專利名稱：石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法
技術領域：
本發明涉及一種石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法。
背景技術：
敦煌莫高窟以精美的壁畫和塑像聞名于世。莫高窟自公元366年開鑿，現存北涼、 北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等時代興建的洞窟735個、壁畫4. 5萬平方米、彩塑2415尊，是世界上現存規模最大、內容最豐富的佛教藝術寶庫。近代發現的藏經洞，內有 5萬多件古代文物，由此衍生專門研究藏經洞典籍和敦煌藝術的學科一敦煌學。1961年， 敦煌莫高窟被公布為第一批全國重點文物保護單位之一。1987年，被列為世界文化遺產名錄。千百年來，由于自然因素的作用和人為因素影響，敦煌壁畫正遭受著起甲、空鼓、 變色、酥堿、脫落、風化等病害。造成彩繪的褪色、剝落。對莫高窟構成前所未有的威脅。眾所周知，文物是不能再生的，也是不能永生的。盡管采取了許多保護措施，但是，敦煌石窟文物，特別是脆弱的壁畫逐漸褪化趨勢無法逆轉，持久保存敦煌藝術的信息面臨著嚴峻的挑戰。此外，敦煌石窟脆弱的壁畫和塑像及其狹小的洞窟空間，與迅速發展的旅游開放所形成的矛盾日益突出。因此，如何能夠永久地保存、又能永續利用這份人類珍貴的文化遺產，將千年的文化傳承于世，我國公開了 “一種基于數字化技術的古代洞窟文物獲取方法及拍攝平臺”(專利號01112283. 8)。該方法包括1)使用位置分類法分割壁畫；2)按照壁畫測繪結果，采用分辨率計算法確定拍攝計劃；3)使用白板拍攝的方法調整閃光燈；4)采用古代洞窟壁畫文物獲取拍攝平臺進行拍攝；5)在表格上記錄拍攝情況；6)使用計算機圖像處理軟件對拍攝好的圖像進行圖像拼接處理。該方法的不足之處是1)洞窟壁畫凹凸不平， 拍攝出的單幅圖像分辨率不一致；2)拍攝出的圖像色彩不逼真，色彩還原不夠真實；3)拼接圖像的形變未控制，變形較大；4)利用白板拍攝圖像調整閃光燈的方法環境光的衍射色彩還原不夠準確、曝光不夠統一；隨著計算機技術的快速發展，計算機在各個領域得到使用推廣，如何采用數字攝影、計算機圖形學、數字圖像處理與人工智能等技術保護古代珍貴文物，尋找一種新的手段與方法，永久保護這份人類珍貴的文化遺產。

發明內容
面對逐漸消退的千年壁畫文化遺產，本發明的目的旨在提供一種石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法。該方法能夠以高保真的數字化圖像方式，將高分辨率數字圖像存儲于計算機中，使這份人類珍貴的文化遺產一敦煌壁畫不至于漶滅。本發明的目的是通過以下技術方案實現一種石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法其方法包括a.攝影采集I)拍攝方案編寫制定攝影采集方案，確定使用的鏡頭、光圈、攝影距離、軌道行節點、軌道列節點參數；
2)確定攝影采集分辨率300dpi。3)計算實際拍攝范圍依據攝影采集分辨率P dpi，根據數碼相機的像素Z，感光元器件長邊像素為X、寬邊像素為Y，依據如下公式，可計算出實際拍攝范圍的長L Cm，寬W cm。Z = XXYZ = 2.54 X—
PW = 2.54χ —
