專利名稱：一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石刻拓片方法，尤其涉及一種石刻文字的數(shù)字化拓片。
背景技術(shù)：
石刻具有傳承歷史文化的重要作用，它大多以石灰?guī)r為主的自然山體為載體，在漫長的歲月中受到自然和人為因素的綜合作用，石刻表面不斷被風(fēng)化和殘蝕。巖溶地貌摩崖石刻的保護(hù)是一個全球性的保護(hù)課題。世界各國政府高度重視石刻文化保護(hù)工作。目前國內(nèi)石刻、碑帖大多保存分散，形成保管難堪，收藏難為，利用受限的情況，流失和破損程度相當(dāng)嚴(yán)重，使石刻的文物價(jià)值和史料價(jià)值及現(xiàn)實(shí)價(jià)值得不到應(yīng)有的利用和更好的發(fā)揚(yáng)光大。在中國古代文物中，石刻是歷史文化的重要載體之一，是不可再生的歷史文化資源。不同年代、不同民族，眾多且內(nèi)容豐富的石刻，不僅為人們提供了高品位的藝術(shù)享受，而且對于各地域社會、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、人物、家族、名勝、歷史事件等的研究和歷史文化資源的開發(fā)傳承，都極具現(xiàn)實(shí)的和潛在的價(jià)值。傳統(tǒng)的拓片方法主要有擦墨拓、撲墨拓兩大類，還有臘墨拓、鍵拓、響拓等。例如擦墨拓法，主要工具是細(xì)毛氈卷成的擦子。擦子要卷緊縫密，手抓合適為宜，將氈卷下端切齊烙平，把濕紙鋪在碑石上，用棕刷拂平并用力刷，使紙緊覆凹處，再用鬃制打刷有順序地砸一遍，如石刻堅(jiān)固，紙上需墊毛氈，用木錘涂敲，使筆道細(xì)微處清晰，切不可用木錘重?fù)?。待紙干后，用筆在拓板上蘸墨，用擦子把墨汁揉勻，并往紙上擦墨，勿浸透紙背，使碑文黑白分明，擦墨三遍即成。類似地，其他拓片方式也是用手工方式完成，不同之處在于使用的材料及工藝。從上面的拓片制作過程可以看出，傳統(tǒng)的制作過程全部靠手工完成，工序繁瑣耗時，每次只能生成一張拓片，效率低。手工制作一般需要搭建支架、梯子等輔助設(shè)施，制作效率低、具有一定的危險(xiǎn)性，無法搭支架的地方的石刻就無法拓制。采取人工拓片方式取得石刻拓片，由于難度艱巨、工作量太大而不盡人意，并且對石刻的原始面貌和耐久性有相當(dāng)不好的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，本發(fā)明提供了一種將石牌、碑帖、石刻文字圖像自動生成具有真實(shí)物理尺寸信息和具有逼真宣紙墨汁拓片效果的數(shù)字化技術(shù)。一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，在至少三個不同的角度對石刻文字進(jìn)行拍照；利用攝影測量技術(shù)測量出照片中的文字三維尺寸；在照片中選擇文字平面與像平面最接近的一幅進(jìn)行失真校正，對校正后的圖像進(jìn)行文字分割；利用實(shí)物拓片背景樣本或巖石圖像樣本進(jìn)行拓片的背景建模；
將分割后的字體與拓片背景融合；采用墨汁與宣紙的擴(kuò)散滲透過程模擬拓片效果，完成數(shù)字拓片的制作。本發(fā)明利用先進(jìn)的數(shù)字圖像處理技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從全手工拓片制作到完全數(shù)字化制作的過程，克服傳統(tǒng)拓片制作過程的工藝復(fù)雜、效率低和成本高的缺點(diǎn)，對于快速進(jìn)行大量石刻、碑帖的拓片化處理具有非常重要的意義。本發(fā)明只利用數(shù)碼相機(jī)獲得高分辨率圖像，采用先進(jìn)的圖像處理方法、拓片背景生成、墨汁滲透擴(kuò)散效果生成、字體大小測量等過程在計(jì)算機(jī)中生成具有拓片效果的石刻、碑帖的數(shù)字化圖像，這些數(shù)字化的文件適合永久保留、易于傳播、大量復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明對于保護(hù)文化遺產(chǎn)、造福子孫后代、傳承和光大古代文化；在國內(nèi)和世界范圍內(nèi)，起到示范作用，推動中國古文化保護(hù)等方面都具有重要意義。