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基于色彩向量的藏式传统建筑外观数字特征提取

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  摘要:针对藏式传统建筑色彩艺术分析中以定性分析为主、缺少定量分析的问题,首先介绍了视觉可分函数、色彩可分度、色彩特征张成空间等相关定义,然后给出了以简单集合运算为主要理论依据的藏式传统建筑中色彩特征张成空间的生成方法,将其结果作为藏式传统建筑彩色特征的主要表现形式,最后将数码照片和彩色点云作为验证数据集,利用Matlab编程实现。实验结果证明了该方法的正确性与有效性,而且与已有的定性分析结果一致。
中国论文网 /8/view-13952060.htm
  关键词:色彩向量;藏式传统建筑;数字特征;色彩张成可分空间
  DOI:10.11907/rjdk.181555
  中图分类号:TP317.4
  文献标识码:A文章编号:1672-7800(2018)007-0219-04
  Abstract:ThisarticleisfocusedonthequalitativeanalysisinthecolorartanalysisofTibetantraditionalarchitecture(TTA)whichislackofquantitativeanalysis,thedefinitionsofvisualdistinguishablefunction,colordistinguishablelevelandcolorvectorspandistinguishablespace(CVSDS)areintroducedfirstly,methodforCVSSisputforwardbythesedefinitionsandsimplesetoperationaboutTibetantraditionalarchitecture,whichisusedasthemainmanifestationofthecolorfeaturesoftheTTA.Finally,numericaltestsareimplementedwiththedigitalimagesandcolorpointcloudsbeingtheinputeddatasetbyMatlabprogramming.Theexperimentsareprovedthatthemethodissimple,accurateandeffective,anditagreeswiththeworksoftheexistingqualitativeanalysis.
  KeyWords:colorvector;Tibetantraditionalarchitecture;digitalfeature;colorvectorspandistinguishablespace
  0引言
  我��藏区民众由于长年生活在雪域高原,蓝天、白云、森林、草原等大自然的色彩都启发了他们对色彩的运用,从而形成了与众不同的色彩审美艺术。自然崇拜与原始信仰的深远影响,在藏式传统建筑中被历代藏族人民发挥得淋漓尽致,从而造就了藏民族独特的建筑形式及其外观装饰风格,同时也是藏民族历史发展进程中创造的特殊地域文化、民族传统心理审美特征的集中反映。在藏式建筑整体装饰中,习惯大面积使用对比强烈、明度和纯度高的颜色,如最常用的白、蓝、红、黄、绿等颜色。白色主要用于墙面,黑色用于门窗,红色用在屋檐、外墙等部位[1-3]。这些颜色在长期的民俗文化和宗教传统中被赋予了不同象征意义,例如:白色象征纯洁,黄色象征脱俗,红色象征庇护,黑色象征驱邪,金色象征高贵。这些明亮、质朴、纯净、艳丽的色彩从整体上塑造了传统藏式建筑庄严而又热烈的形象。藏式建筑通常以一到两种颜色为主色调,多为白色、红色,其它颜色由主色调衍生而来,以求达到色调的和谐。外墙色彩主要分为两种:白色和红色,这两种颜色组合色彩对比强烈、饱和度鲜明。其中白色用法较为普遍,无论是宫殿、寺庙还是民居,通常墙体都用白色涂料粉刷,红色用法则较为严格,主要用在寺庙中[4-5]。白色、绛红的组合搭配,大面积地出现在藏式建筑装饰中,所体现的民族性是显而易见的。此外,藏式建筑中还有一定数量的金黄色建筑,金色的使用和金顶(金瓦屋顶俗称“金顶”)的建造有明文规定,只有等级高、富裕、有权势的寺院或皇族才有资格使用,如布达拉宫。金顶是加盖在寺院主殿、王宫顶部的特制金属顶瓦,是一种豪华的建筑装饰。金色装饰让建筑显得富丽堂皇、巍峨壮观、气势宏伟。金顶面积的大小是象征政教权势、贫富贵贱的重要标志。因此不难发现,藏式建筑的外部装饰都采用基本相同的色彩,即利用白、藏红、金黄三色组合作为建筑装饰色[6-8]。
  对藏式建筑室外色彩的研究与分析目前主要以宗教文化为切入点。从研究方法上看,目前还停留在基本的外在视觉观察和人为主观分析阶段;从研究数据的运用上看,基本上是针对一类建筑或其局部的外在色彩进行分析研究,已有的研究成果基本上是定性结论。随着多维数据分析理论和方法的发展,利用多维数据分析理论对藏式建筑室外色彩进行分析也成为了可能。多维数据分析通常利用已知的特征提取算法提取研究对象数据特征,然后对数据特征进行处理,其过程往往借助于数据挖掘和知识发现等算法,最后得出相关结论。从目前对传统藏式建筑外部色彩特征的研究结果看,尚缺少利用多维数据分析理论进行分析的结果,且大部分仅是对分析对象特征进行的前期调研与初步定性总结,缺少抽取其自身色彩数字特征,经相关算法处理后得到的结果[9-13]。
