坭興陶的圖像特征提取和展示平臺方案設(shè)計

黃瑜

摘要：將物體從圖像中分割出來，并對其進(jìn)行幾何特征的測量與分析，便于在此基礎(chǔ)上識別物體特性，對物體進(jìn)行分類或標(biāo)準(zhǔn)符合判別，實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控。坭興陶具有形狀不一的特點，隨著種類的多樣化，對其進(jìn)行圖像特征提取便于實現(xiàn)對坭興陶的合理分類。本文首先對坭興陶圖像進(jìn)行預(yù)處理，再利用閾值分割的圖像特征提取法來提取坭興陶圖像參數(shù)特征，包括坭興陶的面積、周長、圓形度、伸長度與矩形度參數(shù)，并提出坭興陶展示平臺的設(shè)計方案，以期為坭興陶的分類展示提供有效的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：坭興陶 圖像處理技術(shù) 特征參數(shù)提取 展示平臺設(shè)計

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-5349（2017）09-0032-03

圖像處理技術(shù)是利用計算機(jī)對采集的圖像進(jìn)行除噪、增強(qiáng)、識別與特征提取等技術(shù)，包括圖像分割、邊緣檢測技術(shù)等。近幾年，圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、海洋、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，并取得了顯著的成效，圖像特征提取是圖像處理技術(shù)的關(guān)鍵部分，特征提取效果決定了識別效果，因為在模式識別與計算機(jī)視覺中如何形象表達(dá)具有重要意義。[1]廣西欽州坭興陶燒制技藝是我國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，利用可塑性較強(qiáng)的泥質(zhì)制成器皿坯體并雕刻詩文與畫作，透露著淳樸濃厚的人文氣息，是一種雅致的工藝品，具有較高的實用價值與展示觀賞價值。本文對坭興陶采用圖像處理技術(shù)提取特征參數(shù)，為了增加坭興陶圖像特征參數(shù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了坭興陶圖像的預(yù)處理，再進(jìn)行計算，獲得相應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)，并設(shè)計科學(xué)合理的坭興陶展示平臺。

一、坭興陶圖像的預(yù)處理

坭興陶具有透氣不透水的天然雙重氣孔結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行CCD圖像拍攝時會產(chǎn)生較多的噪聲，所以先對坭興陶圖像進(jìn)行預(yù)處理，隨后提取圖像的二值化與輪廓。

1.圖像的灰度化

在坭興陶的圖像采集過程中，所有圖像都是彩色RGB格式的，像素點24位，在進(jìn)行圖像的保存與處理上消耗的儲存空間較大，因此要進(jìn)行灰度化處理，以縮小圖像，減少數(shù)據(jù)量存儲。圖像灰度化常用方式有分量法、最大值法、平均值法、加權(quán)平均法，本文采用的圖像灰度化轉(zhuǎn)換公式為：

G=0299R+0587G+0144B

通過灰度化公式的轉(zhuǎn)換，能夠保證圖像的質(zhì)量與效果不缺失，同時圖像與實際物體也沒有顯著的差別，灰度化轉(zhuǎn)換前后圖像的各點一致性較好，說明灰度化處理不會對特征提取造成影響。

2.圖像的二值化

二值化將圖像像素點灰度值設(shè)置為0或255，即讓圖像呈現(xiàn)黑白的效果，常用方法是設(shè)定全局閾值，比如設(shè)定閾值T，大于T的像素群則設(shè)定為白色，小于T則為黑色。對坭興陶的圖像特征提取如果主要是針對壺或是花瓶，則可以將坭興陶整體圖像中的提取目標(biāo)圖像與背景圖像進(jìn)行分割，以便于對目標(biāo)圖像特征參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地提取。二值化公式中，首先假設(shè)一個原圖像中的像素點為f（i，j），而g（i，j）是輸出后的圖像對應(yīng)該像素點，那么二值化公式就有：

該公式中T為閾值，并將1作為目標(biāo)圖像區(qū)域的符號。

3.圖像噪聲去除

一般進(jìn)行二值化處理后，目標(biāo)圖像會出現(xiàn)部分噪聲點，此外坭興陶在燒制過程中，由于其材質(zhì)的特性，會有許多雙重透氣不透水的小孔，在圖像采集過程中會受到噪聲的影響，降低坭興陶圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響圖像特征參數(shù)的提取。因此，在特征參數(shù)提取之前，必須進(jìn)行噪聲去除，才能夠確保獲得更為精準(zhǔn)的特征參數(shù)。圖像濾波處理技術(shù)能夠在盡可能保存圖像細(xì)節(jié)特征的前提下，對目標(biāo)圖像的噪聲進(jìn)行有效的抑制，對后續(xù)的圖像處理與分析具有高效性作用，本文采用形態(tài)學(xué)法與中值濾波對圖像的噪聲進(jìn)行抑制處理，主要依據(jù)的是形態(tài)學(xué)能夠?qū)⒛繕?biāo)圖像中的小孔去除，中值濾波則能夠去除圖像噪聲點，兩種方法的運(yùn)用能夠有效保存圖像的邊緣與細(xì)節(jié)特征。此外，為防止中值濾波的不平均作用造成信號高頻信息的損失，本文采用標(biāo)準(zhǔn)中值濾波算法，即將濾波窗口內(nèi)的最大值與最小值均視為噪聲，實現(xiàn)有效濾除噪聲，并保留圖像細(xì)節(jié)特征。