本發(fā)明能夠以很低的成本和方便的方式將散落在自然界中的各類石碑、石刻上的文字生成拓片的效果。本發(fā)明只利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)照片和計(jì)算機(jī)軟件，通過圖像校正、三維測量、文字分割、拓片背景生成、墨汁擴(kuò)散效果生成、背景和字體融合自動生成拓片效果的數(shù)字圖像，以便于保存和傳承中華名族輝煌的石刻和書法藝術(shù)。生成的數(shù)字化拓片便于保存和傳播，利用先進(jìn)的印刷技術(shù)能夠?qū)嵨镌佻F(xiàn)石刻文字。本發(fā)明中使用了墨汁和宣紙相互滲透作用的物理模型使得石刻文字的數(shù)字拓片具有更加逼真的效果；本發(fā)明利用三維測量技術(shù)，能夠獲得石刻文字的實(shí)際物理尺寸；本發(fā)明中利用圖像校正技術(shù)消除了石刻圖像在拍攝時的失真。


圖1是本發(fā)明數(shù)字化拓片生成流程圖；圖2是本發(fā)明標(biāo)志板特征點(diǎn)形狀一；圖3是本發(fā)明標(biāo)志板特征點(diǎn)形狀二 ；圖4是本發(fā)明石刻拍攝時的位置圖；圖5是射影失真圖像及校正后的結(jié)果；圖6是本發(fā)明石刻文字分割流程圖；圖7是原始圖像、零水平集曲線演化分割過程及分割后的圖像；圖8是由不同特征的子紋理塊按多紋理合成方法生成數(shù)字拓片背景圖像圖9是根據(jù)參考圖像調(diào)整其他子圖像色階；圖10是由實(shí)物拓片背景子圖像生成大分辨率數(shù)字拓片背景；圖11是自然巖石表面紋理照片；圖12是顏色圖像生成的類二值圖像；圖13是石刻字體尺寸測量實(shí)驗(yàn)圖像；圖14是計(jì)算得到的字體包圍盒三維展示與字體二維幾何尺寸。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。在三個不同的位置對石刻文字進(jìn)行拍照，然后從三幅照片中利用攝影測量技術(shù)測量出文字三維尺寸，在三幅圖像中選擇文字平面與像平面最接近的一幅圖像進(jìn)行失真校正，然后對校正后的圖像進(jìn)行文字分割。然后利用實(shí)物拓片背景樣本或巖石圖像樣本進(jìn)行拓片的背景建模，將分割后的字體與拓片背景融合，接著采用墨汁與宣紙的擴(kuò)散滲透過程模擬拓片效果，最后完成數(shù)字拓片的制作，整個流程如圖1所示。1.石刻文字圖像拍攝在拍攝石刻文字圖像時，需要在石刻附近放置尺寸已知的標(biāo)志板，標(biāo)志板上的特征幾何圖案如圖2和圖3所示，方形及圓環(huán)形的尺寸及數(shù)量根據(jù)石刻的大小改變，標(biāo)志板制作時將圖2和圖3所示的圖案按1:1打印后粘貼到平面板材上即可。拍攝相機(jī)采用2000萬像素以上的數(shù)碼單反相機(jī)，相機(jī)鏡頭焦距范圍IOmm至800mm之間。拍攝時需要在至少三個不同的角度對石刻文字進(jìn)行拍照，每個視角間的角度大于20度，如圖4所示。2.石刻文字圖像校正由于拍攝角度等原因，石刻平面和相機(jī)圖像平面并不平行，圖像中的文字將發(fā)生仿射和攝影失真，需要利用圖像校正方法消除拍攝圖像中的仿射和射影失真。石刻文字雕刻于平面石板或非平面的石頭表面，對于平面上的石刻文字，利用橫向或縱向有規(guī)則排列的文字上下或左右邊界線構(gòu)成平行線的消失點(diǎn)進(jìn)行圖像的校正；對于行書或草書可以利用文字包圍盒的四周平行線構(gòu)成的平行線消失點(diǎn)進(jìn)行圖像校正；如果圖像中無法自動獲取具有平行線的特征，可以手動加入平行線特征。根據(jù)石刻平面和圖像平面上兩點(diǎn)X，X的投影關(guān)系可以得到:X = IT1X = MsMaMpx，其中Ms,Ma，Mp分別為相似矩陣、仿射矩陣和投影矩陣。

投影矩陣定義為
權(quán)利要求
