基于轮廓线双向距离场的文物碎片拼接算法

基于轮廓线双向距离场的文物碎片拼接算法是为了解决文物碎片自动拼接过程中由于断裂部位受损导致几何特征缺失而提出的。传统基于几何驱动的方法在此情况下难以实现精确拼接，而本文提出的算法有效地克服了这一难题。 算法首先通过提取文物碎片表面的显示脊线来获得碎片表面的纹饰结构和断裂部位的轮廓线。显示脊线的提取能够清晰地展示出文物碎片的轮廓和重要的几何特征，这是进行后续拼接工作的基础。接着，采用最小逼近误差法提取出表面纹饰轮廓上的特征点。此方法可以减少提取过程中出现的误差，提高特征点的准确性。再依据顶点曲度值获取断裂面的特征点，顶点曲度值描述了表面各点的曲率，这对于确定断裂面特征点的位置至关重要。 然后，算法分别构建了从碎片断裂面轮廓线至表面特征点和断裂面特征点的双向距离场。距离场是一种描述空间内某一点到一个形状或一组形状距离的函数，这里的双向距离场涉及两个方向：表面特征点到断裂面轮廓线的距离和断裂面特征点到轮廓线的距离。通过引入欧式距离一致性和凹凸互补性的约束，算法能够构造出能够有效判断碎片断裂特征的描述符。这些描述符用于后续的特征点匹配过程。 匹配度函数的定义是为了获取特征点匹配对集合。特征点对的匹配是碎片拼接的关键步骤，匹配度函数可以评估特征点对之间的相似度或关联程度，从而确定哪些特征点对是最佳的匹配对。 算法采用四元数方法计算刚体变换矩阵。四元数是一种数学工具，它能够有效地表示和计算三维空间中的旋转，这在确定文物碎片相对位置时非常有用。通过迭代最近点法（ICP）实现精确拼合，这是一种常用的点云配准方法，通过迭代过程不断优化点对之间的匹配，直到达到最佳的拼合效果。 实验数据表明，与传统的断裂面拼接算法相比，本文提出的算法在拼合时间上节省约3%~6%，而拼合误差小于1mm。这说明本算法能够有效解决断裂部位存在缺损的文物碎片拼合问题。该算法的成功运用不仅提高了文物修复的精确度和效率，也为相关领域的技术发展提供了新的思路和方法。 关键词中的“文物拼接”指出了算法的应用领域；“距离场”是算法中用于分析和计算的关键数学模型；“显示脊线”是提取文物碎片特征的重要依据；“最小逼近误差法”和“四元数”分别指代算法中用于优化特征提取和旋转计算的方法；“迭代最近点法”则指代用于精确对齐碎片的算法步骤。 该研究论文提出了一种创新的文物碎片拼接算法，通过引入双向距离场和相关约束条件，改进了特征点的提取和匹配过程，提高了文物碎片自动拼接的准确性和效率。这项研究对于文物保护、修复和数字化有着重要的实践意义和应用价值。