二、坭興陶圖像特征提取

在對坭興陶采集圖像進(jìn)行灰度化、二值化與濾波預(yù)處理之后，即可對坭興陶目標(biāo)圖像區(qū)域進(jìn)行幾何特征參數(shù)的提取。圖像的特征參數(shù)包括了周長、面積、形狀因子、最小外接矩形長寬比、伸長度、重心等，本文對坭興陶圖像主要提取參數(shù)包括了周長、面積、圓形度、伸長度、矩形度。

1.面積參數(shù)

將坭興陶的目標(biāo)圖像面積設(shè)為A，作為連通域中像素的總量，即邊界包圍的所有像素。圖像面積參數(shù)的提取與目標(biāo)圖像大小相關(guān)，而與目標(biāo)圖像中的像素點灰度值并無關(guān)聯(lián)。利用圖像標(biāo)號進(jìn)行處理，可以將面積參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計算法算出，上文提到目標(biāo)圖像區(qū)域符號為1，則提取1的面積參數(shù)通過二維數(shù)組中統(tǒng)計灰度值為1的像素個數(shù)計算。目標(biāo)圖像面積計算公式為：

該面積公式中，s為圖像目標(biāo)區(qū)域的數(shù)量，A為面積總和，f（i，j）為像素灰度值，二值圖像中，符號1就是f（i，j）的灰度值。

2.周長參數(shù)

周長參數(shù)的特征提取主要以邊界像素點數(shù)量來計算，即邊界所占的像素點數(shù)量即為周長參數(shù)。[2]對二值化處理后的目標(biāo)圖像，按照一種特殊的定義法來定義邊界點，即該點對于周圍的領(lǐng)域來說是目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的點，并且與背景緊貼，那么它的周圍領(lǐng)域中至少有一個像素值為0的點，即該點為邊界點。[3]通過這種對邊界點的定義來統(tǒng)計與計算邊界點總數(shù)，所有屬于一個區(qū)域邊界點的總和即為該目標(biāo)區(qū)域的周長。周長計算公式與上文中的面積計算公式大體一致，只需按照邊界點定義進(jìn)行判斷即可。

3.圓形度參數(shù)

坭興陶目標(biāo)圖像圓形度參數(shù)的提取可以根據(jù)周長與面積的計算公式求得，即圓形度參數(shù)等于目標(biāo)圖像面積與周長平方之比求得，這里設(shè)面積為As，周長為Ls，則圓形度ρc的計算公式為：

圓形度參數(shù)的計算公式能夠描述坭興陶的形狀，判斷坭興陶形狀特征與圓形的接近程度，如果計算ρ值越大，則表示坭興陶形狀特征越接近圓形。endprint

4.伸長度

設(shè)伸長度為T，則伸長度的定義式：

該定義式中As為坭興陶目標(biāo)圖像面積，W與L分別為包圍目標(biāo)的最小矩形的寬度與長度。伸長度特征參數(shù)能夠?qū)⒓?xì)長目標(biāo)與近似圓形目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。

5.矩形度

矩形度與圓形度特征參數(shù)的提取目的都是為了充分描述坭興陶形狀特征，與圓形度類似，矩形度主要描述了連通域和矩形的相似程度，其計算公式為：

該公式中，As為連通域面積，Ar為該連通域面積外最小矩形面積。

三、實例驗證

同時對該三個坭興陶二值化圖像進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的特征參數(shù)提取，包括周長、面積、圓形度、矩形度以及伸長度。得出二值化圖像目標(biāo)區(qū)域參數(shù)表，如表1所示。

中能夠看出，不同形狀的坭興陶目標(biāo)圖像的形狀因子、最小外接矩形長寬比、伸長度、圓形度與矩形度均不同，從最小外接矩形長寬比來看，圓形目標(biāo)比細(xì)長目標(biāo)大。在形狀因子的方面來看，圓形目標(biāo)比細(xì)長目標(biāo)大，伸長度則細(xì)長目標(biāo)更大。

通過科學(xué)合理地應(yīng)用圖像處理技術(shù)，對坭興陶采集圖像的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行特征參數(shù)信息提取，為坭興陶的后期加工與保護(hù)提供了更可靠的理論依據(jù)，并且能夠充分利用這些參數(shù)對坭興陶進(jìn)行分類與識別，同時還能創(chuàng)建相應(yīng)的坭興陶模型，便于實現(xiàn)坭興陶的三維立體展示。

