形狀匹配方法在文化遺產(chǎn)數(shù)字化中的應(yīng)用研究

蘇惠明 西安外事學(xué)院

形狀匹配是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的核心問題之一，是一個(gè)融合了圖像處理、模式識(shí)別、人工智能等不同領(lǐng)域的經(jīng)典方法，在目標(biāo)識(shí)別、圖像檢索、醫(yī)學(xué)圖像分析、人臉檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。盡管已經(jīng)被研究了幾十年，但近年來隨著人工智能和計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的突破性發(fā)展，國際上對(duì)形狀匹配方法的研究仍十分活躍，每年在國際頂級(jí)期刊和會(huì)議上都有不少關(guān)于形狀匹配的文章發(fā)表。同時(shí)，絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)成為目前我國關(guān)注的重點(diǎn)問題之一，而文化遺產(chǎn)數(shù)字化是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)中文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，形狀匹配既是計(jì)算機(jī)視覺的核心問題之一，也是文化遺產(chǎn)數(shù)字化過程中文物虛擬、復(fù)原和建模的重要問題。

1.形狀匹配方法綜述

形狀匹配是按照一定的準(zhǔn)則來衡量形狀間的相似程度。兩個(gè)形狀間的匹配結(jié)果一般用一個(gè)數(shù)值來表示，稱為形狀相似度[1]。形狀匹配方法主要分為計(jì)算各種變換下的不變量差值和尋找目標(biāo)形狀和模型間的局部對(duì)應(yīng)關(guān)系并使匹配誤差最小兩大類[2]。一般來講，形狀匹配需要經(jīng)過對(duì)二值形狀的表示、對(duì)形狀特征的匹配和對(duì)相似度判斷的度量學(xué)習(xí)三個(gè)階段。在形狀表示方法中，有經(jīng)典的諸如基于輪廓邊界點(diǎn)集的表示方法、基于輪廓區(qū)域的表示方法、基于多尺度理論的表示方法、基于骨架的形狀表示方法等；對(duì)形狀特征的匹配更多轉(zhuǎn)化為對(duì)輪廓點(diǎn)集順序關(guān)系的研究，并取得了一些進(jìn)展；度量學(xué)習(xí)更多應(yīng)用于形狀檢索，但同時(shí)也可以對(duì)不同方法的匹配性能做出比較。近年來，一些研究更多擴(kuò)展到諸如三維形狀的二維表示、形狀識(shí)別和分類、局部和復(fù)雜場景下的形狀匹配等領(lǐng)域。

2.文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)綜述

我國是文化遺產(chǎn)大國，但是隨著歷史變遷和種種因素，文化遺產(chǎn)保護(hù)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代化的數(shù)字保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)可以對(duì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行針對(duì)性的修復(fù)和保護(hù)[3]。數(shù)字化技術(shù)用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化方面主要包括數(shù)字化保護(hù)技術(shù)，包括用于對(duì)文物進(jìn)行建模和遺址遺存的場景建模的三維建模技術(shù)、對(duì)文物虛擬拼接和修復(fù)的匹配技術(shù)、對(duì)三維模型的管理技術(shù)和數(shù)字化手段的展示技術(shù)等。利用三維激光掃描儀建模具有速度快、精度高等特點(diǎn)，包括以序列圖為基礎(chǔ)的建模和已深度圖像為基礎(chǔ)的建模等方法；文物虛擬修復(fù)技術(shù)主要利用鄰接碎片的線、面等幾何特征進(jìn)行初匹配和精準(zhǔn)匹配等過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)文物的虛擬修復(fù)并對(duì)文物的實(shí)際修復(fù)工作進(jìn)行幫助和指導(dǎo)；而隨著三維模型技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云獲取、點(diǎn)云處理、點(diǎn)云表示和點(diǎn)云重構(gòu)等方法層出不窮，成為點(diǎn)云驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在文物數(shù)字化方面的重要技術(shù)。同時(shí)，三維模型的管理、分類和檢索等技術(shù)也得以取得了巨大進(jìn)步；而虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用[4]，使得文化遺產(chǎn)在數(shù)字化展示方面得到更多、更好和更真實(shí)的展示，在更好的傳承和弘揚(yáng)悠久歷史的同時(shí)，也促進(jìn)了文化遺產(chǎn)數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

3.形狀匹配方法用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化

將形狀匹配方法用于文化遺產(chǎn)數(shù)字化具有巨大的優(yōu)勢(shì)和重要的意義。在建模階段，通過結(jié)構(gòu)三維掃描儀，可以對(duì)文物和遺址遺存進(jìn)行三維幾何信息和紋理信息的采集，并進(jìn)一步利用模型簡化、去噪和圖像融合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的三維建模。在文物虛擬修復(fù)階段，如果文物碎片之間存在公共特征曲面或者曲線，及可以利用特征線提取、輪廓提取或骨架提取等技術(shù)實(shí)現(xiàn)碎片的匹配和修復(fù)；如果文物碎片間不存在鄰接關(guān)系，則可以通過模板匹配等方法進(jìn)行虛擬修復(fù)。在展示階段，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的網(wǎng)絡(luò)化、交互性和高效率等特點(diǎn)，可以通過視覺、聽覺、觸覺等手段實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的實(shí)時(shí)互動(dòng)，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺，更好的展示其文化內(nèi)涵。

[1]周瑜,劉俊濤,白翔.形狀匹配方法研究與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2012, 38(6)：889-910.

[2]Ding X F, Wu H, Zhang H J, et al. Review on shape matching.[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2001, 27(5)：678-694

[3]黃永林, 談國新. 中國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)與開發(fā)研究[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(人文社會(huì)科學(xué)版), 2012, 51(2)：49-55

[4]秦境澤.文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)問題研究[D]. 蘭州大學(xué), 2012