趙男

摘? 要： 針對原有中國畫色彩修復系統(tǒng)識別色彩修復邊緣能力不足的問題，基于圖像處理技術設計新式的中國畫色彩修復系統(tǒng)。在保留原有系統(tǒng)硬件的前提下，更換一個采集能力更強的圖像采集卡，將其與USB端口和圖像采集器相連接，增強系統(tǒng)的圖像識別能力。在系統(tǒng)軟件方面，此次設計利用圖像處理技術，結(jié)合損失公式，識別待修復色彩區(qū)域的銜接邊緣;建立色彩提取區(qū)域，計算色彩最優(yōu)點的位權值，找出色彩提取位置，并按照原有繪畫色彩疊加方式，將不同顏色合成;利用偏微分方程設置色彩修復系統(tǒng)的修復代碼，實現(xiàn)對中國畫色彩的修復。實驗測試結(jié)果表明，與原有修復系統(tǒng)相比，所設計的色彩修復系統(tǒng)識別中國畫色彩修復邊緣的能力更強，修復后的中國畫質(zhì)量更高。由此可見，該色彩修復系統(tǒng)可應用于中國畫的色彩修復。

關鍵詞： 中國畫; 色彩修復; 圖像處理技術; 銜接邊緣修復; 色彩提取; 修復代碼設置

中圖分類號： TN911.73?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）17?0060?04

Abstract： As the original color restoration system for the Chinese paintings does not have enough capability to recognize the edge of color restoration， a new color restoration system for Chinese paintings is designed on the basis of image processing technology. On the premise of retaining the original system hardware， the original image acquisition card is replaced by an image acquisition card with stronger acquisition ability， which connects USB port and image collector to enhance the image recognition ability of the system. In terms of system software， the image processing technology and loss formula are adopted in the system design to identify the join edge of the color area under restoration， establish the color extraction area， and calculate the optimal bit weight value of color to find out the color extraction position and compound different colors according to the original color superposition method. The restoration code of the color restoration system is set up with partial differential equation to realize the color restoration of the Chinese paintings. The experimental results show that， in comparison with the original restoration system， the designed color restoration system has a stronger ability to recognize the color restoration edges of the Chinese paintings， and the quality of the restored Chinese paintings is much higher. This shows the color restoration system can be applied to the color restoration of the Chinese paintings.

Keywords： Chinese painting; color restoration; image processing technology; join edge restoration; color extraction; restoration code generation

0? 引? 言

中國畫作為一種歷史悠久、傳統(tǒng)優(yōu)良的中華民族傳統(tǒng)繪畫，凝聚著大量的中華民族歷史信息，體現(xiàn)了一代又一代人民的民族智慧以及每一時期的人物性格，同時也反映了歷史發(fā)展趨勢、國家的政權變革等社會發(fā)展情況，可見中國繪畫不僅僅是對中華五千年民族精神的體現(xiàn)，還充分反映了國家的歷史發(fā)展進程。但由于中國繪畫出現(xiàn)的時間早、流傳時間久遠，導致原本色彩豐富、鮮明的中國繪畫出現(xiàn)了局部褪色、邊緣褪色以及總體暈染的情況[1]。

為此設計一個中國畫的色彩修復系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)設置修復區(qū)域、修復位置節(jié)點，對已經(jīng)出現(xiàn)褪色問題的繪畫進行修復。但利用該系統(tǒng)修復的中國畫，其褪色邊緣與修復邊緣并不一致，導致畫中會出現(xiàn)一個明顯的邊緣輪廓色彩，因此，針對原有修復系統(tǒng)的這一問題，基于圖像處理技術，設計新式的中國畫色彩修復系統(tǒng)。該系統(tǒng)著重研究了修復邊緣的識別能力，確保邊緣色彩與繪畫本色之間沒有色差。中國畫色彩修復系統(tǒng)的出現(xiàn)，提高了對中國畫色彩的修復能力，加強了對繪畫的保護，讓有故事有思想的中國繪畫得以延續(xù)，同時，也為其他國家的繪畫色彩修復提供了技術支持[2]。

1? 中國畫色彩修復系統(tǒng)硬件設計

在原有系統(tǒng)硬件結(jié)構的基礎上，添加一個識別、采集能力更強的圖像采集卡，該卡的型號為VT?600EX，可以與V8，Hi?8等圖形采集器相連接，將繪畫整體色彩完整地儲存在計算機中。同時，在該卡的保證下，調(diào)整圖像大小尺寸、亮度、對比度等操作，均不會導致繪畫圖像失真[3]。

