圖像處理在瑤族古建筑數字化保護中的應用

李明

摘 要：城市化的發展進程不斷加快，加之人為破壞及自然環境等因素的影響，人類珍貴的文化遺產之一——瑤族古建筑的發展正遭受沖擊。當前，經濟的發展也從側面進一步加速了古建筑的破壞，往日輝煌的瑤族古建筑面臨困境。針對此種情況，當務之急是采取藝術手法、高科技手段復原保護古建筑。在修復、保護、展示古建筑等相關領域中，數字化圖像復原技術扮演著日益重要的角色，其是古建筑文化遺產恢復往日神采的關鍵。

關鍵詞：古建筑保護;數字化;圖像處理;瑤族古建筑

一、古建筑保護的重要性

位于湘、粵、桂三省（區）交界地的廣西賀州市富川瑤族自治縣，是古代南北交通要道之一，也是中原文化傳入粵、桂的一個通道口，且富川建縣較早（西漢元鼎六年即公元前111年始建富川縣，為廣西建縣較早的縣），歷史悠久，民族文化源遠流長，文物古跡眾多，風雨橋、瑞光古塔、明清古戲臺就是其中之杰出代表。隨著城鎮規劃的發展和人為破壞及自然環境等因素的影響，瑤族古建筑歷經歲月長河卻依然完整或局部完整地保留著原貌。它們代表了那個時代的建筑技術水平、建筑材料水平以及建筑審美水平，因此，古建筑文物本身就是一種綜合性藝術，能在有限的空間里給人以美的享受，目前在一些古鎮還能欣賞到它們。

二、全景圖生成處理技術在古建筑保護中的應用

在技術工具高速發展的今天，全景圖生成方法作為一種具有代表性的虛擬現實技術引起了廣泛的關注，并且因廣角的表現手段和其他表現形式（如視頻、繪圖等）盡可能多地表現出真實環境而廣泛應用在虛擬場景展示、醫學圖像處理及博物館漫游等領域，其在古建筑文物中同樣適用。據查閱最新文獻，筆者發現目前古建筑文物全景圖的生成方法主要有三種：一是利用全景攝像設備直接拍攝;二是通過工具軟件將普通攝像機拍攝的多幅圖像合成一幅全景圖;三是利用圖像拼接算法將多幅圖像融合成一幅全景圖。

（一）使用全景圖制作工具

全景圖制作中常用的工具包括PTGui、ArcSoft Panorama Maker等等，本文對這兩種工具進行簡要介紹。

PTGui是全景制作工具的用戶界面軟件，它為全景制作工具提供了一個友好的視覺界面，實現多幅圖像的自動拼接，從而生成高質量的全景圖。PTGui的基本工作過程是圖像加載、特征點定位、圖像配準、圖像融合和全景圖生成。該工作流程包括三個步驟：首先，通過單擊“加載圖像”按鈕，自動導入一組原始圖像;其次，單擊“對齊圖像”按鈕，自動對齊圖像的控制點，并以控制點的形式自動縫合和優化融合后的圖像;最后，單擊“創建全景”按鈕以生成所需的全景。全景圖制作軟件不僅功能豐富，而且用戶可以修改和添加控制點，提高拼接精度。拼接后，全景圖亮度均勻，沒有明顯的拼接痕跡。操作的簡單性使它成為制作古代建筑全景圖的首選工具。

作為全景圖制作軟件，ArcSoft Panorama Maker 在各領域得到廣泛應用，特別是在古建筑全景圖的制作方面脫穎而出。該軟件可自動拼接存在重疊度的圖片，形成高質量的全景圖，其手動微調選項可滿足專業攝影人員調整、編輯、生成圖像的各種操作需要，如對拼接點進行修改，調整拼接位置、圖像對比度、亮度等等。該軟件支持五種專業（縱向、平鋪、橫向、自動、360°）的全景圖拼接方式，且可實現手動調整融合區域和匹配點，制作稱心如意的全景圖。此外，它還具有3D預覽的效果，比如PageFlip、Line Interleave、Anaglyph等。在圖片保存方面，可選擇 *.MPO 3D的格式。

（二）使用全景圖拼接相關算法應用

眾所周知，普通相機下的寬視角全景圖分辨率低，廣角鏡頭、全景相機的全景圖不僅存在嚴重的失真、畸變現象，需要運用其他軟件修復，且價格高。故此，為了提高拼接全景圖的質量，確保圖像的分辨率符合要求，數字圖像處理相關算法應運而生。結合生成全景圖的過程，筆者認為全景圖拼接的關鍵技術主要有兩個，即圖像配準和圖像融合。

1.圖像配準

全景圖拼接圖像的質量很大程度取決于圖像配準，這充分說明該技術的重要性。圖像配準是以匹配策略為基礎，找出需要拼接的圖像的特征點。當然，也可以以參考圖像為依據，從模板中找到能夠與之匹配的配置，并以此為依據對兩幅圖像進行對比分析。點匹配法是較早出現的圖像配準方法，但是此種方法存在諸多弊端，比如質量差、粗糙、速度慢等。另外，就配準古建筑文物圖片的需要來看，人工選擇初始匹配點也存在不足。本次整理了現有與圖像配準相關的文獻得出其主要可分為基于灰度信息、相位、特征三種類型的圖像配準。其中以灰度信息為基礎的圖像配準的過程是首先確定模板，即提取圖像中的目標區域，然后在待拼接圖像中搜索最佳區域，主要以相似性定量規則為依據。此類圖像配準具體方法主要有局部與區域信息結合法、交互信息法等，此法的不足是存在圖像之間非剛性變換的問題。以特征為基礎的圖像配準在估計圖像變換方面，主要以圖像的特征（如區域、邊緣、形狀、紋理、角）等為依據。

