一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法，包括：建立石窟寺洞窟基礎數據庫，該數據庫中包括洞窟的位置信息、營造朝代，病害信息和普查時間，所有病害信息均為高維的特征向量；從上述石窟寺洞窟基礎數據庫中讀取某一石窟寺的位置信息，通過設計一個多層圓環，并將同一普查時間下的該石窟寺各層洞窟的病害信息以柱狀圖的形式均按照同一旋轉方向間隔地分布到扇形區域所覆蓋的圓環中模擬遺產地全景圖的效果，以發現整個石窟寺級別的病害模式，利用本發明方法可以提高文化遺產領域相關人員的工作效率，為文化遺產保護奠定堅實的基礎。
【專利說明】一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采用可視分析和交互技術手段實現古代石窟寺壁畫病害分析系統，尤其涉及一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法。
【背景技術】
[0002]文化遺產是歷史留給人們的寶貴財富，在全球化的今天，對于傳統文化的保護，逐漸成為世界各國政府和民間關注的一大焦點。石窟寺壁畫作為世界文化遺產，例如我國的敦煌莫高窟因其洞窟內精美的壁畫而著名。然而這些寶貴的壁畫正在遭受人為損害和自然環境導致的退化問題，它們可能是物理、化學、生物等多方面因素影響的結果，包括自然老化、環境退化和人類活動等因素。因此，壁畫呈現了不同的病害，根據現象可以把它分為裂隙、脫落、褪色、皰疹、起甲、酥堿、空鼓和霉變。因此保存壁畫并且使這些歷史文化遺產免受自然環境導致的退化和人為損害是非常重要的。
[0003]可視分析是一項近幾年發展起來的新技術，是信息可視化和科學可視化領域發展的產物，是人們理解和詮釋大規模復雜情況的重要手段和途徑。它主要借助于交互式用戶界面對復雜數據對象進行分析推理決策，從海量和動態的數據中整合信息，獲取對復雜信息的更深層的理解。信息可視化技術是在現代信息處理平臺的基礎上，根據用戶對信息的需要，利用適當的可視化符號表示各種信息和信息內外部的關系，使人們更方便、快速地與信息源進行交互，發現隱藏在信息中的各類知識，進行更有效的交流。計算機對于信息的可視化展示與人的觀察和分析結合，形成了高效地可視分析方法用來解決各種難題。
[0004]如今，人們對于文化遺產的保護已經做了大量的工作，一方面,針對壁畫病害,他們所作的人工普查報告和文物數據相對全面，對于壁畫病害機理如酥堿、霉變、脫落、崖體變形的深度分析；對無機鹽結晶與溫濕度關系的研究；對有機顏料降解的減緩和控制研究；對顏料成分和性質分析；溫濕度小氣候、沙漠小環境、游客對壁畫病害影響的研究；壁畫的光照敏感性研究，也曾展開國際合作針對特定石窟寺壁畫開展全方位保護項目。各個保護項目獨立展開，雖然精細，但是其一是其工作信息化自動化程度低，缺乏行之有效的規范和標準，其二是各自為戰的保護模式很難通過大規模數據發現潛在的規律和風險。另一方面，他們開發了 一系列收集、分析、可視化和建模文化遺產信息的方法。如可視化中的虛擬現實技術或者3D重建技術；基于GIS的通用的可視化系統；CAD測繪等。但是這些方法并不是專用于文化遺產保護，甚至目前還沒有專用于分析和可視化壁畫病害的方法。
[0005]雖然目前已經進行了許多調查和研究工作，并且將越來越多的關于壁畫普查和監測數據存儲在數據庫中，但是由于以下原因，病害的分析、可視化、理解是非常具有挑戰性的，第一，病害的復雜性部分取決于壁畫本身的結構的復雜性；第二，由于數據獲得方式和描述的多樣性，數據是異構的、多維的、多種屬性的；第三，壁畫病害的退化機制是非常復雜的，因為大部分病害是多種因素綜合作用的結果；第四，大部分壁畫在它們被發現之前已經經歷了很長的歷史，因此已經被監測和記錄的時間是相對較短的，從而用于研究病害的信息和數據是有限的，特別是關于形成過程和機制方面的資料是非常少的；第五，病害有不同的特征，常常被分為穩定性病害和活動型病害。