圖像采集卡的適用主機接口為PCL?EX1，200 MB/s傳輸帶寬，輸出接口為HDMI1.3，充分保證繪畫數(shù)據(jù)在采集與傳輸?shù)倪^程中不會丟失，設計的系統(tǒng)硬件組成框架如圖1所示。

所添加的數(shù)據(jù)采集卡與其他硬件之間的關系如圖1所示。系統(tǒng)硬件結(jié)構利用數(shù)集采集硬件獲取中國畫的基本數(shù)據(jù)信息，經(jīng)圖像增強器處理后，強化繪畫中人物、景象的輪廓特征，色彩紋理特點等相關信息，通過PLC端口將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器中，利用圖像處理器識別所收集的中國畫基本信息是否完整，若不完整則通過反饋頁面返回給計算機，重新獲取繪畫信息;繪畫圖像一次處理識別通過后，利用伺服驅(qū)動器對發(fā)生褪色的地方進行修復，通過傳感器反饋修復結(jié)果完成對中國畫的色彩修復[4]。

2? 色彩修復系統(tǒng)軟件設計

中國畫色彩修復系統(tǒng)硬件，是保證軟件平穩(wěn)運行、發(fā)揮強大功能的基本前提，因此，在保證該前提的情況下，基于圖像處理技術，設計色彩修復系統(tǒng)軟件。

2.1? 識別中國畫色彩修復邊緣

圖像處理技術主要包括圖像數(shù)據(jù)化處理、圖像增強和復原處理、圖像數(shù)據(jù)編碼、圖像分割處理和圖像識別。利用此項技術中的圖像識別，明確中國畫的色彩修復邊緣。圖2所示的中國畫可作為一個參照對象，該中國畫由于保存不當，邊緣出現(xiàn)了色彩重疊以及局部褪色的問題，因此，對該畫作進行色彩修復邊緣識別[5]。

根據(jù)圖2中的花朵、花葉以及繪畫的外框邊緣色彩位置，識別色彩修復邊緣。利用圖像識別技術，將該圖像劃分成[m×n]的柵格形式，然后將每個窗口中的色彩邊緣作最大化識別處理，令每個窗口內(nèi)的色彩差異邊緣增強，找到窗口內(nèi)色彩豐富與褪色部位的最大差異銜接處，該銜接處可用一個損失公式表現(xiàn)：

式中：[smoothL1x]表示在邊緣長度為[L1]的中國畫中，對[x]位置處的邊緣平滑函數(shù);[λ]表示一個固定計算常量，通常取值在[0，1]內(nèi);[u]表示繪畫銜接處的清晰度;[v]表示一類邊緣類別;[tv]表示畫中的色彩變化數(shù)據(jù)的預測元組;[w]表示二類邊緣類別;[σ]表示艾佛森指數(shù)函數(shù);[Lclsu，v]表示在[u]，[v]控制下的真實類別邊緣識別函數(shù);[Lloctv，w]表示在[tv]控制下的預測識別函數(shù);[k]表示橫、縱坐標為[x]，[y]，銜接位置為[p]和[q]的判斷系數(shù)[6?8]。利用上述計算表達式，實現(xiàn)對中國畫變色或褪色部位的邊緣識別。

2.2? 提取及合成色彩

在完成邊緣識別操作后，提取完整繪畫區(qū)域內(nèi)的色彩分布，以及色彩重疊搭配紋理。該提取方法利用Criminisi算法提取修復圖像中的損失色彩信息，同時，按照原圖中的色彩紋理，執(zhí)行疊加指令，得到所需要的修復色彩。該算法第一步設置提取位置節(jié)點，設置色彩完整部位中各個節(jié)點的優(yōu)先處置權，找出權值比重最高的節(jié)點位置，以該節(jié)點為色彩提取中心，在一個小范圍的區(qū)域內(nèi)提取繪畫局部色彩[9]。該節(jié)點優(yōu)先權的計算公式為：

式中：[pi]表示特征性最強的色彩數(shù)據(jù)在[i]處的具體位置;[Cpi]表示對該數(shù)據(jù)的置信度;[Dpi]表示對這一點數(shù)據(jù)的支持度;[γ]表示該系統(tǒng)的迭代次數(shù);[μ-i]表示位置修正參數(shù)。利用式（2）提取區(qū)域色彩的示意圖[10?11]如圖3所示。

