文化遺產(chǎn)建筑虛擬色彩修復(fù)技術(shù)運(yùn)用

鄧 焱，曾慶亮

(廣州航海學(xué)院，廣東 廣州 510725)

文化遺產(chǎn)建筑是當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)匚覈?guó)建筑和藝術(shù)水平的象征，為歷史研究和人文研究提供了大量珍貴素材。在歷史更迭進(jìn)程中，我國(guó)文化遺產(chǎn)建筑的數(shù)量正在不斷減少，現(xiàn)存的文化遺產(chǎn)建筑遺址又幾乎都存在不同程度的破壞，對(duì)其修復(fù)迫在眉睫又意義深遠(yuǎn)。傳統(tǒng)的文化遺產(chǎn)建筑色彩修復(fù)工作多是人工直接對(duì)建筑實(shí)體進(jìn)行操作，存在失誤風(fēng)險(xiǎn)，稍有不慎會(huì)加劇損壞。虛擬色彩修復(fù)與人工直接修復(fù)相比，優(yōu)勢(shì)顯著，在修復(fù)過(guò)程中可隨時(shí)觀摩效果做出調(diào)整修改，能避免對(duì)建筑實(shí)體的損害。本文選取了文化遺產(chǎn)建筑修復(fù)中色彩修復(fù)工作為研究對(duì)象，采用先進(jìn)的虛擬色彩修復(fù)技術(shù)和先進(jìn)的顏色算法來(lái)進(jìn)行文化遺產(chǎn)建筑的色彩修復(fù)。

1 設(shè)計(jì)色彩修復(fù)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)需求

(1)算法的一體化執(zhí)行。本文使用了幾種不同的色彩修復(fù)技術(shù)，每種技術(shù)算法不同，色彩修復(fù)系統(tǒng)需滿足不同算法一體化執(zhí)行的需求，即在同一用戶界面，可執(zhí)行不同的算法，滿足快速使用系統(tǒng)進(jìn)行色彩修復(fù)的需求。

(2)用戶界面功能分區(qū)的豐富性。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用戶界面要提供不同的色彩遷移模塊功能按鈕，用戶只需要點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕就可以進(jìn)行導(dǎo)入目標(biāo)圖片、打開(kāi)參考圖片、選定對(duì)象、顏色遷移、選取算法、保存結(jié)果圖像等操作。

1.2 系統(tǒng)搭建

色彩修復(fù)系統(tǒng)需要有強(qiáng)大的可視化、交互式的軟件環(huán)境做支撐，MATLAB軟件相較于其他的數(shù)據(jù)計(jì)算軟件，具有顯著優(yōu)點(diǎn)。其一，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單，使用便捷。該軟件采用的代碼與數(shù)學(xué)表達(dá)式極為相近，計(jì)算單元采用復(fù)數(shù)處理方式，在處理矩陣計(jì)算時(shí)，其簡(jiǎn)潔度更高。其他軟件在計(jì)算矩陣乘積時(shí)，需要編寫(xiě)循環(huán)語(yǔ)句才能實(shí)現(xiàn)編譯，此軟件只需要用數(shù)學(xué)中的乘式表示即可；其二，軟件圖像處理功能較強(qiáng)，使用者無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算就可以對(duì)圖像進(jìn)行可視化處理；其三，軟件兼容性較強(qiáng)，用戶在使用該軟件的過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際需要使用其他圖像處理模塊集和接口，為用戶進(jìn)行色彩修復(fù)提供更強(qiáng)大的支撐[1]。鑒于MATLAB的優(yōu)點(diǎn)，本文采用其來(lái)搭建系統(tǒng)平臺(tái)，滿足文化遺產(chǎn)建筑色彩修復(fù)中的數(shù)據(jù)運(yùn)算、色彩遷移等需求。

2 采集建筑圖像進(jìn)行預(yù)處理

對(duì)文化遺產(chǎn)建筑進(jìn)行虛擬色彩修復(fù)，需要先采集建筑當(dāng)前的圖像，采集到的數(shù)字圖像中損壞裸露部分的墻面會(huì)對(duì)顏色造成干擾，要消除干擾更好地進(jìn)行色彩修復(fù)，就需要先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。

