一种三维碎片拼接重构方法、系统、设备及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种三维碎片拼接重构方法、系统、设备及存储介质，属于图像处理技术领域。实现过程为：预处理阶段、特征提取阶段、匹配段寻找阶段、碎片组拼接阶段、拼接度量阶段以及全局最优解寻找阶段，最终实现三维碎片的拼接重构，还原原始器型；特征提取阶段基于曲率半径向量，提取出断裂边缘轮廓的几何结构以及变化趋势，并进行特征融合，通过等距采样得到其一维特征串的形式实现边缘轮廓的量化表示；全局最优解寻找阶段通过进化计算以“优胜劣汰”的方式基于全局寻找适应度最高的匹配方案，消除由于错误回溯导致的高计算量。本发明专利技术具有重构成功率高、正确率高以及精准度高的优点，可适用于各种器型以及材质的三维碎片重构。适用于各种器型以及材质的三维碎片重构。适用于各种器型以及材质的三维碎片重构。

【技术实现步骤摘要】
一种三维碎片拼接重构方法、系统、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于图像处理
，涉及一种三维碎片拼接重构方法、系统、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]由于时代变迁，数以亿计承载着灿烂文明的珍贵文物都被深埋于地下，并且由于风化侵蚀等原因，出土的文物大都以碎片的形式所呈现。面对海量的文物碎片，仅凭借人工手动进行修复，显得尤为困难，不仅耗时耗力，且在文物碎片已经存在破损的基础上，容易造成二次破坏。
[0003]对于大规模发掘出土的海量文物碎片进行拼接修复，采用计算机进行辅助拼接可以很大程度的提高文物碎片拼接的准确性以及高效性。但目前基于计算机辅助进行拼接的方法大至分为两类：第一类，基于旋转母线的旋转体拼接；第二类：基于断裂面特征点的非薄壁碎片拼接。即针对非旋转体以及薄壁类型的拼接方法较少，现有的修复拼接方法特征提取单一，无法全面表征碎片的个性化差异，且在最终拼接阶段一般选择逐次融合当前最优结果，容易受局部最优解的影响，而放弃全局最优解获取的可能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中，利用计算机进行文物碎片修复时因方法特征提取单一导致难以获得全局最优解的缺点，提供一种三维碎片拼接重构方法、系统、设备及存储介质。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种基于边缘量化与进化计算的三维碎片拼接重构方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一，预处理阶段，对于三维扫描仪所获取到的碎片点云模型，将其转化为STL格式，通过基于STL格式的孔洞搜寻算法得到孔洞顶点，按照拓扑结构进行搜索，得到三维碎片断裂边缘轮廓；
[0008]步骤二，特征提取阶段，基于曲率半径向量，对步骤一得到的三维碎片断裂边缘轮廓进行多特征提取，之后进行等距采样和特征赋值，得到一维特征串形式；
[0009]步骤三，匹配段寻找阶段，任意选取一个碎片组并进行编号，基于步骤二得到的一维特征串形式，通过遍历采样点对齐算法，以动态比较匹配的方式计算某一时刻对应采样点间的特征差值，同时计算特征差值的极值作为特征阈值参数，进行最佳匹配段的寻找，得到以特征差值平均值作为匹配段的特征差值函数；
[0010]步骤四，碎片组拼接阶段，基于步骤三得到的碎片组的最佳匹配段，得到待拼合目标间的几何关系，通过粗旋转和校准旋转进行几何变换，使整体碎片模型依据匹配段的贴合而拼接对齐，拼接完成后记录碎片对之间的豪斯多夫距离；
[0011]步骤五，拼接度量阶段，针对两个拼接对齐后的碎片，通过球体空间点共存检测算法确定来自两个碎片上的三维碎片断裂边缘顶点集合之间的小区域共存个数，得到度量碎
片组拼接优劣的拼接贴合度；
