基于色彩向量的藏式傳統建筑外觀數字特征提取

董建民 李麗寧

摘要：針對藏式傳統建筑色彩藝術分析中以定性分析為主、缺少定量分析的問題，首先介紹了視覺可分函數、色彩可分度、色彩特征張成空間等相關定義，然后給出了以簡單集合運算為主要理論依據的藏式傳統建筑中色彩特征張成空間的生成方法，將其結果作為藏式傳統建筑彩色特征的主要表現形式，最后將數碼照片和彩色點云作為驗證數據集，利用Matlab編程實現。實驗結果證明了該方法的正確性與有效性，而且與已有的定性分析結果一致。

關鍵詞：色彩向量；藏式傳統建筑；數字特征；色彩張成可分空間

DOI：10.11907/rjdk.181555

中圖分類號：TP317.4

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0219-04

Abstract：ThisarticleisfocusedonthequalitativeanalysisinthecolorartanalysisofTibetantraditionalarchitecture（TTA）whichislackofquantitativeanalysis，thedefinitionsofvisualdistinguishablefunction，colordistinguishablelevelandcolorvectorspandistinguishablespace（CVSDS）areintroducedfirstly，methodforCVSSisputforwardbythesedefinitionsandsimplesetoperationaboutTibetantraditionalarchitecture，whichisusedasthemainmanifestationofthecolorfeaturesoftheTTA.Finally，numericaltestsareimplementedwiththedigitalimagesandcolorpointcloudsbeingtheinputeddatasetbyMatlabprogramming.Theexperimentsareprovedthatthemethodissimple，accurateandeffective，anditagreeswiththeworksoftheexistingqualitativeanalysis.

KeyWords：colorvector；Tibetantraditionalarchitecture；digitalfeature；colorvectorspandistinguishablespace

0引言

我國藏區民眾由于長年生活在雪域高原，藍天、白云、森林、草原等大自然的色彩都啟發了他們對色彩的運用，從而形成了與眾不同的色彩審美藝術。自然崇拜與原始信仰的深遠影響，在藏式傳統建筑中被歷代藏族人民發揮得淋漓盡致，從而造就了藏民族獨特的建筑形式及其外觀裝飾風格，同時也是藏民族歷史發展進程中創造的特殊地域文化、民族傳統心理審美特征的集中反映。在藏式建筑整體裝飾中，習慣大面積使用對比強烈、明度和純度高的顏色，如最常用的白、藍、紅、黃、綠等顏色。白色主要用于墻面，黑色用于門窗，紅色用在屋檐、外墻等部位[1-3]。這些顏色在長期的民俗文化和宗教傳統中被賦予了不同象征意義，例如：白色象征純潔，黃色象征脫俗，紅色象征庇護，黑色象征驅邪，金色象征高貴。這些明亮、質樸、純凈、艷麗的色彩從整體上塑造了傳統藏式建筑莊嚴而又熱烈的形象。藏式建筑通常以一到兩種顏色為主色調，多為白色、紅色，其它顏色由主色調衍生而來，以求達到色調的和諧。外墻色彩主要分為兩種：白色和紅色，這兩種顏色組合色彩對比強烈、飽和度鮮明。其中白色用法較為普遍，無論是宮殿、寺廟還是民居，通常墻體都用白色涂料粉刷，紅色用法則較為嚴格，主要用在寺廟中[4-5]。白色、絳紅的組合搭配，大面積地出現在藏式建筑裝飾中，所體現的民族性是顯而易見的。此外，藏式建筑中還有一定數量的金黃色建筑，金色的使用和金頂（金瓦屋頂俗稱“金頂”）的建造有明文規定，只有等級高、富裕、有權勢的寺院或皇族才有資格使用，如布達拉宮。金頂是加蓋在寺院主殿、王宮頂部的特制金屬頂瓦，是一種豪華的建筑裝飾。金色裝飾讓建筑顯得富麗堂皇、巍峨壯觀、氣勢宏偉。金頂面積的大小是象征政教權勢、貧富貴賤的重要標志。因此不難發現，藏式建筑的外部裝飾都采用基本相同的色彩，即利用白、藏紅、金黃三色組合作為建筑裝飾色[6-8]。

