交互式破碎文物虚拟修复方法技术

本发明专利技术涉及交互式破碎文物虚拟修复方法，包括如下步骤：（1）文物碎片数据采集与分类；（2）基于Wiimote的三维模型交互；（3）文物碎片的互补拼接虚拟修复；（4）基于模板匹配的文物虚拟修复；（5）基于三维打印的文物实体修复。本发明专利技术利用MSME三轴加速度记、陀螺仪和红外感应条实现了文物模型的交互控制，完成了对MSME位移及姿态6自由度信息的实时校准，克服了重力加速度、MEMS敏感度不高等造成交互控制准确性不高的局限；解决了不符合互补匹配关系但又存在语义相关性和符合互补关系但边缘又不严格匹配两种情况的文物碎片虚拟修复问题，并借助三维打印机完成文物的快速实体修复。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，包括如下步骤：（1）文物碎片数据采集与分类；（2）基于Wiimote的三维模型交互；（3）文物碎片的互补拼接虚拟修复；（4）基于模板匹配的文物虚拟修复；（5）基于三维打印的文物实体修复。本专利技术利用MSME三轴加速度记、陀螺仪和红外感应条实现了文物模型的交互控制，完成了对MSME位移及姿态6自由度信息的实时校准，克服了重力加速度、MEMS敏感度不高等造成交互控制准确性不高的局限；解决了不符合互补匹配关系但又存在语义相关性和符合互补关系但边缘又不严格匹配两种情况的文物碎片虚拟修复问题，并借助三维打印机完成文物的快速实体修复。【专利说明】
本专利技术涉及文物数字化修复
中的，特别是涉及一种和实体修复方法。
技术介绍
出土的古代文物在经受了若干年的自然风化、侵蚀和人为破坏之后，多数已经变得残缺不全。考古工作者发掘到这些破碎文物后，需要对其分类、清洗、拼接、粘结、手工修复等工序恢复文物原貌。工作人员实际修复过程中须主要解决的问题为:(I)如何确定碎片的邻接关系的问题，该问题本质是数学难题NP完全问题，最差的方法需要与每个碎片进行匹配；(2)如何确定不严格满足互补匹配的文物碎片的拼接关系问题，现有方法大多依据断裂面或断裂线间的匹配关系进而确定文物碎片间的拼接关系，然而由于存在碎片边缘的腐蚀、磨损等情况，一旦不严格满足匹配关系，则很难完成修复。近年来，借助三维数字采集设备、计算机图形学和数字图像处理等技术，实现破碎文物的计算机辅助虚拟拼接修复已成为发展的趋势。文物碎片的匹配和拼接是计算机辅助文物修复的难点，其和关键是如何计算邻接碎片间的刚性变换使得位于不同坐标系下的文物模型变换到统一的坐标系，进而使得邻接区域间的距离最小、邻接碎片外边缘过渡最平滑。文物碎片的拼接问题本质是曲线或曲面的匹配问题，属于计算机图形学领域的难点问题，该问题起源于古老的Jigsaw拼图问题，但又存在不同，主要表现为:文物碎片的形状各异、文物修复的最终形状结果未知、文物碎片的几何和纹理信息可能丢失、边缘可能腐蚀严重、碎片之间并没有固定的拼接规则、碎片之间的匹配关系较多容易产生错误匹配、三维扫描数据本身伴随大量噪声将会影响匹配的结果。上述因素给基于断裂线、断裂面或纹理匹配的文物碎片拼接带来了极大的困难。另一方面部分文物碎片可能已经消失，利用匹配拼接方法并不能完成文物的修复，因此亟待提出新方法解决该问题。现今，三维快速成型技术已经成为机械加工等工业界发展的热点，随着成型设备打印精度的提高和材料种类的丰富，利用三维打印设备仿制文物，打印文物的待修复区域进而完成文物的实体修复已经成为可能。目前，文物碎片匹配方法主要分为三类:(I)基于曲线匹配的方法，Kishon等提出将弧长、曲率和挠率作为碎片边界轮廓的特征描述算子，将碎片间的匹配问题转换为字符串间的匹配问题，实现碎片的匹配；樊少荣等人提出在碎片特征轮廓多边形弧串匹配的基础上，以跨界切矢作为约束条件提高轮廓匹配的正确性。(2)基于曲面匹配的方法，该方法已成为匹配方法的主流；Papai0ann0U等人通过碎片候选断裂面识别、定义微分算子作为断裂面匹配的度量函数和匹配结果的全局优化三个步骤实现碎片的拼接；BroWn等人通过构建Ribbon网格结构实现断裂面的匹配，为了解决碎片腐蚀严重的问题，采用基于法线约束的ICP算法消除错误对应；Huang等人提出基于图论和优化理论的全局与局部结合的多碎片匹配方法，引入基于积分不变量作为断裂面特征提取的方法。(3)基于纹理匹配的方法，纹理是文物的重要属性，基于纹理或者几何纹路的连续性，可以确定碎片间的匹配关系；SA?IRO?LU等人提出了一种根据文物表面纹理和图片自动拼接文物碎片的方法，首先通Inpainting和纹理分析方法预测当前碎片周围的纹理信息,然后提取预测出的纹理特征和其他文物碎片的纹理特征，进而引入傅里叶变换理论通过定义度量函数比较纹理特征，最终计算碎片的旋转和平移变换，实现碎片匹配。