[发明专利]石窟点云中提取佛龛的方法

说明书

本发明公开了一种石窟点云中提取佛龛的方法，包括：步骤一、扫描获取石窟点云数据，构建点云特征集；步骤二、随机选点制作训练样本和测试样本，选择随机森林作为分类器，训练随机森林分类模型，并将点云粗分类为单尊佛佛龛类点云数据、双尊佛佛龛类点云数据、墙壁类点云数据；步骤三、通过连通性约束滤波优化，精分类得到单尊佛佛龛类点云数据、双尊佛佛龛类点云数据、墙壁类点云数据；步骤四、通过条件欧式聚类‑K均值聚类，提取每一个单独的单尊佛佛龛对象；步骤五、若存在多个不相邻的双尊佛佛龛，提取精分类得到的双尊佛佛龛类点云数据，通过条件欧式聚类，提取每一个单独的双尊佛佛龛对象。本发明的方法自动化程度高，从石窟中识别保存各造像的三维信息，对于石窟的数字化存储、现状评估以及虚拟修复具有重要意义。

技术领域

本发明涉及三维激光扫描技术领域。更具体地说，本发明涉及一种石窟点云中提取佛龛的方法。

背景技术

石窟是重要的文化遗产，是历史文化的重要载体，具有重要的历史、艺术、科学和情感价值。然而，石窟作为不可移动文物，在经历千百年岁月，更容易搜到自然侵蚀和人为损坏。佛龛是石窟中的最小造像单元，也是石窟中数量最多的造像类型，石窟艺术中极其重要组成部分，然而由于自然或人为原因，佛龛面临着严重的病害，如果不及时采取防护措施，佛龛数量会愈来愈少。如何应用新技术，在不损伤文物的前提下更好的保护石窟文物、保护佛龛造像，业已成为文化遗产保护的重要课题。

相比于史料、图片以及单点式坐标，三维激光具有非接触、精度高、全天候等特性，可以快速无损的留取石窟对象的高保真三维信息，已经在石窟等大型文化遗产保护中得到了广泛的应用，尤其是在数字化存档等预防性保护工作之中。

佛龛往往数量众多、形态相似、错落分布在石窟整体，具有较高的艺术价值。也正因如此，在完成对石窟数字化存档之后，想要手工提取出所有佛龛，将耗时费力。同时，佛龛经历千年的风吹雨打，往往会产生严重的风化剥落病害，佛龛与墙壁、佛龛与佛龛之间的边缘较为模糊，很难精确地从整体点云中提取出来。想要从整体点云数据中提取出佛龛数据，必须要解决以下问题：首先，佛龛与墙壁之间的边缘模糊、难以界定；其次，佛龛与墙壁都产生风化剥落，在分类时精度较低；佛龛由佛像与龛壁组成，龛壁与墙壁相似，容易错分。所以高效率高精度从石窟中提取出佛龛对象，能够为石窟类文物的预防性保护提供数据支撑，为文化遗产的传承与活化提供技术保障，为相关领域研究提供新的思路与方法。

发明内容

本发明的目的是解决至少上述问题，提供一种石窟点云中提取佛龛的方法，包括：

步骤一、扫描获取石窟点云数据并进行数据优化处理，构建点云特征集；

步骤二、随机选择点云数据制作训练样本和测试样本，选择随机森林作为分类器，训练随机森林分类模型，并将点云粗分类为单尊佛佛龛类点云数据、双尊佛佛龛类点云数据、墙壁类点云数据；

步骤三、通过连通性约束滤波优化区分单尊佛佛龛龛壁、双尊佛佛龛龛壁与墙壁，精分类得到单尊佛佛龛类点云数据、双尊佛佛龛类点云数据、墙壁类点云数据；

步骤四、提取精分类得到的单尊佛佛龛类点云数据，先通过条件欧式聚类得到多个由相连单尊佛佛龛组成的点云数据，然后以单个单尊佛佛龛内包含点云的数量作为基数进行K均值聚类，提取每一个单独的单尊佛佛龛对象；

步骤五、若存在多个不相邻的双尊佛佛龛，提取精分类得到的双尊佛佛龛类点云数据，通过条件欧式聚类，提取每一个单独的双尊佛佛龛对象。

优选的是，步骤一中的数据优化处理包括点云数据配准、去噪和去重。

优选的是，步骤一中的构建点云特征集包括：

S1、构建初始点云特征集：

使用PCA算法将点云的球形邻域近邻点拟合成平面，在该平面上计算样本方差与样本协方差，以此为基础构建协方差矩阵，计算特征值和特征向量，将特征值归一化，计算几何特征；