图像处理在瑶族古建筑数字化保护中的应用

李明

摘 要：城市化的发展进程不断加快，加之人为破坏及自然环境等因素的影响，人类珍贵的文化遗产之一——瑶族古建筑的发展正遭受冲击。当前，经济的发展也从侧面进一步加速了古建筑的破坏，往日辉煌的瑶族古建筑面临困境。针对此种情况，当务之急是采取艺术手法、高科技手段复原保护古建筑。在修复、保护、展示古建筑等相关领域中，数字化图像复原技术扮演着日益重要的角色，其是古建筑文化遗产恢复往日神采的关键。

关键词：古建筑保护;数字化;图像处理;瑶族古建筑

一、古建筑保护的重要性

位于湘、粤、桂三省（区）交界地的广西贺州市富川瑶族自治县，是古代南北交通要道之一，也是中原文化传入粤、桂的一个通道口，且富川建县较早（西汉元鼎六年即公元前111年始建富川县，为广西建县较早的县），历史悠久，民族文化源远流长，文物古迹众多，风雨桥、瑞光古塔、明清古戏台就是其中之杰出代表。随着城镇规划的发展和人为破坏及自然环境等因素的影响，瑶族古建筑历经岁月长河却依然完整或局部完整地保留着原貌。它们代表了那个时代的建筑技术水平、建筑材料水平以及建筑审美水平，因此，古建筑文物本身就是一种综合性艺术，能在有限的空间里给人以美的享受，目前在一些古镇还能欣赏到它们。

二、全景图生成处理技术在古建筑保护中的应用

在技术工具高速发展的今天，全景图生成方法作为一种具有代表性的虚拟现实技术引起了广泛的关注，并且因广角的表现手段和其他表现形式（如视频、绘图等）尽可能多地表现出真实环境而广泛应用在虚拟场景展示、医学图像处理及博物馆漫游等领域，其在古建筑文物中同样适用。据查阅最新文献，笔者发现目前古建筑文物全景图的生成方法主要有三种：一是利用全景摄像设备直接拍摄;二是通过工具软件将普通摄像机拍摄的多幅图像合成一幅全景图;三是利用图像拼接算法将多幅圖像融合成一幅全景图。

（一）使用全景图制作工具

全景图制作中常用的工具包括PTGui、ArcSoft Panorama Maker等等，本文对这两种工具进行简要介绍。

PTGui是全景制作工具的用户界面软件，它为全景制作工具提供了一个友好的视觉界面，实现多幅图像的自动拼接，从而生成高质量的全景图。PTGui的基本工作过程是图像加载、特征点定位、图像配准、图像融合和全景图生成。该工作流程包括三个步骤：首先，通过单击“加载图像”按钮，自动导入一组原始图像;其次，单击“对齐图像”按钮，自动对齐图像的控制点，并以控制点的形式自动缝合和优化融合后的图像;最后，单击“创建全景”按钮以生成所需的全景。全景图制作软件不仅功能丰富，而且用户可以修改和添加控制点，提高拼接精度。拼接后，全景图亮度均匀，没有明显的拼接痕迹。操作的简单性使它成为制作古代建筑全景图的首选工具。

作为全景图制作软件，ArcSoft Panorama Maker 在各领域得到广泛应用，特别是在古建筑全景图的制作方面脱颖而出。该软件可自动拼接存在重叠度的图片，形成高质量的全景图，其手动微调选项可满足专业摄影人员调整、编辑、生成图像的各种操作需要，如对拼接点进行修改，调整拼接位置、图像对比度、亮度等等。该软件支持五种专业（纵向、平铺、横向、自动、360°）的全景图拼接方式，且可实现手动调整融合区域和匹配点，制作称心如意的全景图。此外，它还具有3D预览的效果，比如PageFlip、Line Interleave、Anaglyph等。在图片保存方面，可选择 *.MPO 3D的格式。

（二）使用全景图拼接相关算法应用

众所周知，普通相机下的宽视角全景图分辨率低，广角镜头、全景相机的全景图不仅存在严重的失真、畸变现象，需要运用其他软件修复，且价格高。故此，为了提高拼接全景图的质量，确保图像的分辨率符合要求，数字图像处理相关算法应运而生。结合生成全景图的过程，笔者认为全景图拼接的关键技术主要有两个，即图像配准和图像融合。

1.图像配准

全景图拼接图像的质量很大程度取决于图像配准，这充分说明该技术的重要性。图像配准是以匹配策略为基础，找出需要拼接的图像的特征点。当然，也可以以参考图像为依据，从模板中找到能够与之匹配的配置，并以此为依据对两幅图像进行对比分析。点匹配法是较早出现的图像配准方法，但是此种方法存在诸多弊端，比如质量差、粗糙、速度慢等。另外，就配准古建筑文物图片的需要来看，人工选择初始匹配点也存在不足。本次整理了现有与图像配准相关的文献得出其主要可分为基于灰度信息、相位、特征三种类型的图像配准。其中以灰度信息为基础的图像配准的过程是首先确定模板，即提取图像中的目标区域，然后在待拼接图像中搜索最佳区域，主要以相似性定量规则为依据。此类图像配准具体方法主要有局部与区域信息结合法、交互信息法等，此法的不足是存在图像之间非刚性变换的问题。以特征为基础的图像配准在估计图像变换方面，主要以图像的特征（如区域、边缘、形状、纹理、角）等为依据。

