青铜器缺块数字化补配的关键技术研究

Bronzes are one of the Chinese cultural treasures, most unearthed bronzes inevitably miss some pieces with types of patch-like, cross-patch-like and structural ones, and are distorted to a certain extent, however. Recently, with the great improvements of the 3D laser scanning and 3D reconstruction techniques, the usage of the 3D cultural relic models with high fidelity for the cultural relic restoration has been received a widely attention. The missing pieces on bronzes are usually with different types and with complicated geometries. Therefore, this proposal aims to complete the bronze surfaces based on their morphological characteristics. Key technologies will be studied, including the following items. First, we edit the bronze surfaces with morphologies of their reliefs preserved based on contour constraints. Then, we detect the symmetry of models in the presence of the missing pieces, and make up the missing pieces using the global symmetric transformation. Due to the approximate symmetries of the bronze surfaces, the initial making-up pieces are often incoherent with its surrounding surface. Therefore, we finally extract reliefs and naturally make relief fragments on the initial pieces coordinated with the ones on the remained surface using curve matching techniques, yielding the refined making-up pieces. Our research can provide technical support on the digital restoration of bronzes.

青铜器是我国的文化瑰宝，然而出土青铜器大多破损、变形，很多存在缺失碎块现象，包括片状缺块、跨区域缺块和结构性缺块。随着三维激光扫描和三维重建技术的发展，以高精度三维数字化文物模型为基础的文物修复技术得到了非常广泛的重视。本项目针对青铜器缺块的多样性、复杂性，拟从青铜器自身具有的形态特征出发，开展青铜器缺块数字化补配的关键技术研究，内容包括：1）研究基于轮廓线约束的保纹饰特征网格编辑方法，消除青铜器变形对后续处理的影响；2）研究具有缺失数据的模型对称性分析方法，根据模型对称变换建立覆盖缺块的初步模型；3）由于青铜器是近似对称的,缺块初步模型与周围模型一般不连续，本项目将研究其表面纹饰提取及拼接方法，局部精细调整缺块初步模型，使缺块模型上的纹饰与周围模型的纹饰美观连接。这样便可利用缺块边缘裁剪调整后的缺块初步模型，得到最终的补配结果。本项目的研究将为实现青铜器数字化修复提供技术支撑。

青铜器是我国文化遗产的重要组成部分，但是出土青铜器大多存在不同程度的破损和变形，需要修复后才能恢复其原貌。开展青铜器缺块数字化补配方面的研究将为实现数字化青铜器修复提供技术支撑。..本项目首先研究保纹饰特征的网格编辑技术，避免青铜器“整形”时纹饰发生扭曲现象；然后分析青铜器的形态特征，获取重要语义信息对缺块进行高质量补配。为实现上述总体构思，研究内容主要包括保持纹饰特征的曲面编辑，曲面的近似对称性分析和曲面上纹饰的提取。本课题取得了一系列重要科研结果，并把这些科研成果发表在了业内重要的期刊和会议。（1）在三维数据的获取与优化方面，我们提出了三维标靶自动化检测方法，以及基于张量投票的保持纹饰的青铜器曲面噪声去除方法；（2）在曲面编辑方面，提出了基于逐段圆柱假设的物体中心线提取方法，以及基于双向多点对应的曲面编辑方法，用于模型之间的配准；（3）在曲面近似对称性分析方面，提出了Spin Contour算子，可以分析模型的近似对称性；（4）在纹饰提取方面，提出了多个曲面滤波算法，不仅可以去提取物体表面的纹饰，还可以扩展到三维曲面的去噪；（4）在3D打印方面，提出了基于骨架分割的复杂模型打印算法，以及提出了基于自支撑属性的减少耗材的3D打印算法。通过量化分析和比较，该项目提出的算法，具有一定的优越性。..本项目的研究涉及计算机辅助设计、计算机图形学、微分几何和文物保护修复学等多学科理论和方法。在关键科学问题研究方面，需要综合运用所涉及学科的理论方法与技术成果，以微分几何和数字几何处理之间的耦合作用分析为主线，采取边研究、边试验的原则，通过分析、优化与实验验证相结合的途径，使基础研究成果更具有实际应用价值。青铜器数字化修复技术的应用，将提高修复质量，缩短修复周期，从而为更好地研究与传承祖先创造的辉煌青铜文化做出贡献。

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