按照圖3所示，根據(jù)不同位置提取顏色一致的色彩，并根據(jù)色彩紋理走向進行顏色疊加，合成與原始色彩一致的顏色，實現(xiàn)對繪畫修復的色彩提取與合成[12]。

2.3? 偏微分方程完成色彩修復

綜合上述兩個步驟，利用偏微分方程設置多個可修改變量，結(jié)合有限差法和變分法，利用圖像處理技術中的圖像數(shù)據(jù)編碼手段，建立中國畫色彩修復系統(tǒng)的程序執(zhí)行代碼[13]。偏微分方法設置代碼的計算公式為：

式中：[F]表示所有變元的連續(xù)函數(shù);[sx，y]表示在位置橫縱坐標向量為[x]，[y]處的修復函數(shù);[n]表示該微分方程的階數(shù);[Q]表示降階量;[Ln]表示修復邊緣[14]。通過式（3）運行修復代碼，實現(xiàn)對所選區(qū)域內(nèi)繪畫色彩的顏色修復，至此基于圖像處理技術的中國畫色彩修復系統(tǒng)設計完成[15]。

3? 仿真實驗

為測試所設計修復系統(tǒng)的可行性，模擬一幅存在褪色和暈染的中國畫作為實驗對象，分別利用所設計系統(tǒng)與原有修復系統(tǒng)對該中國畫的色彩進行修復，分析兩組實驗數(shù)據(jù)，得出實驗測試結(jié)論。

3.1? 實驗準備

搭建仿真實驗平臺，設置實驗環(huán)境參數(shù)，為保證兩組實驗測試結(jié)果的準確性，模擬一個色彩空間，如圖4所示。

將上述色彩空間作為檢驗修復效果的色彩參考數(shù)據(jù)，分別使用兩個修復系統(tǒng)對圖5中的中國畫進行色彩修復。

此次實驗，通過得到的繪畫掃描結(jié)果，分析兩個修復系統(tǒng)對色彩暈染或者褪色邊緣的識別能力。

3.2? 結(jié)果分析

將所設計系統(tǒng)的實驗測試結(jié)果計入實驗組中;將原有系統(tǒng)的測試結(jié)果計入?yún)⒄战M中，得到的實驗測試結(jié)果如圖6所示。對比兩組結(jié)果的差異，分析修復系統(tǒng)的識別能力，得出實驗結(jié)論。

根據(jù)圖6中的測試結(jié)果可知：所設計的修復系統(tǒng)將實驗對象的邊緣全部識別出來，形成一個個閉合的邊緣曲線，該系統(tǒng)按照該閉合邊緣實現(xiàn)對色彩的修復，確保修復后的區(qū)域不會出現(xiàn)色彩暈染的情況;而原有的修復系統(tǒng)，識別繪畫色彩過渡邊緣的能力較弱，致使識別出的邊緣缺失、抖動，同時，邊緣線也有斷點的情況發(fā)生，其中還包括了一些虛假邊緣，導致最終按照該邊緣線修復的區(qū)域出現(xiàn)大面積暈染，與原始色彩大相徑庭。

為進一步驗證所設計系統(tǒng)的中國畫色彩修復效果，利用中國畫色彩的可理解度和逼真度作為系統(tǒng)的修復效果的有效衡量指標。

通過將修復后的中國畫與原始圖像進行色彩誤差分析，定量化評價圖像質(zhì)量，質(zhì)量好的中國畫誤差較小，理解度和逼真度相對也較高，與原始圖像間的相似程度也越高。

采用系統(tǒng)修復后的中國畫圖像與原始圖像的偏離誤差客觀評價色彩修復后的中國畫質(zhì)量，通常采用時間、均方誤差、峰值信噪比或結(jié)構相似度評價中國畫圖像質(zhì)量。

設圖像大小為[M×N]，原始圖像用[I0（i，j）]表示，修復后的圖像用[I1（i，j）]表示。系統(tǒng)修復后圖像的質(zhì)量評估均方誤差（MSE）如下：

式中MSE的值越小，表明圖像修復質(zhì)量越高。

峰值信噪比（PSNR）如下：

PSNR值越大，表明修復后圖像的質(zhì)量越好。

結(jié)構相似度對比（SSIM）：將中國畫圖像的結(jié)構定義為[I（x）=x-μxσx]，兩個圖像塊[x，y]之間的相關性即為[I（x），I（y）]之間的相關性，因此，可將SSIM定義為：

