計(jì)算機(jī)拼接甲骨碎片圖像技術(shù)簡(jiǎn)論

張 展，高 峰，劉成林

(1.安陽(yáng)師范學(xué)院, 甲骨文信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 安陽(yáng) 455000;2.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所, 模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

引言

對(duì)于甲骨人工拼接，甲骨學(xué)者提出了不同的方法：鄭慧生等在《甲骨綴合八法小議—<甲骨文合集>綴合筆記》提到8法[1]。白玉崢等在《讀甲骨綴合新編暨補(bǔ)編略論甲骨綴合》中提出5法[1]。黃天樹等歸納總結(jié)了4法[2,3]，根據(jù)字體、殘字、碴口、同文等信息拼接甲骨。以上皆是甲骨學(xué)專家提出的人工拼接甲骨的方法，為計(jì)算機(jī)拼接甲骨提供了思路。

一、計(jì)算機(jī)拼接方法

1.1 編碼數(shù)字化拼接法

如圖1所示，根據(jù)龜甲的生理結(jié)構(gòu)[4]，周鴻翔等將龜甲分為左右對(duì)稱的兩部分，每部分分為首甲、前甲、后甲和尾甲，中甲C。首甲、尾甲細(xì)分為3個(gè)部分，前甲和后甲細(xì)分為4個(gè)部分，用于編碼甲骨字出現(xiàn)的位置。甲骨的尺寸被分為小、中和大3種。文字被分為非常細(xì)、正常和像頭發(fā)3種。依次根據(jù)甲骨碎片在乙編中的編號(hào)、甲骨碎片在烏龜生理的位置、甲骨的尺寸、甲骨刻畫文字的字體、以及甲骨碎片上刻畫的位置等信息，對(duì)甲骨碎片進(jìn)行編碼。童恩正等增加了用于編碼的甲骨信息，并進(jìn)行甲骨編碼拼接數(shù)字化[5]，此處的數(shù)字化改進(jìn)了編碼拼接方法。其采用的編碼信息有6項(xiàng)，包括時(shí)代、字跡、骨板、碎片、卜辭和邊緣等。根據(jù)確定碎片屬于哪一部分，可以參考甲骨的邊緣、紋理、卜辭走向、卜辭等確定拼接規(guī)則。

圖1 甲骨碎片信息編碼

1.2 邊角拼接法

文獻(xiàn)《如何利用電腦影像處理技術(shù)整理甲骨拓片重片》中，將二維的封閉圖形放大、旋轉(zhuǎn)、平移后產(chǎn)生一個(gè)一維的特征值，盡量準(zhǔn)確地描述圖形的物理特征，以便分類，從而找出重片。該論文首次采用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)處理甲骨片，其本質(zhì)是比較圖像，不是進(jìn)行甲骨的計(jì)算機(jī)拼接，但對(duì)甲骨拼接有借鑒意義。

臺(tái)灣清華大學(xué)林雅婷等[6, 10]，提出邊緣長(zhǎng)度比值法。其關(guān)鍵技術(shù)路線是：甲骨邊緣提取、邊緣向量化和多邊形調(diào)整等預(yù)處理技術(shù)，向量化的特征依序?qū)⒏鼽c(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)和所屬輪廓線編號(hào)分列存成文字檔。在甲骨彩色圖像拼接時(shí)，提出基于邊緣凹角與凸角的拼接技術(shù)，具體包括單一角的比較、連續(xù)多角的比較、以及三個(gè)角綜合360度三種情況。

具體的思路如圖2所示，為計(jì)算機(jī)拼接甲骨碎片三種情況的思路。在邊角近似相同的情況下，如圖2a中，計(jì)算擬拼接甲骨碎片圖像兩邊線段的比值，若比值的平方和約等于2，則認(rèn)為兩者可以拼接；如圖2c中連續(xù)的角的邊的比值平方和約等于邊的個(gè)數(shù)；如圖2e中，360度角相應(yīng)邊的比值平方和約等于3。此處的比值平方和，被稱為拼接得分，對(duì)應(yīng)的比例分別如下公式1、公式2和公式3所示。

圖2 凹凸角拼接

公式(1)

公式(2)

公式(3)

1.3 邊緣特征拼接法

劉永革等[7]根據(jù)提取甲骨拓片圖像輪廓的序列點(diǎn)，每三個(gè)近鄰序列點(diǎn)連線構(gòu)成向量的夾角角度，并在多尺度的情況下，計(jì)算輪廓序列點(diǎn)連線組成的角度序列，將此角度序列作為甲骨碎片拓片圖像特征，據(jù)此進(jìn)行甲骨碎片拓片圖像匹配。如果某一尺度下，源輪廓角度特征序列的第i個(gè)角度與目標(biāo)輪廓角度序列特征的第j個(gè)角度，滿足公式(4)，則認(rèn)為兩者在此尺度下匹配。

|aiT-bjT|<ε

公式(4)

王愛民等對(duì)甲骨圖像二值化后，跟蹤甲骨圖像輪廓結(jié)合輪廓旋轉(zhuǎn)角度，提取輪廓鏈碼、傅里葉描述子等特征，并計(jì)算待拼接輪廓特征向量Fs與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征向量Fd的歐氏距離，若此距離小于閾值則認(rèn)為兩者可能拼接。因?yàn)檫x定閾值困難，所以計(jì)算兩向量的相似度作為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，如公式(5)所示：

公式(5)