P4)計算攝距依據攝影成像原理、實際拍攝范圍長L cm與寬W cm、鏡頭和相機感光元器件的長L’cm與寬W’cm參數,利用相似三角形根據如下公式計算出攝距xcm x = L* 鏡頭/L，；5)硬件色彩管理使用Profile Maker 5. O和Eye One Pro對拍攝用數碼相機和顯示器制作ICC文件，進行色彩管理；6)攝影采集系統搭設對洞窟規模、壁面斜度、曲率和狹窄空間綜合考量，進行軌道鋪設、攝影框安裝，最后固定相機；7)測光測試燈光照度，確定曝光值為5500K，l/60s, fll-16 ；8)色卡拍攝在使用標準色溫下，拍攝24色標準色卡；9)拍攝由下至上、由左至右開始逐張拍攝壁畫圖片，相鄰圖片的上下與左右均 50%的重疊度；10)現場檢查檢查單幅圖片的焦點虛實、重疊度、曝光均勻性、每行圖片的數量， 邊緣完整性；11)元數據記錄記錄拍攝時間、拍攝人員、洞窟壁面位置、相機編號、光圈、感光度、相機高度、攝距；12)存儲圖像將拍攝的洞窟原始圖像數據進行存儲；b.圖像處理I)硬件色彩管理使用Profile Maker 5. O和Eye One Pro對圖形處理工作站制作ICC文件進行色彩管理；2)色溫確定3200K 至 5500Κ ；3)圖像畸變校準采用Photoshop軟件對鏡頭造成的光學透視畸變的原始圖像進行校準；4)裁切比例確定對單幅圖像邊緣處品質較差部分進行裁切；5)圖像拼接在Photoshop CS5中，建立基本壁面大小的畫布，以拼接壁畫的中心為原點，建立整幅壁畫的十字框架，然后以原點為起始點，以十字框架為中心發散拼接；6)畸變調整采用Photoshop CS5軟件，通過匹配特征點位置對被攝壁面不夠平整造成圖像的透視畸變進行調整；7)色彩調整采用Photoshop CS5軟件，對少數圖像存在細微的色彩差異的部位進行調整；8)圖像融合通過畸變調整和色彩調整，將整壁的所有原始圖像拼接融合為一張全景圖像；
9)存儲按照洞窟編號、位置、方位進行存儲；c.檢查、驗收I)圖像檢查、修改在Photoshop中將拼接完成的最終圖像顯示比例放大到 100 %，逐塊檢查其內容，確保圖像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內容準確；2)驗收檢查驗收圖像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內容并存儲于服務器。本發明的優點和產生的有益效果I、本發明采用數字攝影、計算機圖形圖像學、近景攝影測量技術，使用數碼相機分幅拍攝高分辨率的壁畫數字圖像，所獲取的單幅圖像利用圖像處理軟件在圖形處理工作站上完成最終合成，在整個獲取、處理、存儲的過程中進行嚴格的色彩控制和畸變控制，使得壁畫數字圖像達到高保真、高分辨率的標準。2、攝影采集時，本發明采用鏡頭實時調節攝距，使凹凸不平的壁面的投影面在相機焦平面達到一致，為圖像拼接提供準確的原始圖像；3、米用愛色_色彩管理軟件 Profile maker 5· O (使用 Measure Tool、Profile maker模塊)和硬件Eye one Pro，對相機與顯示設備進行色彩管理，達到圖像色彩逼真，準確還原壁畫色彩/[目息；4、本發明采用十字框架圖像處理方法，完成高分辨率圖像拼接處理，分散和減小形變誤差累積，保證所獲取的數字圖像每像素所攜帶的特征信息、相鄰像素關系完整和準確；另一方面，基礎框架的確立使得多任務并行處理成為可能，很大程度上分割了拼接處理的先后順序和依賴性，極大的提高圖像處理效率，從而提升了整個工作流效率。5、利用漫反射遮擋光源阻環境光對壁面產生的衍射，壁畫色彩還原準確，同時，避免強光直射對壁畫造成的損傷；6、本發明采用300dpi的攝影采集分辨率，攝影采集分辨率高，達到原始壁畫實際尺寸的兩倍，圖像清晰、層次豐富、色彩逼真。


圖I為本發明攝距計算示意圖2為本發明檢測布光均勻性示意圖3為本發明攝影采集相鄰兩張單幅圖像重疊度示意圖
圖4為本發明攝影采集順序圖5為本發明單幅圖像畸變校準示意圖6為本發明圖像拼接方法示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明具體實際操作進行詳細說明一種石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法，包括第一步拍攝采集拍攝方案編寫根據洞窟的形制、塑像、壁畫、從北涼、北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、西夏、元等時代、洞窟空間大小、壁畫面積、墻面形變情況做系統的調查，制定攝影采集方案。
