虛擬色彩搭配下的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法

謝靜安

(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，合肥 238000)

古建筑飾面顏色具有獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格和藝術(shù)價(jià)值，傳統(tǒng)的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法引入了一種保護(hù)性修復(fù)方法，解決古建筑飾面顏色修復(fù)的問(wèn)題[1]。從修復(fù)技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，該方法限制了保護(hù)性設(shè)計(jì)的重要因素，存在一定的缺失，為此，有許多建筑師開(kāi)始深入研究自動(dòng)修復(fù)技術(shù)。在本次研究中，針對(duì)傳統(tǒng)的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法存在的問(wèn)題，提出基于虛擬色彩搭配的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法，利用虛擬色彩搭配技術(shù)恢復(fù)飾面顏色模板的周?chē)畔ⅲ诖嘶A(chǔ)上，引入修補(bǔ)算法自動(dòng)地恢復(fù)飾面顏色模板上受損的部分。該方法可以有效地修復(fù)古建筑飾面顏色。為保證自動(dòng)修護(hù)效果不受其他因素影響，采取直接主動(dòng)方式合理選擇古建筑吊頂飾的修復(fù)空間。在使用的過(guò)程中，要謹(jǐn)慎使用解體方法保證較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都不用維修。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到需要將修復(fù)算法應(yīng)用到自動(dòng)修復(fù)中的各個(gè)階段，提出一種可靠性高的維護(hù)技術(shù)，自動(dòng)生成程序補(bǔ)丁，有效修復(fù)錯(cuò)誤。為驗(yàn)證所提的基于虛擬色彩搭配的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法的合理性，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)所提方法有效性。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

1 古建筑飾面顏色空間補(bǔ)色

為能準(zhǔn)確修復(fù)古建筑飾面顏色，先綜合評(píng)估古建筑飾面顏色綜合價(jià)值，根據(jù)不同價(jià)值等級(jí)，采用數(shù)據(jù)運(yùn)算進(jìn)行補(bǔ)色，具體評(píng)估過(guò)程見(jiàn)表1所示；

表1 古建筑飾面顏色綜合價(jià)值評(píng)估指標(biāo)

評(píng)估結(jié)束后，使用虛擬色彩搭配法在飾面顏色上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算[2]。在增強(qiáng)過(guò)程中每個(gè)像素的處理都與其他像素?zé)o關(guān)，虛擬色彩搭配結(jié)束可描述為；

g(x,y)=f(x,y)×h(x,y)

(1)

其中，g(x,y)表示飾面顏色某個(gè)區(qū)域處理前的模板，f(x,y)表示飾面顏色某個(gè)區(qū)域處理后的模板，h(x,y)表示飾面顏色空間運(yùn)算函數(shù)[3]。

在增強(qiáng)古建筑飾面顏色空間時(shí)，要計(jì)算飾面顏色圖像的變化系數(shù)。修正后，通過(guò)逆變換補(bǔ)色飾面顏色空間。虛擬色彩搭配法中有一種色彩環(huán)，在色彩環(huán)上，就可以直接補(bǔ)色，見(jiàn)圖1；

虛擬色彩搭配補(bǔ)色類(lèi)似于灰度負(fù)值，在后續(xù)自動(dòng)修復(fù)細(xì)節(jié)中很重要[4]。當(dāng)補(bǔ)色效果不佳時(shí)，要運(yùn)用色彩環(huán)校正。需要注意的是，每一個(gè)補(bǔ)色過(guò)程都會(huì)影響飾面顏色的修飾效果，故采用色彩環(huán)補(bǔ)色古建筑飾面顏色空間。

2 古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)空間選擇

使用虛擬色彩搭配法補(bǔ)色飾面顏色空間，再選擇古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)空間[5]。運(yùn)用RGB 模型選擇古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)空間。RGB 模型使用紅、藍(lán)、綠三個(gè)原色的亮度來(lái)定量表示顏色。通過(guò)疊加處理飾面顏色空間選擇修復(fù)通道。RGB 顏色空間立方體，見(jiàn)圖2所示：