【發明內容】
[0006]針對上述現有技術中的不足和將壁畫病害數據可視化所面臨的挑戰，本發明提供一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法，將可視分析技術應用于傳統的壁畫病害的研究方面，是一套分析和假設驗證的工具，以此用來發現壁畫的病害模式，能高效的分析壁趣的病害模式，包括病害的空間分布和時間演化模式等。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、建立石窟寺洞窟基礎數據庫，該數據庫中包括洞窟的位置信息和營造朝代，所述位置信息包括洞窟號和洞窟的坐標；數據庫中還包括經過多次普查得到的病害信息和普查時間，所述病害信息包括病害種類、病害數和病害的嚴重程度；所有病害信息均為高維的特征向量；
[0009]步驟二、從上述石窟寺洞窟基礎數據庫中讀取某一石窟寺的位置信息，作一同心圓，該同心圓所包含的圓的個數是該石窟寺洞窟層數的2倍；自同心圓的最外層圓起，第一層與第二層圓形成圓環、第三層與第四層圓形成圓環，依此類推，形成有與洞窟層數相同的同心圓環，且圓環的厚度相同，將所述同心圓環中除最外層之外的每個圓環分為多個扇形區域；將同一普查時間下的該石窟寺各層洞窟的病害信息以柱狀圖的形式均按照同一旋轉方向間隔地分布到扇形區域所覆蓋的圓環中；其中，分布有柱狀圖的扇形區域的中心角相同，未分布柱狀圖的扇形區域的中心角相同；所述柱狀圖具有多等分不同的色塊，每一色塊分別表示空鼓、脫落、裂縫、皰疹、霉變、蟲害、起甲和酥堿病害類型；
[0010]步驟三、通過計算每兩個洞窟病害特征向量的幾何距離來確定兩個洞窟的相似度，根據相似度的計算結果確定閾值，將高于閾值的代表兩個洞窟的柱狀圖之間做連線，并采用優化bundle algorithm將連線進行捆綁,所述優化bundle algorithm是將控制點放置在每一層中未分布有柱狀圖的區域的中心點，且外層的控制點依次隸屬于里層的控制點，外層的洞窟依次隸屬于里層的控制點，并將連線被迭代的捆綁到其控制點；
[0011]步驟四、根據用戶需求選擇性的顯示以柱狀圖形式所表示的病害類型信息，分析發現病害模式，為確定該石窟寺壁畫的修復方案奠定基礎。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0013]相比于現已存在的石窟寺壁畫病害研究方式，本發明的優勢是使用了可視分析這個正在興起的技術很好的解決了病害模式的發現問題。和以往的非可視化技術相比，本發明具有更直觀的優勢，讓使用本發明的研究人員等更清晰的發現石窟寺壁畫病害模式，利用本發明方法可以提高文化遺產領域相關人員的工作效率，為文化遺產保護奠定堅實的基礎。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1 (a)是多層圓環布局；
[0015]圖1 (b)是代表一個洞窟病害類型信息的柱狀圖；
[0016]圖1 (c)是優化的bundle algorithm設置的控制點；[0017]圖1 (d)是發現壁畫病害模式的總體設計；
[0018]圖2是發現病害時間演化模式的ThemeRiver ；
[0019]圖3是病害共生模式結果圖；
[0020]圖4 Ca)是北涼時期的病害模式結果圖；
[0021]圖4 (b)是隋朝的病害模式結果圖；
[0022]圖4 (C)是盛唐時期的病害模式結果圖；
