基于邻接约束的交互式文物碎片重组方法研究与应用

摘要

计算机辅助文物虚拟复原技术主要用于解决破损文物实体的重组问题，该技术不仅提高了手工复原的效率而且避免了对文物再次破坏。文物碎片断裂部位几何结构复杂，部分碎片由于断裂部位受损而造成几何特征缺失，利用现有的拼合方法容易失效。针对该问题，本文采用数字几何处理、形状匹配、交互式拼合等方法，围绕断裂部位受损的碎片重组问题，提出了基于邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合方法。本文研究工作主要包括:
　　(1)对于外表面几何纹理清晰且厚度较薄的碎片，采用基于表面邻接约束的拼合方法可以实现此类碎片的精确对齐。选取碎片外表面几何纹理作为特征描述符，提出基于表面邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合方法。采用基于显示脊线的几何纹理提取算法得到碎片外表面纹理的几何结构和主动轮廓线。为了获取匹配关系，根据几何纹理的连贯性确定待拼合碎片的邻接关系，给出表面邻接约束点和初始对齐位置，并采用改进的区域生长算法确定表面邻接约束点的最终位置;接着以表面邻接约束点为中心获取初始匹配点集，并采用线段约束算法筛选出待拼合碎片间的最优匹配点对集。为了实现碎片的精确对齐，定义轮廓误差和表面误差用来度量刚体变换结果的正确性，并采用穷举搜索法筛选出最优的刚体变换参数。
　　(2)对于具有一定厚度的断裂碎片，其拼合过程分为基于表面邻接约束的初始对齐和基于断裂面邻接约束的精确对齐。利用断裂面局部几何特征作为特征描述符，提出基于断裂面邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合方法。首先根据断裂面局部区域凹凸特征选取断裂面邻接约束点，并根据断裂面邻接约束点的近邻点及凹凸度相似性约束形成断裂面邻接约束簇;然后以断裂面邻接约束簇的相似性及空间结构一致性为约束条件，采用分支限界算法筛选出最优的匹配簇;最后以断裂面邻接约束匹配簇为约束条件，选取基于表面邻接约束的初始拼合结果作为初始位置，采用改进的ICP算法实现碎片的精确对齐。
　　本文方法已应用于秦始皇陵兵马俑K9901坑出土文物的虚拟复原工作中，有效解决了断裂部位存在缺损的碎片重组问题，实验证明该方法效果良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容及创新点

1．3．1 本文研究内容

1．3．2 本文创新点

1．4 本文组织结构

第二章 文物碎片虚拟拼合流程及相关技术

2．1 引言

2．2 文物碎片虚拟拼合流程

2．2．1 几何特征驱动的自动化碎片虚拟拼合流程

2．2．2 基于交互的碎片虚拟拼合流程

2．2．3 基于邻接约束的交互式碎片虚拟拼合流程

2．3 文物碎片数字化及模型去噪

2．3．1 文物碎片数字化

2．3．2 三维模型去噪

2．4 本章小结

第三章 基于表面邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合

3．1 引言

3．2 几何纹理特征的提取

3．2．1 脊线

3．2．2 视角相关曲率

3．2．3 基于显示脊线的几何纹理提取算法

3．2．4 实验结果及分析

3．3 表面邻接约束

3．3．1 表面邻接约束的定义

3．3．2 表面邻接约束点

3．4 基于表面邻接约束的匹配点集筛选

3．4．1 初始点集的选取

3．4．2 线段约束

3．5 基于表面邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合

3．5．1 刚体变换

3．5．2 误差度量

3．5．3 碎片虚拟拼合

3．5．4 实验结果及分析

3．6 本章小结

第四章 基于断裂面邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合

4．1 引言

4．2 断裂面邻接约束

4．2．1 积分不变量

4．2．2 断裂面邻接约束簇

4．3 断裂面邻接约束匹配簇的筛选

4．3．1 相似性判断

4．3．2 空间结构一致性判断

4．3．3 基于分支限界的匹配簇筛选算法

4．4 基于断裂面邻接约束的交互式文物碎片虚拟拼合

4．4．1 ICP算法

4．4．2 碎片虚拟拼合

4．4．3 实验结果及分析

4．5 本章小结

第五章 系统设计与实现

5．1 引言

5．2 系统功能

5．3 系统流程

5．4 系统实现与应用

5．5 本章小结

总结与展望

工作总结

研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