結(jié)合中國畫全部色彩的相似性度量結(jié)果獲取中國畫圖像的最終SSIM值，SSIM值越大，表明修復后圖像的質(zhì)量越好。

比較兩種系統(tǒng)對中國畫色彩修復中色彩暈染修復和褪色邊緣修復的執(zhí)行時間、均方誤差、峰值信噪比以及結(jié)構相似度，評價兩種系統(tǒng)修復后的中國畫圖像質(zhì)量結(jié)果如表1所示。

分析表1數(shù)據(jù)可知，所設計的修復系統(tǒng)的中國畫色彩修復執(zhí)行時間遠遠小于原有的系統(tǒng)，其中，圖像的褪色邊緣修復所用執(zhí)行時間節(jié)省較多，相比原有系統(tǒng)縮短了16.09 s，極大程度地提高了系統(tǒng)運行效率。所設計的修復系統(tǒng)色彩暈染修復均方誤差僅為原有系統(tǒng)的50%左右，極大程度地提升了圖像修復后的感官效果，且所設計的修復系統(tǒng)的PSNR和SSIM均大于原有系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，所設計系統(tǒng)修復后的中國畫圖像質(zhì)量更高，更容易達到人們的視覺和理想心理認可度。

4? 結(jié)? 語

本文設計的中國畫色彩修復系統(tǒng)，通過圖像處理技術的識別能力，獲取更加精準的繪畫邊緣，令每一修復位置均處于一個閉合區(qū)域內(nèi)，防止出現(xiàn)色彩暈染，極大程度地解決了原有系統(tǒng)修復能力不足的問題。但此次設計的繪畫色彩修復系統(tǒng)，是在中國畫保留了部分色彩的基礎上提出的，對于完全褪色的中國繪畫，可能不能修復出原有的繪畫色彩。因此，在今后的研究中，還要加大對整幅失色中國畫色彩修復系統(tǒng)的研究力度。

參考文獻

[1] 錢偉，常霞，虎玲.基于改進顏色傳遞策略與NSCT的紅外與可見光圖像偽彩色融合[J].紅外技術，2019，41（6）：555?560.

[2] 張嬋.清代通草水彩畫顏料的原位無損分析[J].光散射學報，2019，31（1）：60?65.

[3] 錢明勇，林珊玲，曾素云，等.電潤濕電子紙的實時動態(tài)顯示驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)[J].光電工程，2019，46（6）：87?95.

[4] 郭亮.大屏幕顯示系統(tǒng)拼接圖像撕裂原因與對策[J].電視技術，2019，43（4）：22?24.

[5] 蘭紅，方治嶼.3維灰度矩陣的鋼板缺陷圖像識別[J].中國圖象圖形學報，2019，24（6）：859?869.

[6] 毛櫳嘩，李彬華，張西亮，等.基于2 m級大口徑望遠鏡的幸運成像算法的實驗研究[J].光學技術，2018，44（5）：542?548.

[7] 柳浪濤，谷林，賈鄭磊.基于雙檢測器的邊緣檢測算法[J].計算機工程與設計，2017，38（8）：2199?2203.

[8] 王紅雨，尹午榮，汪梁，等.基于HSV顏色空間的快速邊緣提取算法[J].上海交通大學學報，2019，53（7）：765?772.

[9] 李夢雪，翟東海，孟紅月，等.劃分特征子區(qū)域的圖像修復算法[J].計算機應用，2017，37（12）：3541?3546.

[10] 謝斌，徐晨，韓雨，等.顯著顏色提取的織物圖像色彩轉(zhuǎn)移改進方法[J].信號處理，2019，35（4）：593?600.

[11] 雷飛，朱林，王雪麗.改進多尺度Retinex色彩灰度的水下彩色圖像研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2018，39（1）：185?188.

[12] 王延年，劉會敏，趙朗月.BV反應孔顏色識別算法研究[J].激光雜志，2018，39（5）：45?48.

[13] 史麗燕.基于機器視覺和圖像處理的包裝印刷缺陷檢測方法[J].科技通報，2018，34（10）：105?108.

[14] 喬景慧，李嶺.基于機器視覺的電視機背板檢測及自適應抓取研究[J].工程設計學報，2019，26（4）：452?460.

[15] 夏松竹，楊靜，方寶輝，等.基于GPU異構平臺的實時CT圖像重建系統(tǒng)的研究[J].計算機應用研究，2019，36（6）：1879?1882.