2.1 降噪處理

采集到的數(shù)字圖像存在噪聲，消除噪聲有利于增強(qiáng)圖像信息，獲得清晰的目標(biāo)對(duì)象。因此，要先對(duì)其進(jìn)行降噪處理。本文采用的降噪處理方法為中值濾波法，它通過(guò)取窗口圖像內(nèi)所有像素點(diǎn)的灰度值中值作為各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，使用二維互動(dòng)模版，對(duì)各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行排序，將它們生成或單調(diào)上升、或單調(diào)下降的二維數(shù)據(jù)序列。中值濾波法的輸出公式如式1所示。

g(x,y)=med{f(x-k,y-l),(k,l∈ω)}

(1)

式(1)中，ω是二維模版，代表不同的濾波區(qū)域，f(x,y)代表原始圖像，g(x,y)代表濾波處理后的圖像。考慮到窗口大小對(duì)濾波時(shí)間及圖像邊緣細(xì)節(jié)的影響，本文采用3×3的矩形窗口對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。通過(guò)文化遺產(chǎn)建筑數(shù)字圖像中每一個(gè)像素周圍3×3的取樣窗口取出其九個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B值，并分別對(duì)其排序，取排序后的中值[2]。

采用中值濾波法對(duì)文化遺產(chǎn)建筑數(shù)字圖像進(jìn)行平滑降噪處理，能夠最大程度保護(hù)圖像的原始顏色信息，繼而保證最后修復(fù)結(jié)果的準(zhǔn)確性和圖像邊緣信息的完整性，效果極佳。圖1a、1b為采用中值濾波法處理前后的文化遺產(chǎn)建筑數(shù)字圖像效果圖。

圖1 文化遺產(chǎn)建筑數(shù)字圖像效果圖

2.2 圖像修復(fù)

采用L鄰域合成算法對(duì)進(jìn)行修復(fù)，具體步驟為：第一步，選擇圖像破損區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，通過(guò)直線將這些點(diǎn)連接起來(lái)，可以發(fā)現(xiàn)，這些點(diǎn)經(jīng)連接之后變成了不規(guī)則形狀，標(biāo)記這個(gè)不規(guī)則形狀內(nèi)的區(qū)域?yàn)榇迯?fù)區(qū)域。第二步，對(duì)圖像進(jìn)行逐行掃描，對(duì)其中需要修復(fù)的像素點(diǎn)，依次分別計(jì)算出這個(gè)像素點(diǎn)與像素n(1,1)周圍L鄰域像素點(diǎn)的關(guān)系權(quán)值Dp,視為權(quán)值d的初始值。第三步，采用軟件遍歷圖像所有像素，計(jì)算出每個(gè)像素與它們周圍L鄰域像素關(guān)系權(quán)值，然后與d進(jìn)行對(duì)比，如果權(quán)值比d小，將其作為新的d，如果比d大，就繼續(xù)對(duì)圖像的下一個(gè)像素進(jìn)行掃描，繼續(xù)比較，以此類推。第四步，在計(jì)算之后，找到圖像內(nèi)權(quán)值d最小的像素，這個(gè)像素就可以看作是圖像中與該像素點(diǎn)最為接近的點(diǎn)，可以將它的RGB值賦予該像素點(diǎn)，進(jìn)行修復(fù)[3]。利用L鄰域合成算法對(duì)降噪后的文化遺產(chǎn)建筑圖像進(jìn)行修復(fù)的效果如圖2所示。

圖2 L鄰域合成算法修復(fù)效果

3 采用先進(jìn)算法進(jìn)行色彩修復(fù)

3.1 灰度圖像上色遷移算法

該算法對(duì)文化遺產(chǎn)建筑數(shù)字圖像中的各個(gè)像素點(diǎn)逐一進(jìn)行處理，通過(guò)亮度分量進(jìn)行匹配，算法較為簡(jiǎn)單，但執(zhí)行效率高，尤其適用于那些褪色或變色較為嚴(yán)重的文化遺產(chǎn)建筑的色彩修復(fù)。灰度圖像上色算法進(jìn)行色彩修復(fù)的具體步驟如下。