本發明以敦煌莫高窟第57窟南壁為拍攝對象，該洞窟修建于初唐，晚唐重修，覆斗形頂，西壁開一龕，南壁面積約為12. 6m2，壁面較為平整，曲率較小。該方法要求的設備包括基于軌道的壁畫攝影采集系統一套，Canon EOS-IDs Mar kill相機一臺，DELL T7500工作站一臺，EIZO CG223W圖形顯示器一臺，標準色卡，水平尺，相機存儲卡3張， Profilemaker 5Eye_0ne pro系列色彩管理工具,數碼相機SG色卡,愛玲瓏RX閃光燈一套及閃光燈電源，其具體方法如下I)確定攝影采集分辨率300dpi。2)計算實際拍攝范圍依據攝影采集分辨率P = 300dpi，根據數碼相機Canon EOS-IDs Mar kill的像素Z = 2100萬，感光元器件長邊像素為X = 5616、寬邊像素為Y = 3744，依據如下公式，Z = XXYL = 2.54 X x/pW = 2.54x y/P可計算出實際拍攝范圍的長L = 47. 5cm,寬W = 31. 7cm。3)計算攝距依據攝影成像原理圖I、實際拍攝范圍長ab = 47. 5cm、鏡頭為EF 85mm f/1. 2LII USM和相機感光元器件的長L’ = 36cm或寬W，= 24cm參數，利用三角形 abo和a，b，ο為相似三角形計算出攝距eo。eo = 47. 5X36/85 = 112. 3cm4)確定使用的 Canon EOS-IDs MarkIII 相機、Canon EF 85mm f/1. 2L II USM 定焦鏡頭、光圈F16、速度l/60s、攝影距離112. 3cm、軌道行節點23cm、軌道列節點15cm參數；5)相機色彩管理制作數碼相機Icc Profile需要使用PM5 (Profile maker模塊)，Digital ColorChecker SG色卡。第一步在規定條件下使用數碼相機拍攝色卡,使用標準色溫光源，拍攝結果要求光線柔和均勻，相同色塊間RGB值誤差不得超過5，亮度、 對比度要求全黑色塊RGB值不超過20，全白色塊RGB值不低于220 ;第二步使用Profile maker,打開拍攝好的色卡圖片并調整好位置；第三步設置Photo Task和Light Sourse參數，點擊開始制作相機Icc Profile,完成后保存,命名帶有日期,位置WIND0WS\system32\spool\drivers\color 文件夾。6)攝影采集系統搭設綜合考量洞窟空間大小和難易程度，軌道鋪設需要8英尺和4英尺的軌道各一對，攝影框安裝，最后固定相機；7)測光采集作業中，在工作現場設計燈光，力求同一洞窟空間所使用的攝影燈光一致；確定最終使用的曝光值和漫反射布光方式，在拍攝壁面上放置方格白板拍攝(白板不能接觸壁畫)，在白板中間選擇點I，在四角順序選擇點2,點3,點4,點5共五個點,確保任意兩點的RGB值相差不大于10，使得被攝壁面的光線照度保持統一的均勻性(見圖
2)；8)色卡拍攝整幅壁面拍攝Q14色階(Kodak)卡；9)攝影采集采用基于軌道的攝影采集系統，面對拍攝壁面，以拍攝壁面的左下角為坐標原點，建立拍攝坐標系，以原點為拍攝起點，X軸方向為拍攝方向，拍攝第一行 rowOl,然后拍攝第二行row02......，最終以自下而上的方向拍攝完整壁壁面(見圖3)。相鄰圖像的上下與左右均50%的重疊度。以圖4e為中心，在圖4e中有菱形圖案，圖4d與圖 2e的左半部分重疊50 %，圖4b與圖4e的右半部分重疊50 %，圖4a與圖4e的上半部分重疊50 %，圖4c與圖4e的下半部分重疊50 %，圖4a、圖4b、圖4c、圖4d和圖4e拼接融合，達到圖4f效果。10)現場檢查對于完成拍攝的每張圖像均由圖像處理人員進行現場檢查，確保檢查圖像的焦點虛實、重疊度、曝光均勻性、每行圖像的數量，邊緣完整性。11)元數據記錄現場檢查人員需及時、準確的記錄元數據,包括記錄拍攝時間、 拍攝人員、洞窟壁面位置、相機編號、光圈、感光度、相機高度、攝距。具體元數據記錄表格如下
