基於全局最佳化的破損兵馬俑虛擬復原方法研究

《基於全局最佳化的破損兵馬俑虛擬復原方法研究》是依託西北大學，由耿國華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於全局最佳化的破損兵馬俑虛擬復原方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：耿國華
• 依託單位：西北大學

項目摘要

利用計算機圖形學、虛擬現實技術解決破損兵馬俑虛擬復原問題，申請者已開展多年技術研究，在一號坑三次發掘中數位化拼合了82個兵馬俑。本課題針對系統存在的碎片分類不準確、拼接復原效率低等瓶頸，提出基於全局最佳化策略的改進的虛擬復原方法。研究涉及分類、拼接、修復三方面：①基於機器學習理論，研究文物模型一致性分割與標註方法，建立高精度兵馬俑模型訓練資料庫，提出多特徵融合的文物模型分類方法，為破損兵馬俑的虛擬拼接和復原過程提供約束和指導；②突破兩兩拼接方法局限，依據斷裂處的多特徵信息，構建破損兵馬俑智慧型虛擬拼接理論方法，建立多碎片整體拼接抽象模型；③依據已復原模型庫的先驗知識，實現兩類修複方法（基於形狀匹配的模型修復和基於形狀分析的對稱修復），支持全局最佳化的破損兵馬俑重建與虛擬復原。課題研究運用數字幾何方法，構建破損文物數位化復原的新體系，套用於兵馬俑虛擬復原示範，可推廣到其它方面，理論和套用意義顯著。

結題摘要

秦俑是世界考古史上最偉大的發現之一，但發掘出土時大多已破碎殘損。傳統手工方法復原具有難拼接、周期長等多種弊端。本項目針對模型拼接中的分割、分類、匹配、拼接和修復五大關鍵問題深入研究：（1）研究基於秦俑實體模型集的一致性分割算法，獲取分割粒度一致的模型數據構建分割部件庫，提取多特徵集作為碎塊分類的依據；（2）將碎塊特徵庫分成訓練集和測試集，對訓練集採用基於協作聚類、遷移學習和半監督的智慧型碎塊分類算法訓練分類器，對掃描碎塊分類標註；（3）提出部位碎塊模型匹配拼接算法，對碎塊模型先斷裂面和外表面分割，再對斷裂面匹配；（4）群體智慧型算法碎塊拼接充分挖掘斷裂面的全局和局部特徵，構造反映碎塊斷裂面的特徵向量；對俑體多碎塊全局拼接過程抽象，建立全局整體碎塊拼接的數學模型，構造斷裂處可行解空間，約束和各個碎塊的斷裂處特徵信息；（5）根據缺損曲面所屬部位，基於空間位置關係和三維紋理特徵的多特徵表示方法，在匹配空間中結構挖掘，提升形狀匹配的性能，針對缺損部位模型分割，基於仿射變換實現缺損部位重建，完成模型虛擬修復。 本項目基於多粒度下的模型分割，提出了多種特徵提取方法，實現了碎塊模型分類算法，提出了斷裂面和外表面分割的方法，提出了基於Morse-Smale拓撲特徵的文物碎塊拼接算法、先粗配再細配的剛體碎塊匹配方法、基於區域擴張的三維點雲模型配準算法、基於輪廓線雙向距離場的文物碎塊拼接算法和基於輪廓線特徵點的互動式文物拼接等10種匹配拼接修復算法。共發表論文60 篇，其中 SCI 2篇/EI 檢索17 篇；發明專利5項（授權2項）；培養博士5名，碩士17名，遠超論文10篇專利1項等預期指標。課題研究運用數字幾何方法，構建破損文物數位化復原的新體系，研究成果已套用於兵馬俑虛擬復原過程，理論意義和套用效果顯著。並籍此培育獲批2018年國科金重點項目，主持獲得2015年陝西省科技進步二等獎，主持獲批國家發改委《文化遺產數位化國家地方聯合工程研究中心》立項建設。