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        計算機拼接甲骨碎片圖像技術簡論

        2020-11-16 07:46:04劉成林
        殷都學刊 2020年3期

        張 展,高 峰,劉成林

        (1.安陽師范學院, 甲骨文信息處理教育部重點實驗室, 河南 安陽 455000;2.中國科學院自動化研究所, 模式識別國家重點實驗室, 北京 100190)

        引言

        對于甲骨人工拼接,甲骨學者提出了不同的方法:鄭慧生等在《甲骨綴合八法小議—<甲骨文合集>綴合筆記》提到8法[1]。白玉崢等在《讀甲骨綴合新編暨補編略論甲骨綴合》中提出5法[1]。黃天樹等歸納總結了4法[2,3],根據(jù)字體、殘字、碴口、同文等信息拼接甲骨。以上皆是甲骨學專家提出的人工拼接甲骨的方法,為計算機拼接甲骨提供了思路。

        一、計算機拼接方法

        1.1 編碼數(shù)字化拼接法

        如圖1所示,根據(jù)龜甲的生理結構[4],周鴻翔等將龜甲分為左右對稱的兩部分,每部分分為首甲、前甲、后甲和尾甲,中甲C。首甲、尾甲細分為3個部分,前甲和后甲細分為4個部分,用于編碼甲骨字出現(xiàn)的位置。甲骨的尺寸被分為小、中和大3種。文字被分為非常細、正常和像頭發(fā)3種。依次根據(jù)甲骨碎片在乙編中的編號、甲骨碎片在烏龜生理的位置、甲骨的尺寸、甲骨刻畫文字的字體、以及甲骨碎片上刻畫的位置等信息,對甲骨碎片進行編碼。童恩正等增加了用于編碼的甲骨信息,并進行甲骨編碼拼接數(shù)字化[5],此處的數(shù)字化改進了編碼拼接方法。其采用的編碼信息有6項,包括時代、字跡、骨板、碎片、卜辭和邊緣等。根據(jù)確定碎片屬于哪一部分,可以參考甲骨的邊緣、紋理、卜辭走向、卜辭等確定拼接規(guī)則。

        圖1 甲骨碎片信息編碼

        1.2 邊角拼接法

        文獻《如何利用電腦影像處理技術整理甲骨拓片重片》中,將二維的封閉圖形放大、旋轉、平移后產(chǎn)生一個一維的特征值,盡量準確地描述圖形的物理特征,以便分類,從而找出重片。該論文首次采用計算機圖像技術處理甲骨片,其本質是比較圖像,不是進行甲骨的計算機拼接,但對甲骨拼接有借鑒意義。

        臺灣清華大學林雅婷等[6, 10],提出邊緣長度比值法。其關鍵技術路線是:甲骨邊緣提取、邊緣向量化和多邊形調整等預處理技術,向量化的特征依序將各點X、Y、Z坐標和所屬輪廓線編號分列存成文字檔。在甲骨彩色圖像拼接時,提出基于邊緣凹角與凸角的拼接技術,具體包括單一角的比較、連續(xù)多角的比較、以及三個角綜合360度三種情況。

        具體的思路如圖2所示,為計算機拼接甲骨碎片三種情況的思路。在邊角近似相同的情況下,如圖2a中,計算擬拼接甲骨碎片圖像兩邊線段的比值,若比值的平方和約等于2,則認為兩者可以拼接;如圖2c中連續(xù)的角的邊的比值平方和約等于邊的個數(shù);如圖2e中,360度角相應邊的比值平方和約等于3。此處的比值平方和,被稱為拼接得分,對應的比例分別如下公式1、公式2和公式3所示。

        圖2 凹凸角拼接

        公式(1)

        公式(2)

        公式(3)

        1.3 邊緣特征拼接法

        劉永革等[7]根據(jù)提取甲骨拓片圖像輪廓的序列點,每三個近鄰序列點連線構成向量的夾角角度,并在多尺度的情況下,計算輪廓序列點連線組成的角度序列,將此角度序列作為甲骨碎片拓片圖像特征,據(jù)此進行甲骨碎片拓片圖像匹配。如果某一尺度下,源輪廓角度特征序列的第i個角度與目標輪廓角度序列特征的第j個角度,滿足公式(4),則認為兩者在此尺度下匹配。

        |aiT-bjT|<ε

        公式(4)

        王愛民等對甲骨圖像二值化后,跟蹤甲骨圖像輪廓結合輪廓旋轉角度,提取輪廓鏈碼、傅里葉描述子等特征,并計算待拼接輪廓特征向量Fs與數(shù)據(jù)庫中的特征向量Fd的歐氏距離,若此距離小于閾值則認為兩者可能拼接。因為選定閾值困難,所以計算兩向量的相似度作為評分標準,如公式(5)所示:

