基于破损分类的西藏壁画图像修复关键技术研究

This project studies the current situation of Tibet's murals and analyzes the damage characterization of the digital imaging of Tibet's murals. The damage Tibet's murals are divided into three types: samll missing regions with crack and writing, half-missing regions with rain wash, and larger missing regions with color loss. To address the different damage types of Tibet's murals, the key techniques of image completion for broken Tibet's murals are studied. The main research content includes the following four aspects. (1) the damage detection algorithm is researched for the broken Tibet's murals image including the crack and writing; (2) image inpainting method is studied for broken Tibet's murals with samll missing regions; (3) key techniques of image completion for broken Tibet's murals with larger missing regions are studied to maintain the structure connectivity; and (4) image completion methods for broken Tibet's murals with half-missing regions are researched. The research of this project is beneficial exploration for the digital image completion technology in the practical applications of the digitalized protection and virtual restoration of Tibet's murals.

通过对现有破损西藏壁画调研、数字化采集及破损特性分析，将破损西藏壁画图像初分为三大类：裂隙及字迹污染等造成的小区域破损、颜色脱落等导致的大区域破损和雨水冲刷造成的非完全破损。针对不同类的破损西藏壁画，展开适合于西藏壁画的图像修复关键技术研究，主要研究内容包括：（1）裂隙及字迹污染等西藏壁画图像的破损区域检测算法研究；（2）适合于西藏壁画小区域破损的图像修复算法研究；（3）能有效保持结构连通的大区域破损西藏壁画图像修复关键技术研究；（4）适用于非完全破损西藏壁画的图像修复算法研究。本项目研究是数字图像修复技术在西藏壁画数字化保护与修复这一实际应用的有益探索。

西藏壁画作为藏族文化一种独具特色的绘画艺术形式，经历了千百年的历史洗礼，不可避免地存在裂隙、雨水冲刷、颜色脱落等不同程度的破损现象。对受损壁画的有效保护与修复，具有重要的学术价值和广泛的应用前景，也是对藏文化乃至世界文化保护的有益探索。为此，本课题在对破损西藏壁画调研和数字化采集的基础上，展开壁画破损特性分析、破损区域检测、小区域破损修复和保持结构联通的大区域修复等关键技术进行了深入研究。项目立项以来，课题组按照研究计划有序执行，通过4年的探索研究完成成果如下。(1) 项目组采集得到了多种破损类型的破损壁画图像，包括字迹、泥斑病害、结构破损、珍品残破等破损类型。结合主成份分析、颜色特征和直方图分割等构建多种阈值检测条件，提出了针对泥斑病害、裂隙等破损区域的自动检测算法，尽可能提高了人工标注破损区域的效率；(2) 提出了基于小波变换、图层融合、稀疏表示等的多种小区域填充图像修复算法。进一步，利用基于超像素分割的图像超分辨重建的研究成果，提出了基于多方向特征、稀疏表示等的样本块图像修复算法，提高小区域破损图像修复效果的同时，还有效降低算法的时间复杂度；(3) 研究发现，西藏壁画存在结构明晰、对称和重复等特性。针对上述特点，课题组提出了基于几何旋转不变特征、颜色-梯度特征、颜色-方向特征、HSI梯度统计特征的大区域破损图像修复算法，有效提高了修复后图像在颜色、方向和结构等信息的连续一致性。(4) 针对项目研究过程中发现的破损标注、修复结果等存储和管理等新问题，开展了图像安全、可逆数据隐藏等项目拓展研究。本项目按计划完成了全部研究内容，达到了预期研究目标。项目的具体成果主要以学术论文与发明专利形式呈现，发表标注本项目资助的学术论文23篇，其中期刊论文22篇，会议论文1篇，SCI收录8篇(含3篇IEEE国际顶级期刊论文)，EI收录8篇（与SCI收录不重复计算）；获授权国家发明专利2件；培养博士毕业生3人，硕士毕业生12人。