對藏式建筑室外色彩的研究與分析目前主要以宗教文化為切入點。從研究方法上看，目前還停留在基本的外在視覺觀察和人為主觀分析階段；從研究數據的運用上看，基本上是針對一類建筑或其局部的外在色彩進行分析研究，已有的研究成果基本上是定性結論。隨著多維數據分析理論和方法的發展，利用多維數據分析理論對藏式建筑室外色彩進行分析也成為了可能。多維數據分析通常利用已知的特征提取算法提取研究對象數據特征，然后對數據特征進行處理，其過程往往借助于數據挖掘和知識發現等算法，最后得出相關結論。從目前對傳統藏式建筑外部色彩特征的研究結果看，尚缺少利用多維數據分析理論進行分析的結果，且大部分僅是對分析對象特征進行的前期調研與初步定性總結，缺少抽取其自身色彩數字特征，經相關算法處理后得到的結果[9-13]。

色彩的數字特征與其所在顏色空間密不可分。從目前已有的顏色模型看，主要分為RGB、HSV、HSI、CMY等模型；從目前主要數碼產品的應用看，以RGB顏色模型為主流。RGB顏色空間采用一個單位長度的立方體表示顏色，黑藍綠青紅紫黃白8種常見顏色分別位于立方體8個頂點，通常將黑色置于三位直角坐標系的原點，紅綠藍分別置于3根坐標軸上。各參數的量化取值范圍為：R取0～255；G取0～255；B取0～255。參數值也稱為三色系數、基色系數、顏色值或顏色深度，除以255后歸一到0～1之間，量化后得到有限個數值。因此，紅綠藍分量全部組合起來共表示16777216種不同顏色；從電子器件的應用廣度與范圍看，RGB顏色空間模型的應用范圍更廣，在常見的數據采集中占據主導地位。HSV、HSI兩個顏色空間是為了更好地適應人類視覺感知而提出的，而CMY則是工業印刷采用的顏色模型；從理論角度看，這些顏色模型都可通過相關數學方法加以轉換，從而在視覺表達上趨于一致[14-20]。但由于在不同色彩模型的轉化中往往存在舍入誤差，在分析研究對象色彩特征時，通常直接利用自身定義的顏色模型采樣數據進行分析與處理，以盡量避免由于顏色模型數據轉換帶來的分析偏差，特別是對于那些對數據比較敏感的方法。

在藏式傳統建筑的分析研究中，研究者基本還停留在定性分析基礎上，特別是對其外觀顏色的定性分析已被人們廣泛接受，但從數據分析的角度看，定性分析難以滿足人們對藏式建筑的分析研究需求；從研究的難易程度看，目前僅有對其外觀色彩的量化分析等相對簡單的分析方法；另外從人的視角看，能夠分辨和接受的顏色信息難以通過目前的RGB顏色模型進行描述與分析，特別是對于某種單色的分析往往具有一定主觀性。本文針對該問題構建量化分析理論與方法，以采集數據庫中藏式建筑的數碼圖像及以三維掃描原理為基礎的彩色點云數據為驗證依據，給出相應分析結果，繪制出其在RGB模型中的對應顏色。

1相關理論

實際上，滿足這種條件的函數是存在的，從數學意義上看，該函數應該是可測函數的一個子空間。最常見的就是在笛卡爾空間中，歸一化后兩個向量的內積函數則滿足上述要求。因此，所有由該函數值作為自變量的一元初等函數都可作為視覺可分函數。此類函數在實際研究中往往刻畫的是系統對視覺中同一種色彩在不同亮度下的數據敏感性。

通過以上定義，顯然色彩可分度嚴格依賴于可分指標和視覺可分度函數，從該函數的定義看，基本符合人的視覺系統對顏色的認知過程。

定義3色彩特征張成空間：設C1，C2，…，Cn為給定視覺函數和視覺可分度指標量化后的彩色向量集，稱由C1，C2，…，Cn張成的空間P為色彩特征張成空間。換言之，對于任意指標可分的色彩C，都存在某一非零數k和指標i，使得C=kCi，稱k為色彩C在該色彩可分空間的參考系數，Ci為C在該色彩特征張成空間的原色。如果C1，C2，…，Cn是有限的，則稱C1，C2，…，Cn形成分析對象的色彩特征張成空間。