1.一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于: 在至少三個不同的角度對石刻文字進(jìn)行拍照； 利用攝影測量技術(shù)測量出照片中的文字三維尺寸； 在照片中選擇文字平面與像平面最接近的一幅進(jìn)行失真校正，對校正后的圖像進(jìn)行文字分割； 利用實(shí)物拓片背景樣本或巖石圖像樣本進(jìn)行拓片的背景建模； 將分割后的字體與拓片背景融合； 采用墨汁與宣紙的擴(kuò)散滲透過程模擬拓片效果，完成數(shù)字拓片的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:在拍攝石刻文字圖像時，在石刻附近放置尺寸已知的標(biāo)志板，標(biāo)志板上設(shè)有規(guī)則排列的幾何圖形，拍攝時需要在至少三個不同的角度對石刻文字進(jìn)行拍照。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:石刻文字圖像校正方法如下: 對于平面上的石刻文字，利用橫向或縱向有規(guī)則排列的文字上下或左右邊界線構(gòu)成平行線的消失點(diǎn)進(jìn)行圖像的校正: 對于行書或草書利用文字包圍盒的四周平行線構(gòu)成的平行線消失點(diǎn)進(jìn)行圖像校正，如果圖像中無法自動獲取具有平行線的特征，則手動加入平行線特征，根據(jù)石刻平面和圖像平面上兩點(diǎn)X，X的投影關(guān)系得到:X = IT1X = MsMaMpx，其中Ms，Ma, Mp分別為相似矩陣、仿射矩陣和投影矩陣， 投影矩陣定義為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:石刻文字圖像分割時:校正后的圖像利用中值濾波濾波器、雙邊濾波濾波器進(jìn)行去噪平滑處理，然后根據(jù)圖像的特征進(jìn)行分類，分為四類，噪聲較少的圖像、邊界較清晰但包含較多噪聲的石刻圖像、邊界較模糊的圖像和長期經(jīng)過風(fēng)化的殘缺字體，以上四類分別采用基于Ostu的自動閾值分割、基于水平集的文字分割、基于紋理的分割和基于手動交互分割方法進(jìn)行圖像的文字的分割處理，對處理后有噪聲的圖像采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，去除多余噪聲，得到清晰的文字輪廓圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:拓片背景建模方法如下:將現(xiàn)有手工拓片背景利用高分辨率掃描儀進(jìn)行掃描，獲得具有不同紋理特征的拓片背景圖像，將多張子背景圖像拼接在一起，在圖像拼接前需要將每張背景紋理子圖像色階統(tǒng)一，色階調(diào)整計(jì)算公式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:拓片背景建模方法如下:首先將巖石彩色圖像變?yōu)榛叶葓D像，而且采用動態(tài)閾值和圖像色階調(diào)整，將灰度圖像變?yōu)轭惗祱D像，類二值圖像是指圖像中的象素灰度大部分集中在O和255附近，但圖像仍然是256階灰度的圖像，并非二值圖像； 對類二值圖像做進(jìn)一步的處理，通過表面化學(xué)和紡織工業(yè)中對吸附和擴(kuò)散過程研究得出的定性規(guī)律和定量方程，能夠定量、高精度地模擬巖石突起顆粒和宣紙接觸后的滲透和擴(kuò)散過程，當(dāng)巖石突起顆粒和宣紙接觸時，墨汁溶液就會發(fā)生交互作用，墨汁顆粒開始在兩相交界處進(jìn)行遷徙，采用表面化學(xué)工程中的Dubinin-Raadushkevich等溫線方程模擬該過程，該方程的優(yōu)點(diǎn)在于正好對拓片時的壓力對吸附過程進(jìn)行了準(zhǔn)確的建模
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:石刻文字的三維尺寸，利用攝影測量技術(shù)測量出文字的三維尺寸； 對石刻字體進(jìn)行拍攝時，在石刻旁邊放置特征點(diǎn)尺寸已知的標(biāo)志板，需在不同角度拍攝至少三張圖像；首先利用標(biāo)志板信息計(jì)算相機(jī)的參數(shù)，利用相機(jī)內(nèi)外參數(shù)計(jì)算出圖像上石刻字體平面X、y兩個方向上的一個距離值，采用字體包圍盒的X、y方向的兩個邊作為計(jì)算單元，最后根據(jù)文字圖像的包圍盒尺寸計(jì)算出文字實(shí)際的真實(shí)尺寸； 