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大幅面古画高保真数字获取关键技术研究

作　者: 石洗凡
导　师: 鲁东明
学　校: 浙江大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 文物数字化获取计算机辅助文物保护文物研究壁画高精度拍摄图像拼接图像校正仿射变换误差
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

文化遗产具有重要的历史、科学与艺术价值,但由于老化、散落分布等原因,在保护和研究工作中都存在困难。文化遗产的数字化采集结果可以永久保存,是对现有保护技术的一种扩展和有益补充,并可以通过网络信息共享促进文化遗产的研究工作。基于上述目标,数字采集的文化遗存结果须忠实反映原件特征,满足细节清晰,形状准确,色彩保真等要求。本文工作以大幅面古画数字化采集为应用背景,定位于实现高保真的数字获取技术,提出了涵盖拍摄、校正和拼接等各个环节的一整套的解决方法,主要包括了如下的内容：1)古画获取相关设备和技术综述首先,对现有古画高精度获取设备和方法进行了综述,指出了现有方法在技术架构上的局限性,并对ISO 12233和MTF等照片清晰度描述方法的不足进行了分析。接着,对几何和色彩失真校正技术及其他相近领域工作进行了综述。最后,对数字图像拼接技术作出了综述,其中特别指出,目前的图像拼接算法都可以概括为基于估计仿射变换系数。2)古画作品高保真数字采集技术首先提出本文中高保真的含义,然后阐述了其中所涉及的几何高保真技术,色彩高保真技术以及细节高保真技术,利用这些技术可以使得拼接前的照片已经达到最佳,高保真地反映古画作品的原貌细节。3)古画数字采集清晰度的定量分析首先对古画的各种对焦方式的精度进行了分析和比较。然后,综合考虑了对焦、光圈以及景深的因素,提出了古画获取的理论清晰度上限的公式,避免了盲目追求高分辨率所带来的计算和存储资源的巨大浪费问题,并提出一个理论最佳光圈的计算方法。最后,由于理论最佳光圈并不能完全代表镜头本身的实际成像,又提出一套基于像散测定的古画清晰区域的判定方法,并由此确定任何一个镜头和机身结合后的实际最佳光圈。4)古画数字图像配准技术分析与改进由于现有图像拼接算法都是基于估计仿射变换系数的,首先从数学上证明了其对于平整古画数字图像配准的正确性。然后提出一个对于不平整古画仿射变换的误差公式,表明了仿射变换误差与分辨率和不平整程度成正比,与焦距成反比。在使用常规镜头对近似平面物体进行高分辨率获取时,基于仿射变换的拼接方法会存在较大误差,必须先把这种误差消除。由此,在最后提出了一种算法,利用三维扫描所获得的深度信息来消除这种误差,算法包括了基于最小二乘法的最佳重投影平面拟合、重投影坐标系与世界坐标系的对应关系的计算以及不平整表面图像的仿射变换误差的纠正等环节。最后,基于前面研究的技术开发实现了古画获取与存储系统(PASS),并在古画数字化存档领域对上述技术进行了验证应用。从敦煌以及其他著名书画的高保真获取结果来看,本文的研究成果有效解决了大幅面珍贵古画高保真数字获取问题。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
图目录  12-13
表目录  13-14
第1章绪论  14-26
  1.1 论文研究的背景和定位  14-21
  1.2 论文研究的意义  21-23
  1.3 论文的主要贡献  23-24
  1.4 本文组织  24-26
第2章古画获取相关技术与设备综述  26-48
  2.1 现有大幅面古画获取相关设备与方法  26-38
    2.1.1 古画获取相关设备与方法简介  26-31
    2.1.2 拍照式古画获取相关设备与方法简介  31-34
    2.1.3 拍照式古画照片的获取设备的清晰度评价方法  34-38
  2.2 古画局部高保真获取技术  38-43
    2.2.1 数码图像几何校正技术  40-41
    2.2.2 数码图像色彩校正技术  41-43
  2.3 数字图像拼接相关技术  43-46
  2.4 本章小结  46-48
第3章古画作品高保真数字采集技术  48-76
  3.1 数字古画高保真的度量  48-54
    3.1.1 几何忠实度  49-50
    3.1.2 色彩忠实度  50-52
    3.1.3 高清晰度  52-54
  3.2 几何畸变校正技术  54-59