(1)對(duì)圖像賦予灰度值。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的文化遺產(chǎn)建筑圖像先完全褪色，使之成為灰度圖像，保留圖像的形狀信息。圖像灰度化處理本質(zhì)是讓圖像中像素點(diǎn)的顏色變化灰色。具體處理時(shí)需要先找到要進(jìn)行灰度化處理的像素點(diǎn)在矩陣中的位置，然后對(duì)該像素點(diǎn)的R、G、B進(jìn)行賦值處理，處理過(guò)程及公式如式2所示。

灰度化后的RGB=處理前的R×0.3+處理前的G×0.59+處理前的B×0.11

(2)

(2)對(duì)圖像進(jìn)行直方圖處理。這是一種通過(guò)累計(jì)分布函數(shù)變換來(lái)進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理的圖像顏色修正方法。文化遺產(chǎn)建筑年份久遠(yuǎn)，褪色現(xiàn)象較為普遍，對(duì)其處理時(shí)可以采用灰度圖像進(jìn)行。先將圖像從RGB空間轉(zhuǎn)換到HSV空間中，然后采用直方圖處理方法，對(duì)采集到的文化遺產(chǎn)建筑的彩色圖像的飽和度和亮度進(jìn)行拉伸處理，在這個(gè)過(guò)程中，保持圖像的色度值，即H分量不變，直到圖像的飽和度、亮度值都處于[0,255]之間，以達(dá)到增強(qiáng)圖像質(zhì)量的目的。但這種方法單獨(dú)使用并不足以完成文化遺產(chǎn)建筑的色彩修復(fù)，需要結(jié)合其他算法，以灰度圖像亮度分布為依據(jù)，對(duì)顏色圖像亮度分布進(jìn)行適度調(diào)整，盡可能縮小二者的灰度差異。然后對(duì)兩幅圖像進(jìn)行灰度直方圖統(tǒng)計(jì)，得到l分量直方圖，然后對(duì)圖像中像素點(diǎn)顏色分量均值進(jìn)行計(jì)算，并利用軟件掃描逐一獲取灰度圖像中的像素點(diǎn)分量值，對(duì)其進(jìn)行粗糙上色處理，其實(shí)質(zhì)是按照灰度等級(jí)對(duì)圖像進(jìn)行映射對(duì)比，并輸出得到的過(guò)渡圖像T[4]。亮度映射公式如式3所示。

(3)

在式3中，Y(p)代表文化建筑數(shù)字圖像形狀圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，μA代表形狀圖像灰度均值，σA代表形狀圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差，μB代表的顏色圖像灰度均值，σB代表顏色圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)這個(gè)公式，可以達(dá)到對(duì)形狀圖像灰度進(jìn)行調(diào)整的目的，使其與顏色圖像灰度差異明顯縮小，從而為后續(xù)色彩修復(fù)誤差的減小打好基礎(chǔ)，保證色彩修復(fù)效果。

(3)分層遷移方法。經(jīng)過(guò)以上公式獲得的過(guò)渡圖像T,已經(jīng)不再是灰度圖像，有了色彩信息，此時(shí)，就可以采用色彩遷移的方法進(jìn)行色彩修復(fù)。當(dāng)前，很多色彩遷移方法都偏重于整體色彩修復(fù)，對(duì)局部色彩信息修復(fù)關(guān)注不夠，這些算法會(huì)導(dǎo)致色彩層次模糊、不夠鮮明的問(wèn)題。本文考慮到這一點(diǎn)，在傳統(tǒng)色彩遷移方法的基礎(chǔ)上提出了一種新的色彩遷移方法，即分層遷移。先將顏色圖像A、過(guò)渡圖像T分別劃分為K層，計(jì)算它們各自整體顏色分量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及各個(gè)圖層顏色分量的均值與標(biāo)準(zhǔn)差[5]。在掃描計(jì)算時(shí)，若出現(xiàn)某一層沒(méi)有像素點(diǎn)的情況，可以通過(guò)搜索找到與該層相鄰的有像素點(diǎn)存在的圖層，以它的顏色分量均值、標(biāo)準(zhǔn)差代替當(dāng)前層[6]。通過(guò)這種逐層操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)渡圖像中各個(gè)像素點(diǎn)顏色分量的遷移。具體計(jì)算時(shí)，先提取過(guò)渡圖像T中任一像素點(diǎn)P，將其灰度等級(jí)對(duì)應(yīng)的圖像圖層設(shè)為k層，k取值范圍為[0，k-1]，然后計(jì)算出顏色圖像對(duì)應(yīng)的k層的顏色分量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差，以其為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過(guò)渡圖像中的P點(diǎn)進(jìn)行顏色分量遷移，設(shè)P的顏色分量均值為α，顏色分量標(biāo)準(zhǔn)差為β，按照以式4、5完成遷移轉(zhuǎn)換：