當(dāng)RGB 顏色空間上任何一個(gè)基色亮度值為0時(shí)，遠(yuǎn)點(diǎn)處皆為黑色[6]。當(dāng)紅、藍(lán)、綠這三個(gè)基色達(dá)到最亮度時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)為成白色。由圖2可知，在黑色與白色的對(duì)角線上亮度會(huì)呈現(xiàn)灰色。為了不影響修復(fù)效果，需要選擇修復(fù)通道，解決交叉問(wèn)題。先在圖像數(shù)據(jù)集中隨機(jī)挑選2 000個(gè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)通道的相關(guān)性。這2 000個(gè)點(diǎn)均勻分布在主軸上，相比LMS空間更對(duì)稱(chēng)，需要注意的是，這2 000個(gè)點(diǎn)的通道都是相互獨(dú)立的。若LMS空間變形就會(huì)破壞通道，所以需要在修復(fù)前，選擇對(duì)應(yīng)的修復(fù)空間[7]。

第一步，與設(shè)備有直接關(guān)聯(lián)，可利用公式(2)選擇一個(gè)與設(shè)備無(wú)關(guān)的修復(fù)空間，表達(dá)式為:

(2)

其中，x、y、z表示LMS空間坐標(biāo)，R、G、B表示x、y、z選擇后的修復(fù)坐標(biāo)[8]。

第二步，應(yīng)用公式(2)即可得到對(duì)應(yīng)的飾面顏色修復(fù)空間。其他顏色的空間選擇，應(yīng)用YUV 顏色模型選擇修復(fù)空間。YUV 顏色模型是通過(guò)損失色度信息選擇，該模型主要強(qiáng)調(diào)亮度信號(hào)和色度信號(hào)的分離，可以有效解決其他色彩兼容的問(wèn)題[9]。YUV 顏色模型其他顏色自動(dòng)空間選擇表達(dá)式為；

R+Y+1.14V

G=Y-0.39U-0,54V

(3)

B=Y+2.23U

其中，U表示YUV顏色空間，V表示色度分量。應(yīng)用公式(3)選擇古建筑飾面顏色空間。

3 古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)流程

使用虛擬色彩搭配法補(bǔ)色古建筑飾面顏色空間后，運(yùn)用YUV 顏色模型和RGB 顏色模型選擇古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)空間[10]。完成上述工作后，構(gòu)建古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)模型。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

運(yùn)用K-L變換法將連續(xù)信號(hào)用一組不相關(guān)的系數(shù)表示，實(shí)際上是轉(zhuǎn)化坐標(biāo)系的線性，由此，得到新坐標(biāo)系。

設(shè)古建筑飾面顏色模板為，計(jì)算公式為:

mf=E{f}

(4)

其中，mf表示自相關(guān)函數(shù)，E表示矩陣的特征向量，f表示特征值。應(yīng)用公式(4)構(gòu)成一個(gè)W維空間上一個(gè)完全正交向量系，新的坐標(biāo)系是由PCA特征空間給出的，特征向量是空間上某個(gè)點(diǎn)在這些坐標(biāo)系中的投影[11]。為實(shí)現(xiàn)古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)，采用自協(xié)方差函數(shù)，表達(dá)式為:

C(i,j)=E{(xi(k,l)-xi)}

(5)

其中，C表示對(duì)角化矩陣，j表示像素頻道值，i表示頻帶平均值，E表示取值范圍[12]。

在R、G、B上有三個(gè)頻帶，皆采用3×3協(xié)方差矩陣表示，在主分量分析的過(guò)程中數(shù)據(jù)之間是不相關(guān)的，當(dāng)i≠j時(shí)，C(i,j)等于0[13]。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變換，加強(qiáng)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。具體處理步驟如下：

第一步，在PCA特征空間中找到分布點(diǎn)均值。

第二步，減去相應(yīng)的頻帶上的灰度均值，將PCA坐標(biāo)系的中心轉(zhuǎn)移到分布中心。

第三步，求出對(duì)角化矩陣后，要依次按照大小排列，將相應(yīng)的特征向量作為行，即可得到特征矩陣。

使用主分量分析法將得到的特征矩陣換成公式(6):

Y=A(X-μ)

