形狀匹配方法在文化遺產數字化中的應用研究

蘇惠明 西安外事學院

形狀匹配是計算機視覺領域的核心問題之一，是一個融合了圖像處理、模式識別、人工智能等不同領域的經典方法，在目標識別、圖像檢索、醫學圖像分析、人臉檢測等領域得到了廣泛應用。盡管已經被研究了幾十年，但近年來隨著人工智能和計算機視覺等技術的突破性發展，國際上對形狀匹配方法的研究仍十分活躍，每年在國際頂級期刊和會議上都有不少關于形狀匹配的文章發表。同時，絲綢之路經濟帶的建設成為目前我國關注的重點問題之一，而文化遺產數字化是絲綢之路經濟帶建設中文化遺產保護領域的研究熱點。因此，形狀匹配既是計算機視覺的核心問題之一，也是文化遺產數字化過程中文物虛擬、復原和建模的重要問題。

1.形狀匹配方法綜述

形狀匹配是按照一定的準則來衡量形狀間的相似程度。兩個形狀間的匹配結果一般用一個數值來表示，稱為形狀相似度[1]。形狀匹配方法主要分為計算各種變換下的不變量差值和尋找目標形狀和模型間的局部對應關系并使匹配誤差最小兩大類[2]。一般來講，形狀匹配需要經過對二值形狀的表示、對形狀特征的匹配和對相似度判斷的度量學習三個階段。在形狀表示方法中，有經典的諸如基于輪廓邊界點集的表示方法、基于輪廓區域的表示方法、基于多尺度理論的表示方法、基于骨架的形狀表示方法等；對形狀特征的匹配更多轉化為對輪廓點集順序關系的研究，并取得了一些進展；度量學習更多應用于形狀檢索，但同時也可以對不同方法的匹配性能做出比較。近年來，一些研究更多擴展到諸如三維形狀的二維表示、形狀識別和分類、局部和復雜場景下的形狀匹配等領域。

2.文化遺產數字化技術綜述

我國是文化遺產大國，但是隨著歷史變遷和種種因素，文化遺產保護面臨著嚴峻挑戰?，F代化的數字保護關鍵技術可以對文化遺產進行針對性的修復和保護[3]。數字化技術用于文化遺產數字化方面主要包括數字化保護技術，包括用于對文物進行建模和遺址遺存的場景建模的三維建模技術、對文物虛擬拼接和修復的匹配技術、對三維模型的管理技術和數字化手段的展示技術等。利用三維激光掃描儀建模具有速度快、精度高等特點，包括以序列圖為基礎的建模和已深度圖像為基礎的建模等方法；文物虛擬修復技術主要利用鄰接碎片的線、面等幾何特征進行初匹配和精準匹配等過程，實現對文物的虛擬修復并對文物的實際修復工作進行幫助和指導；而隨著三維模型技術的發展，針對點云數據的點云獲取、點云處理、點云表示和點云重構等方法層出不窮，成為點云驅動的計算機圖形學在文物數字化方面的重要技術。同時，三維模型的管理、分類和檢索等技術也得以取得了巨大進步；而虛擬現實和增強現實等技術的快速發展和應用[4]，使得文化遺產在數字化展示方面得到更多、更好和更真實的展示，在更好的傳承和弘揚悠久歷史的同時，也促進了文化遺產數字化技術的進一步發展。

3.形狀匹配方法用于文化遺產數字化

將形狀匹配方法用于文化遺產數字化具有巨大的優勢和重要的意義。在建模階段，通過結構三維掃描儀，可以對文物和遺址遺存進行三維幾何信息和紋理信息的采集，并進一步利用模型簡化、去噪和圖像融合等技術實現對象的三維建模。在文物虛擬修復階段，如果文物碎片之間存在公共特征曲面或者曲線，及可以利用特征線提取、輪廓提取或骨架提取等技術實現碎片的匹配和修復；如果文物碎片間不存在鄰接關系，則可以通過模板匹配等方法進行虛擬修復。在展示階段，由于虛擬現實技術具有的網絡化、交互性和高效率等特點，可以通過視覺、聽覺、觸覺等手段實現人與機器的實時互動，從而產生身臨其境的感覺，更好的展示其文化內涵。

[1]周瑜,劉俊濤,白翔.形狀匹配方法研究與展望[J].自動化學報,2012, 38(6)：889-910.

[2]Ding X F, Wu H, Zhang H J, et al. Review on shape matching.[J].自動化學報, 2001, 27(5)：678-694

[3]黃永林, 談國新. 中國非物質文化遺產數字化保護與開發研究[J].華中師范大學學報(人文社會科學版), 2012, 51(2)：49-55

[4]秦境澤.文化遺產數字化保護問題研究[D]. 蘭州大學, 2012