[0012]步骤六，信息整合阶段，建立碎片组拼接数据库，碎片组拼接数据库中包含内容：碎片组编号、特征阈值参数、特征差值函数、豪斯多夫距离和拼接贴合度；
[0013]步骤七，全局最优解寻找阶段，根据步骤六的碎片组拼接数据库，通过进化计算建立种群，以“优胜劣汰”的方式基于全局寻找适应度最高的全局最优匹配方案；
[0014]步骤八，最终拼接阶段，根据步骤七的全局最优匹配方案，从步骤六的碎片组拼接数据库中选择出对应的碎片组依次进行拼接，完成三维碎片的拼接重构。
[0015]优选地，步骤一的具体操作为：利用STL格式的共顶点原则，通过基于STL格式的孔洞搜寻算法得到孔洞顶点，并按照拓扑结构逐一向下搜索，得到连续且封闭的三维碎片断裂边缘顶点集合，该三维碎片断裂边缘顶点集合为三维碎片断裂边缘轮廓。
[0016]优选地，步骤二的具体操作包括：
[0017](2.1)对于步骤一得到的三维碎片断裂边缘轮廓，从第一个顶点逐一向下遍历；
[0018](2.2)对当前位置顶点，同时按拓扑顺序提取出其前后两个顶点，共组成一个3
×
3的矩阵，矩阵中每一行代表一个顶点在三维空间中的位置坐标；
[0019](2.3)对于三个顶点所形成的三角形，借助顶点位置信息，通过联立解方程组的方法建立三角形外接圆，从当前位置顶点指向该外接圆圆心的向量即为曲率半径向量；
[0020](2.4)对于遍历到的每一个顶点重复步骤(2.2)和(2.3)，提取出每一个定点对应的曲率半径向量，得到该断裂边缘所对应的一组曲率半径向量集合
[0021](2.5)基于曲率半径向量集合计算模长，得到能够反映断裂边缘几何结构的初级特征，r＝{r1,r2,
…
,r
i
,
…
,r
n
}；
[0022](2.6)基于曲率半径向量集合，从第一个向量开始，逐一计算其下一个相邻向量与当前向量之间的变化，并通过模值对该变化进行具象表征，得到能够反映断裂边缘轮廓变化趋势的深度特征，r
Δ
＝{r
Δ1
,r
Δ2
,
…
,r
Δi
,
…
,r
Δn
}；
[0023](2.7)根据初级特征与深度特征在表征边缘曲线个性化中所占的比重，按照权值系数对两组特征进行融合，得到断裂边缘轮廓的总特征值f＝{f1,f2,
…
,f
i
,
…
,f
n
}；
[0024](2.8)对三维碎片断裂边缘轮廓进行等距采样，同时使用当前位置所在断裂边缘子片段所对应的总特征值为采样点进行赋值，得到断裂边缘轮廓的一维特征串形式，C
f
＝{f1,
…
,f1,f2,
…
,f2,
…
,f
i
,
…
,f
i
,
…
,f
n
,
…
,f
n
}。
[0025]优选地，步骤三的具体操作为：将两个待拼接碎片设定为一组碎片组，提取碎片组的两个断裂边缘轮廓的一维特征串形式，通过遍历采样点对齐算法，以动态比较匹配的方式计算当前时刻对应采样点间的特征差值；
[0026]计算两匹配段间特征差值的极值，取极值的二分之一记为特征阈值参数，若某一时刻的特征差值连续小于阈值的长度最大，则标记该时刻为最佳匹配时刻，同时获取最佳匹配段的坐标信息；若所得的最佳匹配段的长度小于四个采样点，则标记该碎片组之间不存在可匹配片段，删除该碎片组；对于得到的最佳匹配段，计算两组集合间的特征差值，得到特征差值平均值，该特征差值平均值为最佳匹配段的特征差值函数。
[0027]优选地，步骤四的具体操作为：对于一个碎片组，根据步骤三得到的最佳匹配段，调用其首尾两点及之间的第k个点，其中，k＝2,3,
……
,p-1，p为匹配段包含边缘顶点的个
