文物虚拟复原关键技术研究 以秦始皇兵马俑为例

本书选取秦始皇兵马俑为典型案例，探讨“一带一路”沿线文物可以采取的虚拟复原技术。作为国家自然科学基金项目、陕西省社会科学重大理论与现实问题研究项目，本书重点讨论“一带一路”沿线文物的数字化保护方案，针对以兵马俑为代表的刚体文物碎块确定三维数据模型，采取基于断裂面上多特征的碎块匹配方法，将相邻碎块进行匹配拼接，从而实现文物的虚拟复原，以此对“一带一路”沿线文物的虚拟复原进行技术可能性的探讨。

作者赵夫群，女，博士，西安财经大学副教授、硕士研究生导师，中国（西安）丝绸之路研究院副研究员，主要从事丝绸之路沿线文物保护研究和文物虚拟复原等方面的研究工作。参与完成国家自然科学基金项目2项，主持省级科研项目4项、厅局级项目多项；发表科研论文60余篇，获得陕西省高等学校科学技术奖1项、授权专利7项。

   第一章 文物虚拟复原概述 7

1.1 引言 7

1.2 文物虚拟复原的背景 7

1.3 文物虚拟复原的流程 9

1.4 文物虚拟复原的研究现状 10

1.4.1 碎块分类研究现状 11

1.4.2 外表面分割研究现状 15

1.4.3 碎块匹配研究现状 17

1.5 文物虚拟复原的意义 19

1.6 研究内容和创新点 20

1.6.1 研究内容 20

1.6.2 创新点 21

1.7 本章小结 22

第二章 文物碎块数据模型获取和预处理 23

2.1 引言 23

2.2 碎块数据模型获取 23

2.3 碎块模型的特点 25

2.4 模型预处理 27

2.4.1 模型去噪 27

2.4.2 模型简化 28

2.4.3 孔洞修补 30

2.5 本章小结 31

第三章 几何特征保持的文物点云去噪 33

3.1 引言 33

3.2 基于栅格的大尺度噪声删除 34

3.2.1 栅格划分 34

3.2.2 大尺度噪声删除 35

3.3 基于特征加权FCM的小尺度噪声删除 36

3.3.1 FCM算法 36

3.2.2 特征加权FCM算法 37

3.4 本章去噪方法的步骤 38

3.5 实验结果与分析 39

3.6 本章小结 41

第四章 基于几何属性和k-D树的碎块配准 43

4.1 引言 43

4.2 基于法矢和曲率的点云粗配准 44

4.2.1 计算法矢和曲率 44

4.2.2 检测配准点对 45

4.2.3 度量相似性 46

4.2.4 剔除错配点对 46

4.3 基于k-D tree的精配准 48

4.4 本章配准方法的步骤 48

4.5 实验结果与分析 49

4.5 本章小结 51

第五章 基于显著区域和二维形状特征的碎块分类 53

5.1 引言 53

5.2 基于显著区域的粗分类 54

5.2.1 显著区域特征提取 54

5.2.2 碎块粗分类 56

5.3 基于二维形状的细分类 57

5.4 本章分类方法的步骤 58

5.5 实验结果与分析 58

5.5.1 公共点云分类 58

5.5.2 文物碎块点云分类 60

5.6 本章小结 63

第六章 基于分割线的断裂面提取 65

6.1 引言 65

6.2 分割线构造 65

6.2.1 分割特征点提取 65

6.2.2 封闭分割线生成 67

6.3 断裂面识别 69

6.4 本章断裂面提取方法的步骤 70

6.5 实验结果与分析 71

6.6 本章小结 72

第七章 基于ISS特征点的断裂面匹配 75

7.1 引言 75

7.2 邻域半径约束的ISS特征点提取 76

7.3 基于ISS特征点的粗匹配 77

7.4 基于尺度ICP的精匹配 78

7.5 本章匹配方法的步骤 80

7.6 实验结果与分析 81

7.6.1 两个碎块的匹配 82

7.6.2 多个碎块的整体拼合 84

7.7 本章小结 88

第八章 特征区域和多参数ICP结合的断裂面匹配 89

8.1 引言 89

8.2 基于凹凸性判断的特征区域提取 89

8.3 基于特征区域相似性判断的粗匹配 90

8.4 多参数ICP的断裂面精匹配 92

8.4.1 ICP算法 92

8.4.2多参数 ICP算法 93

8.5 本章匹配方法的步骤 98

8.6 实验结果与分析 99

8.6.1 两个碎块的匹配 99

8.6.2 多个碎块的整体拼合 102

8.7 本章小结 105

第九章 基于2D图像特征的断裂面匹配 107

9.1 引言 107

9.2 基于区域层次的粗匹配 108

9.2.1 区域划分 108

9.2.2 基于4PCS的区域匹配 109

9.3 3D点云的BA图像表达 110

9.4 3D变换矩阵求解 111

9.5 本章匹配方法的步骤 112

9.6 实验结果与分析 113

9.6.1 公共数据模型配准 113

9.6.2 两个碎块的匹配 116

9.6.3 多个碎块的整体拼合 119

9.7 本章小结 120

第十章 基于IDSC和SVD的断裂面匹配 121

10.1 引言 121

10.2 基IDSC的断裂面粗匹配 122

10.2.1 基于IDSC的图像匹配 122

10.2.2 点云刚体变换求解 123

10.3 基于SVD的精匹配 124

10.4 本章匹配方法的步骤 126

10.5 实验结果与分析 126

10.5.1 不同类型的点云配准 127

10.5.2 两个碎块的匹配 129

10.5 本章小结 131

第十一章 多特征融合的断裂面匹配 133

11.1 引言 133

11.2 基于双层边界区域生长的轮廓线提取 134

11.3 基于轮廓线的粗匹配 134

11.3.1 轮廓线曲率和挠率的计算 134

11.3.2 轮廓线特征串的匹配 136

11.4 多特征提取与融合 137

11.4.1 几何特征计算 137

11.4.2 特征参数融合 139

11.5 多特征融合的断裂面精匹配 140

11.6 实验结果与分析 142

11.6.1 两个碎块的匹配 142

11.6.2 多个碎块的整体拼合 146

11.7 本章小结 147

第十二章 研究总结与展望 149

12.1 研究总结 149

12.2 发展展望 151

参考文献 145