在提取標(biāo)志板角點(diǎn)時，采用手動方式選取標(biāo)志板棋盤格的三個頂點(diǎn)，第四個頂點(diǎn)自動計(jì)算，然后根據(jù)棋盤格的大小，自動計(jì)算出其余棋盤格角點(diǎn)像素精度的坐標(biāo)，記為q，然后以q為中心的一個鄰域窗口內(nèi)的像素記為Pi,由q和Pi構(gòu)成的矢量與Pi點(diǎn)的梯度正交，在Pi點(diǎn)的周圍找到多組梯度及相關(guān)向量qiPi，令其點(diǎn)積為O，通過求解方程組獲得亞像素精度的角點(diǎn)坐標(biāo)q; 計(jì)算出標(biāo)志板上的角點(diǎn)圖像坐標(biāo)后，利用張氏標(biāo)定方法，計(jì)算出相機(jī)參數(shù)及投影矩陣 素 Ji1.j , 根據(jù)相機(jī)投影關(guān)系得到關(guān)于投影矩陣元素ay的線性方程:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:石刻文字的三維尺寸的測量:對位于石灰?guī)r懸崖峭壁上的摩崖石刻，先利用長焦高倍鏡頭拍攝石刻圖像，再利用激光測距儀或全站儀等輔助設(shè)備獲得石刻平面內(nèi)x、y兩個方向標(biāo)志尺寸，石刻上其他文字尺寸據(jù)此推算出來。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:背景圖像和分割石刻文字的融合:將文字圖像和背景圖像設(shè)置為相同大小分辨率，在文字圖像上將灰度值為(0，0，0)的像素的a通道設(shè)置為全透明，即a =0，然后將文字圖像和背景圖像融合得到新的圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，其特征在于:分割字體圖像的墨水滲透擴(kuò)散和數(shù)字拓片生成: 將背景圖像和分割后的字體圖像融合后，需要采用數(shù)字化的方法模擬出字體邊緣墨水與宣紙上的擴(kuò)散及宣紙的吸附和沉降過程；將其建模為一個物質(zhì)擴(kuò)散過程，利用對流擴(kuò)散方程以定量地表達(dá)墨水滲透過程；在模擬中采用動態(tài)擴(kuò)散系數(shù)的方法，即擴(kuò)散系數(shù)除了受宣紙纖維結(jié)構(gòu)的影響外，紙張某點(diǎn)處的墨水?dāng)U散系數(shù)還取決于水的濃度，膠質(zhì)濃度和紙纖維的密度； 在墨水?dāng)U散中，速度相對較低的墨水顆粒會固著在具有較高表面自由能的紙張纖維中，這個現(xiàn)象是典型的吸附過程，采用描述平衡系統(tǒng)狀態(tài)的Langmuir等溫線方程來模擬吸附過程； 墨汁顆粒的沉淀過程主要是由發(fā)生擴(kuò)散過程的物質(zhì)顆粒的隨機(jī)流動所導(dǎo)致，可進(jìn)一步用一個流動系數(shù)來調(diào)整； 最后采用Dubin1-Radushkevich方程對離散模擬時間段進(jìn)行先行近似的簡化處理，再用一個類似的方法來快速得到擴(kuò)散過程中； 通常利用描述平衡系統(tǒng)的Langmuir等溫線方程模擬吸附過程:
全文摘要
本發(fā)明提供了一種石刻文字的數(shù)字化拓片方法，在至少三個不同的角度對石刻文字進(jìn)行拍照；利用攝影測量技術(shù)測量出照片中的文字三維尺寸；在照片中選擇文字平面與像平面最接近的一幅進(jìn)行失真校正，對校正后的圖像進(jìn)行文字分割；利用實(shí)物拓片背景樣本或巖石圖像樣本進(jìn)行拓片的背景建模；將分割后的字體與拓片背景融合；采用墨汁與宣紙的擴(kuò)散滲透過程模擬拓片效果，完成數(shù)字拓片的制作。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了從全手工拓片制作到完全數(shù)字化制作的過程，克服傳統(tǒng)拓片制作過程的工藝復(fù)雜、效率低和成本高的缺點(diǎn)，對于快速進(jìn)行大量石刻、碑帖的拓片化處理具有非常重要的意義。
文檔編號G06T7/00GK103077516SQ20121059233
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者溫佩芝, 吳曉軍, 黃家城 申請人:溫佩芝, 吳曉軍, 黃家城