四、坭興陶展示平臺方案設(shè)計

1.坭興陶展示平臺設(shè)計流程

本文選用Web3D系統(tǒng)進(jìn)行坭興陶的三維立體展示平臺設(shè)計，首先概述坭興陶展示平臺設(shè)計流程。要求首先進(jìn)行展示需求的分析，再組織功能模塊，通過軟件進(jìn)行模塊建立，包括人機(jī)交互理論、數(shù)據(jù)庫與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用。[4]

對坭興陶的三維模型建設(shè)需要輸出成為Cult3d Designer能夠接受的文件格式，便于實現(xiàn)人機(jī)交互。具體設(shè)計流程圖如圖3所示。

2.坭興陶展示平臺內(nèi)容設(shè)計

以欽州紫紅陶土為原料燒制為主的坭興陶種類繁多，按照形狀等特征具有不同的分類。此外，坭興陶的化學(xué)成分、礦物組織與物理性質(zhì)，甚至燒制方法等也有所不同，在展示平臺的內(nèi)容設(shè)計上，應(yīng)當(dāng)按照形狀、藝術(shù)特色等進(jìn)行分類展示設(shè)計。陶瓷的總體分類包括了五大系列，即工業(yè)陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷以及藝術(shù)陶瓷。坭興陶的分類應(yīng)當(dāng)按照日用陶瓷與藝術(shù)陶瓷的兩大主要系列進(jìn)行劃分，對藝術(shù)類坭興陶與日用坭興陶分別設(shè)計展示模塊，藝術(shù)類模塊主要展示花瓶、器皿等陳設(shè)品。除了坭興陶的介紹類模塊之外，同時設(shè)計留言板模塊，集中收集反饋信息與用戶意見。

3.坭興陶展示平臺藝術(shù)界面設(shè)計

本文對坭興陶展示平臺的設(shè)計主要注重人機(jī)交流這一部分，人機(jī)界面的設(shè)計不僅要突出坭興陶藝術(shù)主體與美感理念，同時也要具有實用的導(dǎo)航功能，操作上應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)簡便操作，主要展示平臺設(shè)計方案的特性要求如下：

①自然交互性：自然交互的意義在于當(dāng)視線落在感興趣的坭興陶產(chǎn)品上時，不用著重強(qiáng)調(diào)每個交互成分，操作者能夠清楚理解產(chǎn)品的含義。

②界面簡潔：操作界面應(yīng)當(dāng)設(shè)計簡潔化與操作便利化，采用直接操作的風(fēng)格，設(shè)計三維圖像表示任務(wù)，每個產(chǎn)品展示平臺界面即為該產(chǎn)品本身。

③主題鮮明：展示平臺要體現(xiàn)坭興陶展示主題，充分利用三維模型展示坭興陶真實感與表現(xiàn)力。

④導(dǎo)航清晰：導(dǎo)航模塊設(shè)計必須清晰，導(dǎo)航應(yīng)清晰指向所有展示內(nèi)容，交互簡便，便于瀏覽者應(yīng)用。

⑤視覺不雜亂：要求色彩搭配設(shè)計保持整體性主調(diào)，坭興陶的主色調(diào)應(yīng)當(dāng)以暗黃色為主，以表示陶瓷泥土原料的原始顏色，此外可以利用綠色、藍(lán)色等色調(diào)進(jìn)行輔助調(diào)色。

4.多角度交互模塊設(shè)計

坭興陶網(wǎng)絡(luò)展示平臺的產(chǎn)品交互包括旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、移動、鍵盤漫游等，以全方位展示坭興陶為主，便于游覽者對坭興陶進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部框架的全面觀察，通過鼠標(biāo)的交互來實現(xiàn)不同角度的觀察。[5]在菜單中添加c3d文件，窗口彈出3Dsmax的模型對象，比如坭興陶材質(zhì)、部件等。系統(tǒng)設(shè)計中，對交互部分的設(shè)計具備瀏覽中隨意放大、縮小與旋轉(zhuǎn)、移動的功能，單點鼠標(biāo)能夠復(fù)位。

五、結(jié)語

綜合全文，通過對坭興陶采用圖像處理技術(shù)，提取了坭興陶的特征參數(shù)信息，為坭興陶的加工保護(hù)提供了有效的理論參考依據(jù)，并充分利用坭興陶的特征參數(shù)實現(xiàn)坭興陶的三維可視化網(wǎng)絡(luò)展示。在坭興陶三維立體網(wǎng)絡(luò)展示平臺的設(shè)計中，強(qiáng)調(diào)實現(xiàn)展示平臺的人機(jī)互動，并且操作界面的設(shè)計應(yīng)當(dāng)簡化、操作便利，能夠進(jìn)行交互瀏覽，便于游覽者對坭興陶產(chǎn)品進(jìn)行全方位、多角度的觀察。此外還設(shè)計留言版塊與漫游板塊，實現(xiàn)坭興陶展示平臺的人性化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：孫瑤endprint