(6)

其中，X表示修復(fù)輸出色，A表示特征向量，Y表示主分量獨(dú)立空間矯正彩色向量。將得到后的模板進(jìn)行像素匹配。

為了將彩色信息填充到飾面上，要將目標(biāo)灰度圖中的每個(gè)像素與彩色源像素匹配,使匹配結(jié)果達(dá)到最佳[14]。運(yùn)用Welsh 算法，計(jì)算公式;

(7)

其中，Err表示匹配誤差，△L表示修復(fù)空間像素亮度差，△D表示修復(fù)空間亮度值標(biāo)準(zhǔn)差。Err值越小，兩個(gè)修復(fù)空間修復(fù)效果越好。依據(jù)虛擬色彩搭配理論決定修復(fù)空間的通道。在修復(fù)的過(guò)程中，要單獨(dú)匹配每個(gè)通道的像素和彩色源像素[15]。

基于虛擬色彩搭配的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)流程，見(jiàn)圖3：

運(yùn)用PCA特征空間轉(zhuǎn)換x、y、z坐標(biāo)，得到一個(gè)新的坐標(biāo)系，再運(yùn)用公式(6)映射顏色空間亮度，最后，按照掃描線的順序修復(fù)飾面顏色模板的周?chē)畔ⅰ?/p>

由此，完成基于虛擬色彩搭配的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法的設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提方法設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)方法對(duì)古建筑飾面顏色進(jìn)行修復(fù)，具體過(guò)程如下所示。

4.1 實(shí)驗(yàn)樣本

在實(shí)驗(yàn)中，選用一張?jiān)脊沤ㄖ膱D像，對(duì)比傳統(tǒng)古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法，原始圖像如圖4所示。

如圖4所示，延時(shí)古建筑飾面由于時(shí)間久遠(yuǎn)，顏色褪色嚴(yán)重，多以黑、白、灰為主色調(diào)。

4.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

采用先進(jìn)的自動(dòng)修復(fù)技術(shù)所得的古建筑吊頂飾面自動(dòng)修復(fù)。

第一步，顏色空間亮度重映射。在色彩空間增強(qiáng)時(shí)，圖像各項(xiàng)亮度分布情況會(huì)對(duì)匹配結(jié)果造成很大的影響。因此，在匹配前，要進(jìn)行亮度重映射，保證亮度重映射形狀與顏色亮度分布的一致性，這樣可以有效減少色彩匹配產(chǎn)生的誤差。

第二步，匹配顏色空間每個(gè)像素的亮度像素，保證每個(gè)像素亮度與目標(biāo)圖像亮度均值相接近。

第三步，傳輸源圖像色彩空間的目標(biāo)灰度圖，每個(gè)像素都要與彩色空間中的像素匹配。

第四步，計(jì)算源顏色空間與目標(biāo)顏色空間亮度偏差。

第五步，檢測(cè)兩種方法飾面顏色修復(fù)效果。

由此，完成本次設(shè)計(jì)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比基于虛擬色彩搭配的方法與傳統(tǒng)方法最終修復(fù)效果，具體如圖5所示；

圖5所示，所提方法自動(dòng)修復(fù)完整度更高、修復(fù)效果較為理想。而采用傳統(tǒng)方法自動(dòng)修復(fù)完整度不高，出現(xiàn)許多殘缺部分。由此，說(shuō)明所提方法實(shí)際應(yīng)用性更高。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法存在的問(wèn)題，提出基于虛擬色彩搭配的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)方法。先增強(qiáng)古建筑飾面顏色空間，再選擇自動(dòng)修復(fù)空間，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于虛擬色彩搭配的古建筑飾面顏色自動(dòng)修復(fù)流程。完成上述工作后，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提方法設(shè)計(jì)的合理性。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)比兩個(gè)方法的修復(fù)完整度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法修復(fù)完整度更高，符合設(shè)計(jì)需求。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，本次提出的自動(dòng)修復(fù)方法在顏色空間增強(qiáng)上相對(duì)薄弱，需要進(jìn)一步研究，采用不同的技術(shù)提高古建筑飾面顏色空間的增強(qiáng)效果。