權利要求
1.一種石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法其方法包括a.拍攝米集.1)拍攝方案編寫制定攝影采集方案，確定使用的鏡頭、光圈、攝影距離、軌道行節點、 軌道列節點參數；.2)確定攝影采集分辨率75dpi、150dpi、300dpi；.3)計算實際拍攝范圍依據攝影采集精度Pdpi，根據數碼相機的像素Z，感光元器件長邊像素為X、寬邊像素為Y，依據如下公式，可計算出實際拍攝范圍的長L Cm,寬W Cm;Z = XXYfV = 2.54x — P.4)計算攝距依據攝影成像原理、實際拍攝范圍長Lcm與寬W cm、鏡頭和相機感光元器件的長L’ cm與寬W’ cm參數，利用相似三角形根據如下公式計算出攝距Xcm:X = L*鏡頭 /L，；.5)硬件色彩管理使用ProfileMaker 5. O和Eye One Pro對拍攝用數碼相機和顯示器制作ICC文件，進行色彩管理；.6)攝影采集系統搭設對洞窟規模、壁面斜度和曲率綜合考量進行軌道鋪設、攝影框安裝，最后固定相機；.7)測光測試燈光照度，確定曝光值為5500K，l/60s,f 11-16 ；.8)色卡拍攝在使用標準色溫下，拍攝24色標準色卡；.9)拍攝由下至上、由左至右開始逐張拍攝圖像，相鄰圖像的上下與左右均50%的重疊度；.10)現場檢查檢查圖像的焦點虛實、重疊度、曝光均勻性、每行圖像的數量，邊緣完整.11)元數據記錄記錄拍攝時間、拍攝人員、洞窟壁面位置、相機編號、光圈、感光度、相機聞度、攝距；.12)存儲圖像將拍攝的洞窟原圖像數據進行存儲；b.圖像處理.1)硬件色彩管理使用ProfileMaker 5. O和Eye One Pro對圖形處理工作站制作ICC 文件進行色彩管理；.2)色溫確定3200K至5500Κ；.3)圖像畸變校準采用Photoshop軟件對鏡頭造成的光學透視畸變的原始圖像進行校準；.4)裁切比例確定對單幅圖像邊緣處品質較差部分進行裁切；.5)圖像拼接在PhotoshopCS5中，建立基本壁面大小的畫布，以拼接壁畫的中心為原點，建立整幅壁畫的十字框架，然后以原點為起始點，以十字骨架為中心向發散拼接，最終拼接完成無痕、完美的整幅壁畫的全景數字圖像；.6)畸變調整采用PhotoshopCS5軟件，通過匹配特征點位置對被攝壁面不夠平整造成圖像的透視畸變進行調整；.7)色彩調整采用PhotoshopCS5軟件，對少數圖像存在細微的色彩差異的部位進行調整；.8)圖像融合通過畸變調整和色彩調整，將正壁的所有原始圖像拼接融合為一張全景圖像；.9)存儲按照洞窟編號、位置、時代進行存儲；c.檢查、驗收.1)自檢修改在Photoshop中將拼接完成的最終圖像顯不比例放大到100*%，逐塊檢查其內容，確保圖像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內容準確；.2)驗收檢查驗收圖像清晰度、圖像色彩、圖像畸變、圖像內容存儲于服務器。
全文摘要
本發明公開一種石窟寺壁畫數字化高保真圖像采集處理方法，該方法通過攝影采集、圖像處理、圖像存儲。利用散點透視、平行移動原理，采用自主設計的攝影采集系統和獨特的十字骨架圖像拼接處理方法，安全的數據存儲，進行規范化的石窟文物壁畫數字化，可將同一壁面拍攝的上千張甚至更多原始圖像拼接融合為一幅無痕、完美的高保真原大全景圖像。達到長久保存和永續利用這份人類珍貴的文化遺產。
文檔編號G03B17/56GK102609924SQ20121006423
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者丁曉宏, 俞天秀, 刁常宇, 劉剛, 吳健, 孫志軍, 孫洪才, 張偉文, 李大丁, 楊靜, 趙良, 魯東明 申請人:敦煌研究院, 浙江大學