2.图像融合

在全景拼接中，图像融合虽然是末尾环节，但也是最为重要的步骤，即融合处理拼接图象的重合区域，以让所形成的拼接全景图质量高，实现平滑无缝。采用该技术能够使全景图的视觉效果更好，确保全景图质量，其主要通过消除图像的鬼影、拼接缝隙、亮度差异等手段提升全景图质量。渐入渐出法、加权平均法等都属于早期的图像融合技术，此类方法仅能够简单地融合图像，融合质量较差。本次查阅相关文献发现图像融合有像素级、特征级、决策级三种层次。

当前全景图拼接中普遍运用的方法有很多。一是像素级图像融合，此种融合方式是在严格的配准条件下对各种传感器输出的原始信号进行综合处理的过程，应用较多的算法有泊松融合算法、多分辨率融合算法、加权平均融合算法等。像素级图像融合可保留较多原始图像信息，生成的全景图精度高，但所需时间长。二是特征级图像融合，此种图像融合方式是先提取各类传感器的特征信息，然后进行综合处理。此种融合法效率较高，但是不能充分保留图像细节信息，所生成的全景图精度较像素级图像融合法差。三是决策级图像融合，其基本原理是逐一提取、识别、分类各个源图像，在此基础上，结合特定的决策融合所有待融合的图像，联合众多决策类型，实现最终判决，常见的方法包括基于支持向量机、证据推理、神经网络以及Bayes推理等。虽然，对比其他图像融合方式，此类融合计算量较小，但是由于处理过程中丧失较多图像原始信息，所以融合后所得到的全景图清晰度较低。综上，实践中更加倾向于采用加权平均融合法处理古建筑文物图像。

三、数字图像技术处理古建筑裂缝监测

（一）研究原理

运用数字图像技术测量墙体开裂变形图像，为了求取物体与数字图像像素的比例系数，往往需要运用到相机标定。该法是假设x1、y分别为物体实物x、y的尺寸（单位长度），对应的两点的图像尺度用x2、y（单位像素）表示。综上，我们可将图像与实物两者的尺度比例系数理解为物体的标定系数。这表明，如相机标定，则只需要获取图像的图像尺度，对应就可得到实际物体的尺寸，即通过图像尺度乘以比例系数。虽然此种方法能够获得对象物的尺寸，但是无法观测其对象，故需要通过阈值化分割以预测对象区域。阈值分割主要运用了图像的开裂口、健全区域存在不同的灰度分布，即设置灰度阈值的方式区别两者，从而提取开裂口。但是在阈值分割后，仍无法保证图像纯度，这是因为其中存在图像噪声，不利于保证图像精确度。基于此，需要结合形态学抑制噪聲，检测区域边缘，提取图像特征等。为了实现上述操作，对整个图像采取结构元素逐行扫描法，并集合其中的交并图像。形态学的操作有很多，其中最为基本的操作有两个，第一个是腐蚀，第二个是膨胀。在这两个基本操作的基础上涌现出系列操作，比如闭合、开启等。在图像处理中，形态学操作的作用主要体现在如下方面：首先是可对小孔洞、缝隙进行填补，实现连接间断;其次是去除与二值图像无关的因素;再次是过滤突刺，切断细长搭接;最后是对缺口、孔洞进行填充。管理者基于形态学操作，即可直观地观看裂缝边缘，并以此为依据，明确测量线的起始点。

（二）实验及结果分析

贺州市富川瑶族自治县作为三省（桂、粤、湘）交界点，是中原文化进入桂、粤的重要通道口，是古代南北交通要道。富川县建立于公元前111年，即西汉元鼎六年，在漫长的岁月历程中，该县留下了诸多文物古迹，是远近驰名的古城，较为完整地保留了各种文物。对比传统测量法测定裂缝宽度，依托数字图像技术进行测量其精度更高、操作更为简便，具有诸多优点。

四、结语

中国历史悠久，文化瑰宝绚丽，古建筑是其中的精髓。当前我国拥有很多古建筑，是我国优秀文化的精髓。将现代数字技术应用于古建筑保护，促进科技与文化保护的深度整合，完美融合技术与艺术。充分运用高科技传承与保护古建筑，不仅能够让当代人获得更好的文化体验和文化归属感，同时还能够引导现代人欣赏古建筑的魅力，这是有效落实各项工作，传承保护古建筑的重要手段。

参考文献：

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作者单位：

贺州学院