        公式(5)

        1.4 形狀拼接法

        張長青等根據(jù)甲骨圖像邊界匹配等,進行甲骨拼接[8, 9]。主要技術包括邊界增補、邊界提取等。在拼接形狀時,把源邊界平移與旋轉到目標邊界上,將邊界匹配長度與匹配邊界縫隙面積比值作為相似度s的計算,并定義了匹配度Sm,如公式(6)和公式(7)所示,選取最大匹配相似度對應的匹配邊界對應的甲骨,作為可拼接甲骨碎片。

        公式(6)

        Sm=a*s +(1-a)*s

        公式(7)

        二、邊緣坐標拼接方法

        為了有效拼接甲骨碎片圖像,本文提出兩種甲骨圖像拼接方法:等像素拼接法和等距離拼接法。如圖3所示,粉紅曲線是乙編3337號甲骨拓片圖像邊緣(與水平直線相交的曲線),即源甲骨碎片圖像邊緣,綠色曲線是乙編2556號甲骨拓片圖像邊緣,即目標甲骨碎片圖像邊緣。

        圖3 兩種算法的步長

        針對甲骨碎片圖像邊緣坐標匹配,提出等像素拼接和等距離拼接兩種方法。等像素拼接方法,如圖3a所示,將源甲骨碎片圖像邊緣的一段,旋轉平移到目標甲骨碎片圖像邊緣的位置,每隔固定數(shù)目的像素采樣一個像素點(紅色點),計算此段采樣點與目標甲骨碎片圖像邊緣相應采樣點的距離和,并作為不相似度,將不相似度小于閾值的甲骨碎片圖像組,作為邊緣坐標匹配甲骨碎片圖像,如公式(8)所示,Sj是粉紅采樣點,Di是綠色采樣點,Sdi是等像素拼接算法采樣點距離和。等距離拼接方法,如圖3b所示,在源甲骨碎片圖像邊緣旋轉平移到目標甲骨碎片圖像邊緣后,使用半徑依次等距離增加的圓形,將甲骨碎片圖像邊緣分多個小段進行采樣,計算源甲骨碎片圖像與目標甲骨碎片圖像邊緣采樣點之間的距離和,作為不相似度處理,如公式(9)所示,SRj是粉紅采樣點,DRi是綠色采樣點,SdRi是等距離拼接算法采樣點的距離和。等像素拼接法的計算量小,等距離拼接法的適應性好。

        公式(8)

        公式(9)

        三、實驗

        實驗使用Windows平臺,VS2017開發(fā)環(huán)境,OpenCV圖像處理函數(shù)庫。實驗使用中歷藏1920幅圖像庫。打開797號甲骨圖像,提取甲骨邊緣,選擇甲骨邊緣的一部分,讓程序搜索從1到1920號甲骨拓片圖像的匹配邊緣,并保存搜索到的滿足閾值的圖像。

        如圖4舉例說明甲骨碎片圖像邊緣等距離拼接法,圖4a左側為社科院歷史所編號為797號甲骨,圖4a右側為社科院歷史所編號為799號甲骨,左側甲骨局部邊緣(綠色曲線)旋轉平移到右側甲骨局部邊緣后,計算兩甲骨對應局部邊緣(紅色平行線之間)采樣點坐標的距離和,若滿足設定閾值,則保存下來,作為邊緣坐標匹配甲骨碎片圖像。甲骨碎片圖像邊緣坐標拼接時,甲骨拓片圖像比甲骨彩色圖像邊緣坐標拼接更加準確,因為甲骨拓片圖像的邊緣更加清晰(圖4b所示),而甲骨彩圖往往會拍攝到甲骨碎片斷口(圖4a右圖),但是甲骨拓片在甲骨盾紋部分呈白色,提取其邊緣會有偏差(圖4b右圖粉紅色輪廓),甲骨碎片圖像邊緣等距離拼接法就是為了解決這兩個問題。

        圖4 中歷藏797與799號的甲骨拼接

        如圖5所示,使用本文算法發(fā)現(xiàn)的可拼接被認證的第一組甲骨圖像,中歷藏1003號與1242號甲骨。

        圖5 中歷藏1003與1242號甲骨綴合

        四、小結

        計算機拼接甲骨圖像的前期,使用的編碼拼接法、數(shù)字化拼接法,大多需要甲骨專家事先統(tǒng)計甲骨的位置,字數(shù)等信息,并且正確率不夠高,這兩種方法雖然沒有使用數(shù)字圖像處理與計算機視覺,但使用了計算機進行甲骨拼接,對后來的甲骨碎片圖像拼接具有參考意義。

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