[0023]圖5 Ca)是酥堿病害模式的空間聚類模式結果圖；
[0024]圖5 (b)是皰疹病害模式的空間聚類模式結果圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步詳細地描述。
[0026]本發明一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法，包括以下步驟:
[0027]步驟一、建立石窟寺洞窟基礎數據庫:
[0028]首先進行每年普查數據的預處理，包括文本和圖像數據。文本數據包括記錄的洞窟號、普查時間、病害位置，以及病害類型和其他的詳細描述；圖像數據包含病害的照片和對病害進行手工標注的圖片，這些圖片數據從某種程度上反應了病害的嚴重程度和病害在墻壁上的分布。這些非結構的數據是高維的、多元的和異構的，數據集非常大，存在很大程度上的冗余，它們不能直接進行信息檢索和分析。因此，我們首先采用了一個自動化的數據提取軟件將非結構化的數據結構化，然后采用人工評價的方式量化病害的嚴重程度。
[0029]結構化的數據庫中包括洞窟的位置信息和營造朝代，所述位置信息包括洞窟號和洞窟的坐標；數據庫中還包括經過多次普查得到的病害信息和普查時間，所述病害信息包括病害種類、病害數和病害的嚴重程度；所有病害信息均為聞維的特征向量；
[0030]步驟二、因為一個石窟寺的全景圖是一個可以呈現石窟寺全局狀態的最簡單的方法，但是它太窄太長，而且不能擴展。另外，由于病害分布和嚴重程度的復雜性導致結構化的數據集非常大，通過簡單的圖表分析很難發現病害模式。因此，本發明設計了一個多層圓環的布局，模擬遺產地全景圖的效果，以發現整個石窟寺級別的病害模式。發明人從上述石窟寺洞窟基礎數據庫中讀取某一石窟寺的位置信息，作一同心圓，該同心圓所包含的圓的個數是該石窟寺洞窟層數的2倍；自同心圓的最外層圓起，第一層與第二層圓形成圓環、第三層與第四層圓形成圓環，依此類推，形成有與洞窟層數相同的同心圓環，且圓環的厚度相同，將所述同心圓環中除最外層之外的每個圓環分為多個扇形區域，如圖1 (a)所示；將同一普查時間下的該石窟寺各層洞窟的病害信息以柱狀圖的形式(如圖1 (b))均按照同一旋轉方向間隔地分布到扇形區域所覆蓋的圓環中；其中，分布有柱狀圖的扇形區域的中心角相同，未分布柱狀圖的扇形區域的中心角相同；因為每層都有大量的洞窟，因此每一層圓環中分配給每個洞窟的柱狀圖的屏幕空間是非常有限的。而每個洞窟有多種病害類型，為了表示洞窟的病害信息，將所述柱狀圖多等分為不同的色塊，每一色塊表示一種病害類型，此處色塊分別表示空鼓、脫落、裂縫、皰疹、霉變、蟲害、起甲和酥堿病害類型，將柱狀圖向扇形區域布置是由靠近中心向外圓處依次按照空鼓、脫落、裂縫、皰疹、霉變、蟲害、起甲和酥堿的順序布置。本發明中，用戶可以動態的調節圓環的厚度、扇形區域的個數以及柱狀圖色塊的個數，但要保證每層圓環的厚度相等，每層圓環中分布有柱狀圖的扇形區域覆蓋的面積相同，未分布有柱狀圖的扇形區域覆蓋的部分面積相同，每個柱狀圖色塊的個數相同。通過這個策略，每個洞窟保持了它的相對位置，同時多層圓環的布局增加了屏幕利用率。
[0031]步驟三、通過計算每兩個洞窟病害特征向量的幾何距離來確定兩個洞窟的相似度，根據相似度的計算結果和用戶的需求確定閾值，將高于閾值的代表兩個洞窟的柱狀圖之間做連線。但是當用戶設置的閾值比較低時，會產生大量的連線，導致連線非常雜亂無章，并且內層的柱狀圖可能會被覆蓋。因此發明人采用并優化了 bundle algorithm將連線進行捆綁，所述優化bundle algorithm是將控制點放置在每一層中未分布有柱狀圖的區域的中心點，且外層的控制點依次隸屬于里層的控制點，外層的洞窟依次隸屬于里層的控制點，并將連線被迭代的捆綁到其控制點。如圖1 (c)Pn+1的控制點是Pn，Qn+1的控制點是Qn，且圖中連線的控制點是從Ptl到P3和從Qtl到Q3。采用這樣的策略，可以將連線捆綁到不同的扇形區域和圓環，以便用戶更好的發現連線的趨勢，從而得到洞窟之間相似性的趨勢。這也正是在圓環和圓環之間留出空隙和將柱狀圖間隔地放在扇形區域的原因。