2.圖像融合

在全景拼接中，圖像融合雖然是末尾環節，但也是最為重要的步驟，即融合處理拼接圖象的重合區域，以讓所形成的拼接全景圖質量高，實現平滑無縫。采用該技術能夠使全景圖的視覺效果更好，確保全景圖質量，其主要通過消除圖像的鬼影、拼接縫隙、亮度差異等手段提升全景圖質量。漸入漸出法、加權平均法等都屬于早期的圖像融合技術，此類方法僅能夠簡單地融合圖像，融合質量較差。本次查閱相關文獻發現圖像融合有像素級、特征級、決策級三種層次。

當前全景圖拼接中普遍運用的方法有很多。一是像素級圖像融合，此種融合方式是在嚴格的配準條件下對各種傳感器輸出的原始信號進行綜合處理的過程，應用較多的算法有泊松融合算法、多分辨率融合算法、加權平均融合算法等。像素級圖像融合可保留較多原始圖像信息，生成的全景圖精度高，但所需時間長。二是特征級圖像融合，此種圖像融合方式是先提取各類傳感器的特征信息，然后進行綜合處理。此種融合法效率較高，但是不能充分保留圖像細節信息，所生成的全景圖精度較像素級圖像融合法差。三是決策級圖像融合，其基本原理是逐一提取、識別、分類各個源圖像，在此基礎上，結合特定的決策融合所有待融合的圖像，聯合眾多決策類型，實現最終判決，常見的方法包括基于支持向量機、證據推理、神經網絡以及Bayes推理等。雖然，對比其他圖像融合方式，此類融合計算量較小，但是由于處理過程中喪失較多圖像原始信息，所以融合后所得到的全景圖清晰度較低。綜上，實踐中更加傾向于采用加權平均融合法處理古建筑文物圖像。

三、數字圖像技術處理古建筑裂縫監測

（一）研究原理

運用數字圖像技術測量墻體開裂變形圖像，為了求取物體與數字圖像像素的比例系數，往往需要運用到相機標定。該法是假設x1、y分別為物體實物x、y的尺寸（單位長度），對應的兩點的圖像尺度用x2、y（單位像素）表示。綜上，我們可將圖像與實物兩者的尺度比例系數理解為物體的標定系數。這表明，如相機標定，則只需要獲取圖像的圖像尺度，對應就可得到實際物體的尺寸，即通過圖像尺度乘以比例系數。雖然此種方法能夠獲得對象物的尺寸，但是無法觀測其對象，故需要通過閾值化分割以預測對象區域。閾值分割主要運用了圖像的開裂口、健全區域存在不同的灰度分布，即設置灰度閾值的方式區別兩者，從而提取開裂口。但是在閾值分割后，仍無法保證圖像純度，這是因為其中存在圖像噪聲，不利于保證圖像精確度。基于此，需要結合形態學抑制噪聲，檢測區域邊緣，提取圖像特征等。為了實現上述操作，對整個圖像采取結構元素逐行掃描法，并集合其中的交并圖像。形態學的操作有很多，其中最為基本的操作有兩個，第一個是腐蝕，第二個是膨脹。在這兩個基本操作的基礎上涌現出系列操作，比如閉合、開啟等。在圖像處理中，形態學操作的作用主要體現在如下方面：首先是可對小孔洞、縫隙進行填補，實現連接間斷;其次是去除與二值圖像無關的因素;再次是過濾突刺，切斷細長搭接;最后是對缺口、孔洞進行填充。管理者基于形態學操作，即可直觀地觀看裂縫邊緣，并以此為依據，明確測量線的起始點。

（二）實驗及結果分析

賀州市富川瑤族自治縣作為三省（桂、粵、湘）交界點，是中原文化進入桂、粵的重要通道口，是古代南北交通要道。富川縣建立于公元前111年，即西漢元鼎六年，在漫長的歲月歷程中，該縣留下了諸多文物古跡，是遠近馳名的古城，較為完整地保留了各種文物。對比傳統測量法測定裂縫寬度，依托數字圖像技術進行測量其精度更高、操作更為簡便，具有諸多優點。

四、結語

中國歷史悠久，文化瑰寶絢麗，古建筑是其中的精髓。當前我國擁有很多古建筑，是我國優秀文化的精髓。將現代數字技術應用于古建筑保護，促進科技與文化保護的深度整合，完美融合技術與藝術。充分運用高科技傳承與保護古建筑，不僅能夠讓當代人獲得更好的文化體驗和文化歸屬感，同時還能夠引導現代人欣賞古建筑的魅力，這是有效落實各項工作，傳承保護古建筑的重要手段。

參考文獻：

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作者單位：

賀州學院