    3.2.1 基于光学原理和铅锤模型的镜头畸变校正  54-55
    3.2.2 相机姿势的光学校正和数字校正  55-59
  3.3 色彩偏差还原技术  59-70
    3.3.1 RAW格式的优越性  59
    3.3.2 镜头暗角的校正  59-68
    3.3.3 灯光一致性的校正  68-69
    3.3.4 感光元件噪点的校正  69-70
  3.4 清晰度保障技术  70-75
    3.4.1 高密度图像传感器拍摄方法分析  70-72
    3.4.2 基于熵的清晰照片合成技术  72-75
  3.5 本章小结  75-76
第4章古画数字采集清晰度的定量分析  76-102
  4.1 拍摄所采用的对焦方法精度分析与比较  76-86
    4.1.1 透镜分离相位检测  77-84
    4.1.2 实时取景模式  84-86
  4.2 采集清晰度的理论分析  86-94
    4.2.1 透镜的景深模糊分析  86-91
    4.2.2 透镜的衍射模糊分析  91
    4.2.3 综合景深和衍射模糊的清晰度理论上限  91-92
    4.2.4 理论最佳光圈的选取  92-93
    4.2.5 单反相机的清晰度优势  93-94
  4.3 基于像散测定的图像清晰区域判定  94-100
    4.3.1 基于实拍自制测试板的图像清晰度测试方法  94-96
    4.3.2 基于像散测定的清晰区域的测定算法  96-100
    4.3.3 实际最佳光圈的选取  100
  4.4 本章小结  100-102
第5章古画数字图像配准技术分析与改进  102-140
  5.1 基于仿射变换的平整古画配准的正确性证明  103-110
    5.1.1 平面物体与世界坐标系的图像对应关系  103-107
    5.1.2 不同视点照片中特征的对应关系  107-110
  5.2 不平整古画各视点图像特征对应关系  110-129
    5.2.1 分块拍摄中旋转矩阵的小角度简化近似  111-112
    5.2.2 表面平整度对仿射变换配准算法精度的影响  112-120
    5.2.3 放大率和拍摄距离之间满足的限制关系  120-125
    5.2.4 近似平面物体图像仿射变换配准的条件  125-127
    5.2.5 有限焦距时近似平面物体图像仿射误差分析  127-129
  5.3 不平整古画图像的优化配准技术  129-139
    5.3.1 基于最小二乘法的最佳重投影平面的拟合  130-132
    5.3.2 重投影坐标系与世界坐标系的对应关系的计算  132-135
    5.3.3 不平整表面的仿射变换误差的纠正算法  135-139
  5.4 本章小结  139-140
第6章古画获取系统研制与应用  140-150
  6.1 获取系统硬件设计与开发  140-143
    6.1.1 书画获取系统硬件系统  140-142
    6.1.2 壁画获取系统硬件系统  142-143
  6.2 书画获取流程  143-145
    6.2.1 基于照片拼接的获取流程  143-144
    6.2.2 基于三维模型辅助照片拼接的获取流程  144
    6.2.3 两种方法优缺点比较  144-145
  6.3 获取应用与效果评价  145-149
  6.4 本章小结  149-150
第7章总结与展望  150-155
  7.1 本文工作总结  150-151
  7.2 进一步工作展望  151-155
    7.2.1 拼接错误的计算机自动检测  151-152
    7.2.2 清晰区域最大化  152-153
    7.2.3 多分辨率图像生成  153-155
附录A 仿射变换关系的基本性质  155-158
  附录A.1 仿射变换的组合  155-156
  附录A.2 仿射变换的逆  156-158
附录B 基于最小二乘法的最佳重投影平面的拟合方法证明  158-167
附录C 最佳重投影坐标系与世界坐标系之间旋转矩阵的计算  167-172
参考文献  172-180
作者简历  180-181
攻读博士学位期间的主要成果  181-182

大幅面古画高保真数字获取关键技术研究

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