代又一代人民的民族智慧以及每一時(shí)期的人物性格，同時(shí)也反映了歷史發(fā)展趨勢、國家的政權(quán)變革等社會(huì)發(fā)展情況，可見中國繪畫不僅僅是對(duì)中華五千年民族精神的體現(xiàn)，還充分反映了國家的歷史發(fā)展進(jìn)程。但由于中國繪畫出現(xiàn)的時(shí)間早、流傳時(shí)間久遠(yuǎn)，導(dǎo)致原本色彩豐富、鮮明的中國繪畫出現(xiàn)了局部褪色、邊緣褪色以及總體暈染的情況[1]。

為此設(shè)計(jì)一個(gè)中國畫的色彩修復(fù)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)設(shè)置修復(fù)區(qū)域、修復(fù)位置節(jié)點(diǎn)，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)褪色問題的繪畫進(jìn)行修復(fù)。但利用該系統(tǒng)修復(fù)的中國畫，其褪色邊緣與修復(fù)邊緣并不一致，導(dǎo)致畫中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的邊緣輪廓色彩，因此，針對(duì)原有修復(fù)系統(tǒng)的這一問題，基于圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)新式的中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)著重研究了修復(fù)邊緣的識(shí)別能力，確保邊緣色彩與繪畫本色之間沒有色差。中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)的出現(xiàn)，提高了對(duì)中國畫色彩的修復(fù)能力，加強(qiáng)了對(duì)繪畫的保護(hù)，讓有故事有思想的中國繪畫得以延續(xù)，同時(shí)，也為其他國家的繪畫色彩修復(fù)提供了技術(shù)支持[2]。

1? 中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在原有系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)識(shí)別、采集能力更強(qiáng)的圖像采集卡，該卡的型號(hào)為VT?600EX，可以與V8，Hi?8等圖形采集器相連接，將繪畫整體色彩完整地儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。同時(shí)，在該卡的保證下，調(diào)整圖像大小尺寸、亮度、對(duì)比度等操作，均不會(huì)導(dǎo)致繪畫圖像失真[3]。

圖像采集卡的適用主機(jī)接口為PCL?EX1，200 MB/s傳輸帶寬，輸出接口為HDMI1.3，充分保證繪畫數(shù)據(jù)在采集與傳輸?shù)倪^程中不會(huì)丟失，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件組成框架如圖1所示。

所添加的數(shù)據(jù)采集卡與其他硬件之間的關(guān)系如圖1所示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)利用數(shù)集采集硬件獲取中國畫的基本數(shù)據(jù)信息，經(jīng)圖像增強(qiáng)器處理后，強(qiáng)化繪畫中人物、景象的輪廓特征，色彩紋理特點(diǎn)等相關(guān)信息，通過PLC端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器中，利用圖像處理器識(shí)別所收集的中國畫基本信息是否完整，若不完整則通過反饋頁面返回給計(jì)算機(jī)，重新獲取繪畫信息;繪畫圖像一次處理識(shí)別通過后，利用伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)發(fā)生褪色的地方進(jìn)行修復(fù)，通過傳感器反饋修復(fù)結(jié)果完成對(duì)中國畫的色彩修復(fù)[4]。

2? 色彩修復(fù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)硬件，是保證軟件平穩(wěn)運(yùn)行、發(fā)揮強(qiáng)大功能的基本前提，因此，在保證該前提的情況下，基于圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)色彩修復(fù)系統(tǒng)軟件。

2.1? 識(shí)別中國畫色彩修復(fù)邊緣

圖像處理技術(shù)主要包括圖像數(shù)據(jù)化處理、圖像增強(qiáng)和復(fù)原處理、圖像數(shù)據(jù)編碼、圖像分割處理和圖像識(shí)別。利用此項(xiàng)技術(shù)中的圖像識(shí)別，明確中國畫的色彩修復(fù)邊緣。圖2所示的中國畫可作為一個(gè)參照對(duì)象，該中國畫由于保存不當(dāng)，邊緣出現(xiàn)了色彩重疊以及局部褪色的問題，因此，對(duì)該畫作進(jìn)行色彩修復(fù)邊緣識(shí)別[5]。

根據(jù)圖2中的花朵、花葉以及繪畫的外框邊緣色彩位置，識(shí)別色彩修復(fù)邊緣。利用圖像識(shí)別技術(shù)，將該圖像劃分成[m×n]的柵格形式，然后將每個(gè)窗口中的色彩邊緣作最大化識(shí)別處理，令每個(gè)窗口內(nèi)的色彩差異邊緣增強(qiáng)，找到窗口內(nèi)色彩豐富與褪色部位的最大差異銜接處，該銜接處可用一個(gè)損失公式表現(xiàn)：