[0032]并且為了方便用戶觀察每個洞窟更詳細的病害信息，當鼠標在某一個柱狀圖上浮動時，會呈現相應洞窟的手工標注病害的平面展開圖，可以通過放縮操作觀察墻壁上的病害細節；同時也會呈現該洞窟的ThemeRiver, ThemeRiver主要用來觀察病害的時間演變，它的橫軸代表時間，每一條河流代表一種病害，而河流的寬度是由每一年的病害數決定的。如圖2所示，其中的每個標號①、②、③、④所在的區域代表一種病害類型數目隨時間的演變，通過ThemeRiver技術用戶可以清晰的發現洞窟的各種病害隨時間的演變模式
[0033]步驟四、根據用戶需求選擇性的顯示以柱狀圖形式所表示的病害類型信息，分析發現病害模式，為確定該石窟寺壁畫的修復方案奠定基礎。
[0034]下面通過研究材料進一步印證本發明具有其科學性、準確性及重復再現性。以下實例中的石窟寺是三層結構，并且底層到頂層洞窟與外層到內層圓環是一一對應的。
[0035]實施例1、病害的共生模式:
[0036]按照本發明方法步驟得出反應洞窟壁畫病害類型信息的同心圓環圖，并從中選擇性的顯示該洞窟壁畫存在的裂縫和空鼓兩種病害類型信息，如圖3所示，經過觀察可以清楚的得出:大部分洞窟有裂縫和空鼓病害，其中深灰色和淺灰色的柱狀圖分別代表裂縫和空鼓，它們占據了圓環的大部分面積。并且空鼓和裂縫幾乎是同時出現的，因此我們可以認為裂隙和空鼓是共生的，即當一種病害存在的同時會存在另一種病害。根據觀察結果咨詢領域專家，它們對這種結果予以肯定，并對這種共生現象進行解釋:因為這兩種病害都與洞窟建筑結構的穩定性有關系，空鼓隨著時間的推移會轉化為裂縫。也就是說在沒有領域知識的前提下，使用我們的方法也可以發現病害的共生模式。
[0037]實施例2、朝代有關的病害模式
[0038]按照本發明方法步驟得出反應洞窟壁畫病害類型信息的同心圓環圖，并從中選擇性的顯示不同時期建造的洞窟。如圖4 (a)所示，在北涼時期共建造了 8個洞窟，其中的7個被建在第三層，I個被建在第二層，并且由圖中病害顏色的分布情況可以看出，這個朝代的洞窟的壁畫病害大部分是裂縫、空鼓、起甲、脫落。如圖4(b)所示，在隋朝共建造了 90個洞窟，大部分洞窟位于第二層和第三層，只有5個洞窟在底層。在最最底層的5個洞窟中有
4個存在酥堿病害(80%);在中間層的64個洞窟中有9個存在酥堿病害(14%);在最頂層的21個洞窟中有4個存在酥堿病害(19%)。如圖4(c)所示，在盛唐時期共建造了 96個洞窟，它是建造洞窟數最多的時期。在底層的62個洞窟中有47個洞窟存在酥堿病害(75.8%);在中間層的24個洞窟中有3個洞窟存在酥堿病害(12.5%);在最頂層的10個洞窟中有4個存在酥堿病害(40%)。經過這些統計，我們發現酥堿在底層發生的頻率最高，緊接著是頂層，而在中間層發生的頻率最低；并且大多數洞窟在隋朝和盛唐時期建造。根據觀察結果咨詢領域專家，它們對這種結果予以肯定，并給出解釋:因為酥堿病害和水分有關系，而底層緊挨著地面，更高層又會受到雨水的影響，因此在酸堿在中間層發生的頻率最低。也正因為此，在早期建立的洞窟大部分分布在第二層和第三層這些比較好的地理位置。而且因盛唐時期的經濟等各個方面比較繁榮，所以建造的洞窟數也相對較多。
[0039]實施例3、空間的病害聚類模式