1.4 形狀拼接法

張長(zhǎng)青等根據(jù)甲骨圖像邊界匹配等，進(jìn)行甲骨拼接[8, 9]。主要技術(shù)包括邊界增補(bǔ)、邊界提取等。在拼接形狀時(shí)，把源邊界平移與旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)邊界上，將邊界匹配長(zhǎng)度與匹配邊界縫隙面積比值作為相似度s的計(jì)算，并定義了匹配度Sm，如公式(6)和公式(7)所示，選取最大匹配相似度對(duì)應(yīng)的匹配邊界對(duì)應(yīng)的甲骨，作為可拼接甲骨碎片。

公式(6)

Sm=a*s +(1-a)*s

公式(7)

二、邊緣坐標(biāo)拼接方法

為了有效拼接甲骨碎片圖像，本文提出兩種甲骨圖像拼接方法：等像素拼接法和等距離拼接法。如圖3所示，粉紅曲線是乙編3337號(hào)甲骨拓片圖像邊緣(與水平直線相交的曲線)，即源甲骨碎片圖像邊緣，綠色曲線是乙編2556號(hào)甲骨拓片圖像邊緣，即目標(biāo)甲骨碎片圖像邊緣。

圖3 兩種算法的步長(zhǎng)

針對(duì)甲骨碎片圖像邊緣坐標(biāo)匹配，提出等像素拼接和等距離拼接兩種方法。等像素拼接方法，如圖3a所示，將源甲骨碎片圖像邊緣的一段，旋轉(zhuǎn)平移到目標(biāo)甲骨碎片圖像邊緣的位置，每隔固定數(shù)目的像素采樣一個(gè)像素點(diǎn)(紅色點(diǎn))，計(jì)算此段采樣點(diǎn)與目標(biāo)甲骨碎片圖像邊緣相應(yīng)采樣點(diǎn)的距離和，并作為不相似度，將不相似度小于閾值的甲骨碎片圖像組，作為邊緣坐標(biāo)匹配甲骨碎片圖像，如公式(8)所示，Sj是粉紅采樣點(diǎn)，Di是綠色采樣點(diǎn)，Sdi是等像素拼接算法采樣點(diǎn)距離和。等距離拼接方法，如圖3b所示，在源甲骨碎片圖像邊緣旋轉(zhuǎn)平移到目標(biāo)甲骨碎片圖像邊緣后，使用半徑依次等距離增加的圓形，將甲骨碎片圖像邊緣分多個(gè)小段進(jìn)行采樣，計(jì)算源甲骨碎片圖像與目標(biāo)甲骨碎片圖像邊緣采樣點(diǎn)之間的距離和，作為不相似度處理，如公式(9)所示，SRj是粉紅采樣點(diǎn)，DRi是綠色采樣點(diǎn)，SdRi是等距離拼接算法采樣點(diǎn)的距離和。等像素拼接法的計(jì)算量小，等距離拼接法的適應(yīng)性好。

公式(8)

公式(9)

三、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用Windows平臺(tái)，VS2017開發(fā)環(huán)境，OpenCV圖像處理函數(shù)庫(kù)。實(shí)驗(yàn)使用中歷藏1920幅圖像庫(kù)。打開797號(hào)甲骨圖像，提取甲骨邊緣，選擇甲骨邊緣的一部分，讓程序搜索從1到1920號(hào)甲骨拓片圖像的匹配邊緣，并保存搜索到的滿足閾值的圖像。

如圖4舉例說明甲骨碎片圖像邊緣等距離拼接法，圖4a左側(cè)為社科院歷史所編號(hào)為797號(hào)甲骨，圖4a右側(cè)為社科院歷史所編號(hào)為799號(hào)甲骨，左側(cè)甲骨局部邊緣(綠色曲線)旋轉(zhuǎn)平移到右側(cè)甲骨局部邊緣后，計(jì)算兩甲骨對(duì)應(yīng)局部邊緣(紅色平行線之間)采樣點(diǎn)坐標(biāo)的距離和，若滿足設(shè)定閾值，則保存下來，作為邊緣坐標(biāo)匹配甲骨碎片圖像。甲骨碎片圖像邊緣坐標(biāo)拼接時(shí)，甲骨拓片圖像比甲骨彩色圖像邊緣坐標(biāo)拼接更加準(zhǔn)確，因?yàn)榧坠峭仄瑘D像的邊緣更加清晰(圖4b所示)，而甲骨彩圖往往會(huì)拍攝到甲骨碎片斷口(圖4a右圖)，但是甲骨拓片在甲骨盾紋部分呈白色，提取其邊緣會(huì)有偏差(圖4b右圖粉紅色輪廓)，甲骨碎片圖像邊緣等距離拼接法就是為了解決這兩個(gè)問題。

圖4 中歷藏797與799號(hào)的甲骨拼接

如圖5所示，使用本文算法發(fā)現(xiàn)的可拼接被認(rèn)證的第一組甲骨圖像，中歷藏1003號(hào)與1242號(hào)甲骨。

圖5 中歷藏1003與1242號(hào)甲骨綴合

四、小結(jié)

計(jì)算機(jī)拼接甲骨圖像的前期，使用的編碼拼接法、數(shù)字化拼接法，大多需要甲骨專家事先統(tǒng)計(jì)甲骨的位置，字?jǐn)?shù)等信息，并且正確率不夠高，這兩種方法雖然沒有使用數(shù)字圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺，但使用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行甲骨拼接，對(duì)后來的甲骨碎片圖像拼接具有參考意義。