但上述方法，仍不能有效解决不符合互补关系但又存在语义相关性和符合互补关系但边缘又不严格匹配两种情况的文物碎片虚拟修复问题，因此，在文物的数字化保护方面的技术尤其是对文物碎片的匹配和拼接修复方面的技术还亟待加强研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种，有效解决不符合互补匹配关系但又存在语义相关性和符合互补匹配关系但边缘又不严格匹配两种情况的文物碎片的虚拟修复问题，从而提高文物修复的效率，进而为文物的数字化保护和实体修复提供更加高效可行的方法。本专利技术解决问题的技术方案是:提供一种，该方法是基于文物碎片的交互式匹配的方法，包括如下步骤: ( I)文物碎片数据采集与分类；(2)基于Wiimote的三维模型交互；(3)文物碎片的互补拼接虚拟修复；(4)基于模板匹配的文物虚拟修复；(5)基于三维打印的文物实体修复。其中，在所述步骤(2)完成后，在文物碎片互补匹配的情况下，进行所述步骤(3)文物碎片的互补拼接虚拟修复，然后进行步骤(5 );在所述步骤(2 )完成后，在文物碎片互I匹配的情况为否时，进行所述步骤(4)基于模板匹配的文物虚拟修复，然后进行步骤(5)。进一步地,所述步骤(2)包括:步骤(2.1)对惯性传感器的校正，由Wiimote通过3轴MEMS加速度计和3轴MEMS陀螺仪控制物体模型的位移和姿态，其中，位移及姿态校准分为初始开机对准、周期性校准以及手动校准三个步骤，经过大量实验对3轴加速度计和3轴陀螺仪的零偏特性进行统计，并根据其周期重复特性对其进行线性补偿，实现位移及姿态6自由度信息的实时校准；步骤(2.2)依据MEMS的姿态运动轨迹，控制模型的六自由度变换。优选地，所述步骤(2.2)包括:步骤(2.2.1)计算模型的旋转变换；步骤(2.2.2)基于Wiimote与红外感应条间的相对位置关系计算模型的平移变换。较佳地，为了克服重力对角速度的影响，步骤(2.2.1)通过公式(I )和(II)计算模型的旋转变换:公式(I ):【权利要求】1.一种，其特征在于，包括如下步骤: (1)文物碎片数据采集与分类； (2)基于Wiimote的三维模型交互； (3)文物碎片的互补拼接虚拟修复； (4)基于模板匹配的文物虚拟修复； (5)基于三维打印的文物实体修复。 其中，在所述步骤(2)完成后，在文物碎片互补匹配的情况下，进行所述步骤(3)文物碎片的互补拼接虚拟修复，然后进行步骤(5);在所述步骤(2)完成后，在文物碎片互补匹配的情况为否时，进行所述步骤(4)基于模板匹配的文物虚拟修复，然后进行步骤(5)。2.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述步骤(2)包括: (2.1)对惯性传感器的校正，Wiimote通过3轴MEMS加速度计和3轴MEMS陀螺仪控制物体模型的位移和姿态，其中，位移及姿态校准分为初始开机对准、周期性校准以及手动校准三个步骤，对3轴加速度计和3轴陀螺仪的零偏特性进行统计，并根据其周期重复特性对其进行线性补偿，实现位移及姿态6自由度信息的实时校准； (2.2)依据MEMS的姿态运动轨迹，控制模型的六自由度变换。3.如权利要求2所述的，其特征在于，所述步骤(2.2)包括:(2.2.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交互式破碎文物虚拟修复方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）文物碎片数据采集与分类；（2）基于Wiimote的三维模型交互；（3）文物碎片的互补拼接虚拟修复；（4）基于模板匹配的文物虚拟修复；（5）基于三维打印的文物实体修复。其中，在所述步骤（2）完成后，在文物碎片互补匹配的情况下，进行所述步骤（3）文物碎片的互补拼接虚拟修复，然后进行步骤（5）；在所述步骤（2）完成后，在文物碎片互补匹配的情况为否时，进行所述步骤（4）基于模板匹配的文物虚拟修复，然后进行步骤（5）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周明全，税午阳，武仲科，徐崇斌，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11