[0040]按照本發明方法步驟得出反應洞窟壁畫病害類型信息的同心圓環圖，我們選擇每一類病害單獨顯示以便檢驗它們的分布模式，其中8種病害中有兩種呈現聚類現象。如圖
5(a)深灰色的柱狀圖代表酥堿大部分分布在最外層,如圖5 (b)淺灰色的柱狀圖代表皰疫大部分分布在最外層。我們猜測這兩種病害似乎和地面有關系，根據這種現象咨詢領域專家，他們對這個結果予以肯定并給出解釋，因為這兩種病害由可溶鹽和水分引起的，越接近地面的洞窟水分越多，因此引發兩種病害的可能性越高，這意味著酥堿和皰疹發生的位置更接近地面。
[0041 ] 實施例4、病害的時間演變模式
[0042]隨著時間的流逝，病害會呈現出幾種發展模式，某種病害現象減少的同時會伴隨另一種病害現象的增加。因此病害之間的關系是具有非常明顯的時間趨勢的，但是病害的發展是一個緩慢的過程，不容易追蹤，從而很難發現病害的時間演變模式。因此，我們利用ThemeRiver技術以更直觀的方式展現了 10年的所有病害的增加和減少模式，如圖2所示。當灰色最淺的(標號①)的河流減少時，灰色較淺的(標號④)河流增加，同時灰色最深的(標號③)河流也增加。以這種可視化的方式展現了從一種病害演化為另外一種病害的過程，在本例中展現的是由空鼓轉換為裂隙和脫落。根據這種結果我們查詢洞窟的原始的追蹤報告文檔，在報告中確實存在這種時間演化模式。
[0043]以上實施例只是說明了其中幾種病害模式，用戶可以根據不同的需求，按照本發明方法步驟得出反應洞窟壁畫病害類型信息的同心圓環圖和ThemeRiver技術顯示不同的病害信息，以便發現更多的病害模式。
[0044]盡管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。
【權利要求】
1.一種基于可視分析的古代石窟寺壁畫病害模式的確定方法，包括以下步驟: 步驟一、建立石窟寺洞窟基礎數據庫，該數據庫中包括洞窟的位置信息和營造朝代，所述位置信息包括洞窟號和洞窟的坐標；數據庫中還包括經過多次普查得到的病害信息和普查時間，所述病害信息包括病害種類、病害數和病害的嚴重程度；所有病害信息均為聞維的特征向量； 步驟二、從上述石窟寺洞窟基礎數據庫中讀取某一石窟寺的位置信息，作一同心圓，該同心圓所包含的圓的個數是該石窟寺所包含的洞窟層數的2倍；自同心圓的最外層圓起，第一層與第二層圓形成圓環、第三層與第四層圓形成圓環，依此類推，形成有與洞窟層數相同的同心圓環，且圓環的厚度相同，將所述同心圓環中除最外層之外的每個圓環分為多個扇形區域；將同一普查時間下的該石窟寺各層洞窟的病害信息以柱狀圖的形式均按照同一旋轉方向間隔地分布到扇形區域所覆蓋的圓環中；其中，分布有柱狀圖的扇形區域的中心角相同，未分布柱狀圖的扇形區域的中心角相同；所述柱狀圖具有多等分不同的色塊，每一色塊分別表示空鼓、脫落、裂縫、起甲、霉變、蟲害、皰疹和酥堿病害類型； 步驟三、通過計算每兩個洞窟病害特征向量的幾何距離來確定兩個洞窟的相似度，根據相似度的計算結果確定閾值，將高于閾值的代表兩個洞窟的柱狀圖之間做連線，并采用優化bundle algorithm將連線進行捆綁,所述優化bundle algorithm是將控制點放置在每一層中未分布有柱狀圖的區域的中心點，且外層的控制點依次隸屬于里層的控制點，外層的洞窟依次隸屬于里層的控制點，并將連線迭代的捆綁到其控制點； 步驟四、根據用戶需求選擇性的顯示以柱狀圖形式所表示的病害類型信息，分析發現病害模式，為確定該石窟寺壁畫的修復方案奠定基礎。
【文檔編號】G06F19/00GK103473455SQ201310415112
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】張加萬, 鄂艷麗, 原野, 劉大健, 康凱 申請人:天津大學