從色彩特征張成空間的定義看，其不同于一般數學意義下的線性空間，也不同于顏色量化的顏色空間，因為如果C是具有3個分量的向量，顯然按照一般線性空間的定義，必然是三維線性空間，具有3個標準基底，而根據之前定義，顏色可分空間的相應原色顯然超過了三原色。然而，從藏式建筑的室外裝飾色彩研究及建筑藝術的角度看，利用已有的色彩量化數據，根據上述相關定義和理論，確定其在視覺可分函數及指標的色彩特征張成空間，對于研究藏式建筑特色、建筑風格、藝術體系等有著重要意義，同時對已有藏式傳統建筑的人工色彩修復乃至數字修復具有重要的指導意義。

2色彩特征張成空間確定方法

3數據收集與整理

藏式傳統建筑的室外色彩數據采集是本文算法的一個基本出發點，從目前已有的數據采集方式看，主要分為兩大類：一類是以攝影為基礎的數據采集方法，包括利用普通數碼相機進行人工拍照，以及利用搭載攝影器材的小型無人機系統進行拍攝等，其得到的最終數據形式往往是一系列規格統一的數碼照片或設定解析度的視頻數據，實際上視頻數據也可被分解成若干有限幀的圖像數據；另一類是利用以激光雷達技術原理集成的系統進行數據采集，包括靜態彩色激光掃描儀、車載激光掃描儀、車載雷達掃描儀以及近地機載雷達掃描儀等，此類儀器往往得到的是一批彩色點云數據，但由于其成本相對較高，目前應用還較為有限。本文將分別采用兩種不同數據采集方式驗證色彩特征張成空間生成方法，一是采用定焦數碼相機人工拍照得到一系列規格統一的數碼照片數據集，二是通過掃描得到大量彩色點云數據。

4數值實驗

本文采用的數據是利用佳能600D數碼相機在85mm定焦鏡頭下拍攝的5000多張藏式傳統建筑數碼照片，并在6個藏式傳統建筑點云數據基礎上，利用Matlab2013b，在ThinkStationT500的RAM32GB志強E1605工作站上編程運行。其中，色彩區分度L=0.005，視覺可分度函數f（x，y）取歸一化后的向量內積函數。圖1-圖3為數碼照片數據集程序運行結果，其左側為原始數字圖像，右側是其對應的色彩特征張成空間，其均含有藏式建筑色彩以外的顏色，因而驗證了本文算法的正確性；圖4為利用天寶TX5彩色激光掃描儀掃描6站所得的含有2026116個彩色點云數據集的程序運行結果；圖5是圖3、圖4兩組運行結果色彩特征張成空間的交集，需注意圖5最底層為白色（彩圖見封二）。

5結語

本文通過引入視覺可分函數及可分度的相關理論，設計了以提取數據集自身特征為基礎的色彩特征張成空間生成方法，利用Matlab進行編程，分別將單張數碼照片、多張數碼照片數據集以及彩色點云數據作為系統輸入，得到其對應的色彩特征張成空間，從而證明了算法的正確性和有效性。同時對兩組輸入結果進行集合交運算，得到其共同結果，并通過實驗證明了藏紅、金黃、白色等顏色為藏式傳統建筑的鮮明特征，與已有的定性分析結果一致。同時，由于本文的數碼照片數據含有建筑之外的諸如藍天、綠色植被等顏色，其更精確的計算需分割圖像數據后再進行處理。從算法的軟件實現看，今后如何提高軟件在執行時的并行能力是減少運算時間的有效途徑之一。同時在實驗過程中發現，在采集數據、拍攝對象全景數碼照片以及掃描三維彩色點云數據時，需盡量減少外界環境的影響，這也是提高算法準確度的根本途徑。在實驗中還發現拍攝同一種色彩圖像時，環境光和其表面反射會影響算法執行結果，該問題尚有待進一步分析。

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