式中：[smoothL1x]表示在邊緣長度為[L1]的中國畫中，對(duì)[x]位置處的邊緣平滑函數(shù);[λ]表示一個(gè)固定計(jì)算常量，通常取值在[0，1]內(nèi);[u]表示繪畫銜接處的清晰度;[v]表示一類邊緣類別;[tv]表示畫中的色彩變化數(shù)據(jù)的預(yù)測元組;[w]表示二類邊緣類別;[σ]表示艾佛森指數(shù)函數(shù);[Lclsu，v]表示在[u]，[v]控制下的真實(shí)類別邊緣識(shí)別函數(shù);[Lloctv，w]表示在[tv]控制下的預(yù)測識(shí)別函數(shù);[k]表示橫、縱坐標(biāo)為[x]，[y]，銜接位置為[p]和[q]的判斷系數(shù)[6?8]。利用上述計(jì)算表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國畫變色或褪色部位的邊緣識(shí)別。

2.2? 提取及合成色彩

在完成邊緣識(shí)別操作后，提取完整繪畫區(qū)域內(nèi)的色彩分布，以及色彩重疊搭配紋理。該提取方法利用Criminisi算法提取修復(fù)圖像中的損失色彩信息，同時(shí)，按照原圖中的色彩紋理，執(zhí)行疊加指令，得到所需要的修復(fù)色彩。該算法第一步設(shè)置提取位置節(jié)點(diǎn)，設(shè)置色彩完整部位中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先處置權(quán)，找出權(quán)值比重最高的節(jié)點(diǎn)位置，以該節(jié)點(diǎn)為色彩提取中心，在一個(gè)小范圍的區(qū)域內(nèi)提取繪畫局部色彩[9]。該節(jié)點(diǎn)優(yōu)先權(quán)的計(jì)算公式為：

式中：[pi]表示特征性最強(qiáng)的色彩數(shù)據(jù)在[i]處的具體位置;[Cpi]表示對(duì)該數(shù)據(jù)的置信度;[Dpi]表示對(duì)這一點(diǎn)數(shù)據(jù)的支持度;[γ]表示該系統(tǒng)的迭代次數(shù);[μ-i]表示位置修正參數(shù)。利用式（2）提取區(qū)域色彩的示意圖[10?11]如圖3所示。

按照圖3所示，根據(jù)不同位置提取顏色一致的色彩，并根據(jù)色彩紋理走向進(jìn)行顏色疊加，合成與原始色彩一致的顏色，實(shí)現(xiàn)對(duì)繪畫修復(fù)的色彩提取與合成[12]。

2.3? 偏微分方程完成色彩修復(fù)

綜合上述兩個(gè)步驟，利用偏微分方程設(shè)置多個(gè)可修改變量，結(jié)合有限差法和變分法，利用圖像處理技術(shù)中的圖像數(shù)據(jù)編碼手段，建立中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)的程序執(zhí)行代碼[13]。偏微分方法設(shè)置代碼的計(jì)算公式為：

式中：[F]表示所有變元的連續(xù)函數(shù);[sx，y]表示在位置橫縱坐標(biāo)向量為[x]，[y]處的修復(fù)函數(shù);[n]表示該微分方程的階數(shù);[Q]表示降階量;[Ln]表示修復(fù)邊緣[14]。通過式（3）運(yùn)行修復(fù)代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)所選區(qū)域內(nèi)繪畫色彩的顏色修復(fù)，至此基于圖像處理技術(shù)的中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成[15]。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

為測試所設(shè)計(jì)修復(fù)系統(tǒng)的可行性，模擬一幅存在褪色和暈染的中國畫作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與原有修復(fù)系統(tǒng)對(duì)該中國畫的色彩進(jìn)行修復(fù)，分析兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)測試結(jié)論。

3.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，為保證兩組實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，模擬一個(gè)色彩空間，如圖4所示。

將上述色彩空間作為檢驗(yàn)修復(fù)效果的色彩參考數(shù)據(jù)，分別使用兩個(gè)修復(fù)系統(tǒng)對(duì)圖5中的中國畫進(jìn)行色彩修復(fù)。

此次實(shí)驗(yàn)，通過得到的繪畫掃描結(jié)果，分析兩個(gè)修復(fù)系統(tǒng)對(duì)色彩暈染或者褪色邊緣的識(shí)別能力。

3.2? 結(jié)果分析

將所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果計(jì)入實(shí)驗(yàn)組中;將原有系統(tǒng)的測試結(jié)果計(jì)入?yún)⒄战M中，得到的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖6所示。對(duì)比兩組結(jié)果的差異，分析修復(fù)系統(tǒng)的識(shí)別能力，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

