基于断裂面几何特征和进化计算的陶瓷碎片拼接重构

作     者：党悦晨 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周强;李婉

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：陶瓷碎片拼接修复 几何特征 边缘轮廓提取 特征提取与匹配 区域点集相似性 进化计算 

摘      要：自十八大以来,党中央将文化遗产保护工作摆在更加突出的位置。由于文物的不可再生产性,破损文物的修复工作举足轻重。当前修复工作多依靠修复人员的专业知识及经验,但碎片数目的庞大以及形状的复杂,使修复工作不仅耗时耗力,且在碎片已经破损的基础上易造成二次损坏。随着计算机辅助工作在文物修复领域逐渐被认可,虚拟复原研究针对大型石雕等特征较为显著的碎片逐渐开展。然而陶瓷类的薄壁器型碎片由于特征量较少的缘故,鲜有学者问津。因此,针对陶瓷碎片特性所导致的修复难点,本文在现有修复方法基础上,重在研究和解决以薄壁器型为对象的断裂区域边缘提取、特征提取与表示、相邻碎片匹配拼接以及全局拼接等技术难点,进而提出一种薄壁碎片自动化拼接重构方法。前期以二维碎片为对象探索出整体修复流程,而后将目标升级至三维空间。本文主要的研究内容包括以下方面:（1）二维碎片拼接重构方法研究针对传统二维碎片拼接对角点检测精度的高依赖性,导致算法整体鲁棒性较差的问题,以及局部融合存在的高回溯问题。本文以计算视觉理论为基础,提出使用素描图的形式过滤图中冗余信息,利用富含语义的有向线段完成目标对象的标识,同时对弧长-累计转角图法进行改进,将特征信息量化为一维序列,从而高效地解决抽象信息的数字量量化问题。最终拼接阶段,提出使用图论对问题抽象,结合搜索算法完成全局拼接策略设计,最终构建出二维碎片的完整修复流程。（2）基于断裂面边缘几何特征的陶瓷碎片拼接重构方法研究深度挖掘断裂面边缘线的空间几何结构信息,设计出基于双层曲率半径特征与挠率特征相融合的特征描述方法,实现从多重角度细致地对曲线进行分析,在表征空间几何结构的同时,完成曲线方向变化的预测。同时发掘出的个性化特征可以避免相似轮廓的误匹配问题。针对碎片拼合的优劣情况,提出球体空间点共存检测算法进行数据化度量,以更加客观的评分模式区分出真正相邻的匹配组。针对全局组合策略问题提出使用进化计算,将问题的可行解转换到可处理的搜索空间,通过优胜劣汰进化出全局最优的方案,最终实现三维碎片的拼接修复。（3）提出基于断裂区域点集相似性的陶瓷碎片拼接重构方法针对陶瓷碎片特性所导致的边缘线提取困难,提出基于邻域点平面拟合的边缘线提取方法,精准提取出断裂区域周边的边缘轮廓,克服部分脊线被忽视的问题。为了充分利用陶瓷碎片的几何特征信息,提出以邻域点集作为特征描述点集,根据相似度进行匹配,此方法所获取到的基准点集跨越碎片两侧,目标识别度较高,拼接稳定性较强。之后提出多层级筛选策略,从不同维度出发,不断缩小疑似相邻碎片的可能范围。提出基于拼接面的配准步骤,达到校准拼接精度的效果。使用碎纸片以及平面陶瓷碎片对本文所提出的二维碎片修复流程进行可行性验证,结果表明Primal Sketch算法可以有效提取碎片目标的位置结构信息,根据相似度匹配实现碎片拼合,提高了二维碎片的修复成功率和算法效率。同时,本文所提出的基于精准边缘线提取以及几何特征匹配的三维碎片修复流程可以有效地克服薄壁碎片修复难点的制约,突破碎片类型的限制,将拼接误差缩小在2.0mm之内,保证了拼接的准确率以及成功率。本文所提出的碎片修复流程可以有效地辅助文物修复工作,缓解修复人员压力的同时提升修复准确率以及效率,助力文物保护,促进文化传承。