技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮感知的古代壁畫起甲病害數(shù)字修復(fù)方法及智能終端系統(tǒng)。

背景技術(shù)

我國作為一個(gè)文物大國，文物保存、研究、修復(fù)等方面的工作始終是一個(gè)較難解決的問題，很多文物由于無法得到及時(shí)修復(fù)而不能進(jìn)行展示，甚至最終損壞。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)在文物修復(fù)保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。

數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的思路是根據(jù)圖像中完好區(qū)域的已知信息推測出受損區(qū)域的未知信息，達(dá)到修復(fù)的目的。壓縮感知概念的提出給數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)帶來了一種新思路。壓縮感知能夠在保證信息不丟失的條件下，充分考慮信號的稀疏性，然后根據(jù)遠(yuǎn)低于奈奎斯特的采樣頻率來進(jìn)行信號采集，再經(jīng)過信號重構(gòu)技術(shù)使得最初的信號得以恢復(fù)出來。

目前，數(shù)字圖像修復(fù)技術(shù)的研究工作主要集中在算法上，雖然近年來對其應(yīng)用研究也有了一定的進(jìn)展，但大多數(shù)應(yīng)用都是作為功能簡單的插件被包含在別的軟件中。作為功能完整、獨(dú)立應(yīng)用的圖像修復(fù)系統(tǒng)很少。針對智能終端移動設(shè)備設(shè)計(jì)的壁畫病害修復(fù)的智能終端系統(tǒng)更是缺少。為了研究工作者更方便地開展研究工作，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮感知的古代壁畫起甲數(shù)字病害修復(fù)方法及智能終端系統(tǒng)，以解決上述技術(shù)問題。該系統(tǒng)能獨(dú)立完成對古代壁畫中起甲病害的標(biāo)注和智能修復(fù)等一系列功能，從而為壁畫的數(shù)字化虛擬展示提供支持。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

一種基于壓縮感知的古代壁畫起甲病害數(shù)字修復(fù)方法，包括以下步驟：

步驟一，對受損的壁畫圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理；預(yù)處理包括圖像去噪和HSV色彩空間轉(zhuǎn)換；

步驟二，提取經(jīng)過步驟一色彩空間轉(zhuǎn)換后數(shù)字圖像的HSV空間中V分量數(shù)據(jù)，通過contour函數(shù)畫出亮度等高線圖，對亮度等高線圖進(jìn)行閾值分割，得到分割圖；

步驟三，對分割圖進(jìn)行濾波去噪，再通過形態(tài)學(xué)腐蝕操作得到病害區(qū)域的閉區(qū)間；

步驟四，將壁畫分割圖與受損的壁畫圖像疊加，標(biāo)記出壁畫的起甲病害區(qū)域；

步驟五，利用基于壓縮感知的圖像修復(fù)算法修復(fù)壁畫的起甲病害區(qū)域。

所述的步驟一中圖像去噪采用的是TV算法。

所述的步驟五中基于壓縮感知的圖像修復(fù)算法包括PMLE機(jī)制和EM修復(fù)兩個(gè)步驟：

(1)PMLE機(jī)制

假設(shè)受損壁畫數(shù)字圖像Y有n個(gè)像素點(diǎn)；首先，暫且不考慮壁畫圖像的破損區(qū)域，根據(jù)壓縮感知稀疏表示理論可知，壁畫圖像表示為：

Y＝Φα+ε,ε～N(0,σ²) (1)

其中，Φ為n×p的完備字典，n＜p，p是過完備的列；α是圖像Y在過完備Φ上的表示，ε和N(0,σ²)為高斯加性白噪聲；通過懲罰性最大似然估計(jì)從Y恢復(fù)出圖像X：

其中，是圖像X的恢復(fù)圖像，是指對數(shù)似然函數(shù)，pX(x)為先驗(yàn)密度函數(shù)；

當(dāng)X能夠被轉(zhuǎn)換成稀疏表示α?xí)r，PLME可以看作最大后驗(yàn)概率的貝葉斯模型，則式(2)更新為：

在上式中，Ψ(α)是利用了信號的稀疏性，以促進(jìn)低復(fù)雜度重建與修復(fù)的調(diào)整函數(shù)；

(2)EM修復(fù)

對于圖像I，假設(shè)原圖像向量Y中包含了破損的待修復(fù)區(qū)域Y_miss和觀測到的圖像Y_obs，其中，其中，I_miss是原壁畫圖像I中的缺失區(qū)域，I_obs是原壁畫圖像I中的可觀測區(qū)域；雖然觀測到的數(shù)據(jù)不足以恢復(fù)出原圖所有的信息，但是EM算法通過對當(dāng)前圖中的信息不斷地學(xué)習(xí)迭代來逐步完成信息的猜測補(bǔ)全；

EM算法是通過E和M兩個(gè)步驟來完成圖像的修復(fù)，包括以下步驟：

1)進(jìn)行參數(shù)初始化，得到觀測到的圖像向量Y_obs，破損區(qū)域的掩碼M以及收斂閾值δ；

2)E步驟是對全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，然后推斷出指定圖像向量Y的數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的噪聲數(shù)值，并更新全局的估計(jì)值；實(shí)現(xiàn)公式為(4)：

Y^(t)＝Y(jié)_obs+(1-M) (4)

將上式改寫成對應(yīng)的向量形式為：

3)M步驟是根據(jù)PMLE機(jī)制來更新X^(t+1)和

X(^t+1)＝ΦDΦ+Y(^t)