根據(jù)圖6中的測試結(jié)果可知：所設(shè)計(jì)的修復(fù)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)對(duì)象的邊緣全部識(shí)別出來，形成一個(gè)個(gè)閉合的邊緣曲線，該系統(tǒng)按照該閉合邊緣實(shí)現(xiàn)對(duì)色彩的修復(fù)，確保修復(fù)后的區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)色彩暈染的情況;而原有的修復(fù)系統(tǒng)，識(shí)別繪畫色彩過渡邊緣的能力較弱，致使識(shí)別出的邊緣缺失、抖動(dòng)，同時(shí)，邊緣線也有斷點(diǎn)的情況發(fā)生，其中還包括了一些虛假邊緣，導(dǎo)致最終按照該邊緣線修復(fù)的區(qū)域出現(xiàn)大面積暈染，與原始色彩大相徑庭。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的中國畫色彩修復(fù)效果，利用中國畫色彩的可理解度和逼真度作為系統(tǒng)的修復(fù)效果的有效衡量指標(biāo)。

通過將修復(fù)后的中國畫與原始圖像進(jìn)行色彩誤差分析，定量化評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量，質(zhì)量好的中國畫誤差較小，理解度和逼真度相對(duì)也較高，與原始圖像間的相似程度也越高。

采用系統(tǒng)修復(fù)后的中國畫圖像與原始圖像的偏離誤差客觀評(píng)價(jià)色彩修復(fù)后的中國畫質(zhì)量，通常采用時(shí)間、均方誤差、峰值信噪比或結(jié)構(gòu)相似度評(píng)價(jià)中國畫圖像質(zhì)量。

設(shè)圖像大小為[M×N]，原始圖像用[I0（i，j）]表示，修復(fù)后的圖像用[I1（i，j）]表示。系統(tǒng)修復(fù)后圖像的質(zhì)量評(píng)估均方誤差（MSE）如下：

式中MSE的值越小，表明圖像修復(fù)質(zhì)量越高。

峰值信噪比（PSNR）如下：

PSNR值越大，表明修復(fù)后圖像的質(zhì)量越好。

結(jié)構(gòu)相似度對(duì)比（SSIM）：將中國畫圖像的結(jié)構(gòu)定義為[I（x）=x-μxσx]，兩個(gè)圖像塊[x，y]之間的相關(guān)性即為[I（x），I（y）]之間的相關(guān)性，因此，可將SSIM定義為：

結(jié)合中國畫全部色彩的相似性度量結(jié)果獲取中國畫圖像的最終SSIM值，SSIM值越大，表明修復(fù)后圖像的質(zhì)量越好。

比較兩種系統(tǒng)對(duì)中國畫色彩修復(fù)中色彩暈染修復(fù)和褪色邊緣修復(fù)的執(zhí)行時(shí)間、均方誤差、峰值信噪比以及結(jié)構(gòu)相似度，評(píng)價(jià)兩種系統(tǒng)修復(fù)后的中國畫圖像質(zhì)量結(jié)果如表1所示。

分析表1數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)的修復(fù)系統(tǒng)的中國畫色彩修復(fù)執(zhí)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原有的系統(tǒng)，其中，圖像的褪色邊緣修復(fù)所用執(zhí)行時(shí)間節(jié)省較多，相比原有系統(tǒng)縮短了16.09 s，極大程度地提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。所設(shè)計(jì)的修復(fù)系統(tǒng)色彩暈染修復(fù)均方誤差僅為原有系統(tǒng)的50%左右，極大程度地提升了圖像修復(fù)后的感官效果，且所設(shè)計(jì)的修復(fù)系統(tǒng)的PSNR和SSIM均大于原有系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)修復(fù)后的中國畫圖像質(zhì)量更高，更容易達(dá)到人們的視覺和理想心理認(rèn)可度。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計(jì)的中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)，通過圖像處理技術(shù)的識(shí)別能力，獲取更加精準(zhǔn)的繪畫邊緣，令每一修復(fù)位置均處于一個(gè)閉合區(qū)域內(nèi)，防止出現(xiàn)色彩暈染，極大程度地解決了原有系統(tǒng)修復(fù)能力不足的問題。但此次設(shè)計(jì)的繪畫色彩修復(fù)系統(tǒng)，是在中國畫保留了部分色彩的基礎(chǔ)上提出的，對(duì)于完全褪色的中國繪畫，可能不能修復(fù)出原有的繪畫色彩。因此，在今后的研究中，還要加大對(duì)整幅失色中國畫色彩修復(fù)系統(tǒng)的研究力度。

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