(4)

(5)

按照這個(gè)公式對(duì)過(guò)渡圖像T中的像素點(diǎn)依次進(jìn)行遷移，最終得到新的合成圖像，再按照上文提到的預(yù)處理辦法對(duì)其進(jìn)行降噪平滑處理，然后將其轉(zhuǎn)移到RGB顏色空間。下圖3、圖4、圖5分別為文化遺產(chǎn)建筑屋頂?shù)男螤顖D像、顏色圖像、顏色遷移后效果圖。

圖3 文化遺產(chǎn)建筑屋頂形狀圖像

圖4 文化遺產(chǎn)建筑顏色圖像

圖5 文化遺產(chǎn)建筑色彩遷移效果

3.2 YCαCβ空間顏色遷移算法

該算法選取的顏色空間和上文有所不同，該算法的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算，先利用式5將文化遺產(chǎn)建筑圖像的顏色空間從RGB空間轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)MS空間：

(5)

將文化遺產(chǎn)建筑數(shù)字圖像的顏色空間轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)MS空間之后，要設(shè)法去除LMS空間中各個(gè)顏色通道的相關(guān)性，此時(shí)，僅通過(guò)式5還不能得到Y(jié)CαCβ空間中顏色分量值，需要結(jié)合式6，代入進(jìn)行計(jì)算：

(6)

其中，Y表示的圖像的無(wú)色分量值，Cα表示顏色分量，Cβ表示彩色分量，通過(guò)上述兩個(gè)公式，可以計(jì)算出它們的值，如下：

(7)

根據(jù)以上公式，將文化遺產(chǎn)建筑圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換到Y(jié)CαCβ中，根據(jù)計(jì)算得到的顏色分量值，將新值賦予目標(biāo)圖像，進(jìn)行顏色遷移，確保目標(biāo)圖像均值、標(biāo)準(zhǔn)差與顏色圖像的完全相同，待顏色遷移完成之后，再將圖像轉(zhuǎn)換到RGB空間中[7]。該方法能讓修復(fù)后的文化遺產(chǎn)建筑圖像保持原來(lái)的色彩和風(fēng)格，尤其適用于那些整體風(fēng)格、顏色基調(diào)較為統(tǒng)一的文化遺產(chǎn)建筑圖像的顏色遷移。下圖6為文化遺產(chǎn)建筑當(dāng)前圖像、圖7為顏色圖像、圖8為色彩遷移修復(fù)后的圖像。

圖6 文化遺產(chǎn)建筑當(dāng)前圖像

圖7 文化遺產(chǎn)建筑顏色圖像

圖8 文化遺產(chǎn)建筑色彩修復(fù)后圖像

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)文化遺產(chǎn)建筑多采用磚木材料建造，容易受風(fēng)雨侵蝕和損毀，對(duì)其進(jìn)行色彩修復(fù)意義深遠(yuǎn)。本文將文化遺產(chǎn)建筑虛擬色彩修復(fù)工作分為幾個(gè)階段，分別為修復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，圖像預(yù)處理階段和使用先進(jìn)算法進(jìn)行色彩遷移三個(gè)階段。本文將重點(diǎn)放在第三個(gè)階段，即色彩遷移階段，這一階段，本文在前人研究的基礎(chǔ)上探索使用了兩種新的算法，這兩種算法更具優(yōu)越性，更適用于文化遺產(chǎn)這種古建筑的色彩修復(fù)。但文化遺產(chǎn)建筑色彩損壞程度不同，修復(fù)方法也應(yīng)該有所差異，本文只討論了色彩損毀嚴(yán)重的文化遺產(chǎn)建筑的修復(fù)方法，缺乏對(duì)其他損壞程度文化遺產(chǎn)建筑色彩修復(fù)的研究，有待進(jìn)一步拓展。