数，按照拼合后豪斯多夫距离最小进行k值的选取；联合三个点形成平面，利用罗德里格旋转公式得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于边缘量化与进化计算的三维碎片拼接重构方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，预处理阶段，对于三维扫描仪所获取到的碎片点云模型，将其转化为STL格式，通过基于STL格式的孔洞搜寻算法得到孔洞顶点，按照拓扑结构进行搜索，得到三维碎片断裂边缘轮廓；步骤二，特征提取阶段，基于曲率半径向量，对步骤一得到的三维碎片断裂边缘轮廓进行多特征提取，之后进行等距采样和特征赋值，得到一维特征串形式；步骤三，匹配段寻找阶段，任意选取一个碎片组并进行编号，基于步骤二得到的一维特征串形式，通过遍历采样点对齐算法，以动态比较匹配的方式计算某一时刻对应采样点间的特征差值，同时计算特征差值的极值作为特征阈值参数，进行最佳匹配段的寻找，得到以特征差值平均值作为匹配段的特征差值函数；步骤四，碎片组拼接阶段，基于步骤三得到的碎片组的最佳匹配段，得到待拼合目标间的几何关系，通过粗旋转和校准旋转进行几何变换，使整体碎片模型依据匹配段的贴合而拼接对齐，拼接完成后记录碎片对之间的豪斯多夫距离；步骤五，拼接度量阶段，针对两个拼接对齐后的碎片，通过球体空间点共存检测算法确定来自两个碎片上的三维碎片断裂边缘顶点集合之间的小区域共存个数，得到度量碎片组拼接优劣的拼接贴合度；步骤六，信息整合阶段，建立碎片组拼接数据库，碎片组拼接数据库中包含内容：碎片组编号、特征阈值参数、特征差值函数、豪斯多夫距离和拼接贴合度；步骤七，全局最优解寻找阶段，根据步骤六的碎片组拼接数据库，通过进化计算建立种群，以“优胜劣汰”的方式基于全局寻找适应度最高的全局最优匹配方案；步骤八，最终拼接阶段，根据步骤七的全局最优匹配方案，从步骤六的碎片组拼接数据库中选择出对应的碎片组依次进行拼接，完成三维碎片的拼接重构。2.根据权利要求1所述的三维碎片拼接重构方法，其特征在于，步骤一的具体操作为：利用STL格式的共顶点原则，通过基于STL格式的孔洞搜寻算法得到孔洞顶点，并按照拓扑结构逐一向下搜索，得到连续且封闭的三维碎片断裂边缘顶点集合，该三维碎片断裂边缘顶点集合为三维碎片断裂边缘轮廓。3.根据权利要求1所述的三维碎片拼接重构方法，其特征在于，步骤二的具体操作包括：(2.1)对于步骤一得到的三维碎片断裂边缘轮廓，从第一个顶点逐一向下遍历；(2.2)对当前位置顶点，同时按拓扑顺序提取出其前后两个顶点，共组成一个3
×
3的矩阵，矩阵中每一行代表一个顶点在三维空间中的位置坐标；(2.3)对于三个顶点所形成的三角形，借助顶点位置信息，通过联立解方程组的方法建立三角形外接圆，从当前位置顶点指向该外接圆圆心的向量即为曲率半径向量；(2.4)对于遍历到的每一个顶点重复步骤(2.2)和(2.3)，提取出每一个定点对应的曲率半径向量，得到该断裂边缘所对应的一组曲率半径向量集合(2.5)基于曲率半径向量集合计算模长，得到能够反映断裂边缘几何结构的初级特征，r＝{r1,r2,
…
,r
i
,
…
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}；
(2.6)基于曲率半径向量集合，从第一个向量开始，逐一计算其下一个相邻向量与当前向量之间的变化，并通过模值对该变化进行具象表征，得到能够反映断裂边缘轮廓变化趋势的深度特征，r
Δ
＝{r
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…
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}；(2.8)对三维碎片断裂边缘轮廓进行等距采样，同时使用当前位置所在断裂边缘子片段所对应的总特征值为采样点进行赋值，得到断裂边缘轮廓的一维特征串形式，C
f
＝{f1,
…
,f1,f2,
…
,f2,
…
,f
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,
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李婉，党悦晨，周强，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：