  色彩的数字特征与其所在颜色空间密不可分。从目前已有的颜色模型看,主要分为RGB、HSV、HSI、CMY等模型;从目前主要数码产品的应用看,以RGB颜色模型为主流。RGB颜色空间采用一个单位长度的立方体表示颜色,黑蓝绿青红紫黄白8种常见颜色分别位于立方体8个顶点,通常将黑色置于三位直角坐标系的原点,红绿蓝分别置于3根坐标轴上。各参数的量化取值范围为:R取0~255;G取0~255;B取0~255。参数值也称为三色系数、基色系数、颜色值或颜色深度,除以255后归一到0~1之间,量化后得到有限个数值。因此,红绿蓝分量全部组合起来共表示16777216种不同颜色;从电子器件的应用广度与范围看,RGB颜色空间模型的应用范围更广,在常见的数据采集中占据主导地位。HSV、HSI两个颜色空间是为了更好地适应人类视觉感知而提出的,而CMY则是工业印刷采用的颜色模型;从理论角度看,这些颜色模型都可通过相关数学方法加以转换,从而在视觉表达上趋于一致[14-20]。但由于在不同色彩模型的转化中往往存在舍入误差,在分析研究对象色彩特征时,通常直接利用自身定义的颜色模型采样数据进行分析与处理,以尽量避免由于颜色模型数据转换带来的分析偏差,特别是对于那些对数据比较敏感的方法。   在藏式传统建筑的分析研究中,研究者基本还停留在定性分析基础上,特别是对其外观颜色的定性分析已被人们广泛接受,但从数据分析的角度看,定性分析难以满足人们对藏式建筑的分析研究需求;从研究的难易程度看,目前仅有对其外观色彩的量化分析等相对简单的分析方法;另外从人的视角看,能够分辨和接受的颜色信息难以通过目前的RGB颜色模型进行描述与分析,特别是对于某种单色的分析往往具有一定主观性。本文针对该问题构建量化分析理论与方法,以采集数据库中藏式建筑的数码图像及以三维扫描原理为基础的彩色点云数据为验证依据,给出相应分析结果,绘制出其在RGB模型中的对应颜色。
  1相关理论
  实际上,满足这种条件的函数是存在的,从数学意义上看,该函数应该是可测函数的一个子空间。最常见的就是在笛卡尔空间中,归一化后两个向量的内积函数则满足上述要求。因此,所有由该函数值作为自变量的一元初等函数都可作为视觉可分函数。此类函数在实际研究中往往刻画的是系统对视觉中同一种色彩在不同亮度下的数据敏感性。
  通过以上定义,显然色彩可分度严格依赖于可分指标和视觉可分度函数,从该函数的定义看,基本符合人的视觉系统对颜色的认知过程。
  定义3色彩特征张成空间:设C1,C2,…,Cn为给定视觉函数和视觉可分度指标量化后的彩色向量集,称由C1,C2,…,Cn张成的空间P为色彩特征张成空间。换言之,对于任意指标可分的色彩C,都存在某一非零数k和指标i,使得C=kCi,称k为色彩C在该色彩可分空间的参考系数,Ci为C在该色彩特征张成空间的原色。如果C1,C2,…,Cn是有限的,则称C1,C2,…,Cn形成分析对象的色彩特征张成空间。
  �纳�彩特征张成空间的定义看,其不同于一般数学意义下的线性空间,也不同于颜色量化的颜色空间,因为如果C是具有3个分量的向量,显然按照一般线性空间的定义,必然是三维线性空间,具有3个标准基底,而根据之前定义,颜色可分空间的相应原色显然超过了三原色。然而,从藏式建筑的室外装饰色彩研究及建筑艺术的角度看,利用已有的色彩量化数据,根据上述相关定义和理论,确定其在视觉可分函数及指标的色彩特征张成空间,对于研究藏式建筑特色、建筑风格、艺术体系等有着重要意义,同时对已有藏式传统建筑的人工色彩修复乃至数字修复具有重要的指导意义。
  2色彩特征张成空间确定方法
  3数据收集与整理
  藏式传统建筑的室外色彩数据采集是本文算法的一个基本出发点,从目前已有的数据采集方式看,主要分为两大类:一类是以摄影为基础的数据采集方法,包括利用普通数码相机进行人工拍照,以及利用搭载摄影器材的小型无人机系统进行拍摄等,其得到的最终数据形式往往是一系列规格统一的数码照片或设定解析度的视频数据,实际上视频数据也可被分解成若干有限帧的图像数据;另一类是利用以激光雷达技术原理集成的系统进行数据采集,包括静态彩色激光扫描仪、车载激光扫描仪、车载雷达扫描仪以及近地机载雷达扫描仪等,此类仪器往往得到的是一批彩色点云数据,但由于其成本相对较高,目前应用还较为有限。本文将分别采用两种不同数据采集方式验证色彩特征张成空间生成方法,一是采用定焦数码相机人工拍照得到一系列规格统一的数码照片数据集,二是通过扫描得到大量彩色点云数据。
  4数值实验
  本文采用的数据是利用佳能600D数码相机在85mm定焦镜头下拍摄的5000多张藏式传统建筑数码照片,并在6个藏式传统建筑点云数据基础上,利用Matlab2013b,在ThinkStationT500的RAM32GB志强E1605工作站上编程运行。其中,色彩区分度L=0.005,视觉可分度函数f(x,y)取归一化后的向量内积函数。图1-图3为数码照片数据集程序运行结果,其左侧为原始数字图像,右侧是其对应的色彩特征张成空间,其均含有藏式建筑色彩以外的颜色,因而验证了本文算法的正确性;图4为利用天宝TX5彩色激光扫描仪扫描6站所得的含有2026116个彩色点云数据集的程序运行结果;图5是图3、图4两组运行结果色彩特征张成空间的交集,需注意图5最底层为白色(彩图见封二)。
  5结语
  本文通过引入视觉可分函数及可分度的相关理论,设计了以提取数据集自身特征为基础的色彩特征张成空间生成方法,利用Matlab进行编程,分别将单张数码照片、多张数码照片数据集以及彩色点云数据作为系统输入,得到其对应的色彩特征张成空间,从而证明了算法的正确性和有效性。同时对两组输入结果进行集合交运算,得到其共同结果,并通过实验证明了藏红、金黄、白色等颜色为藏式传统建筑的鲜明特征,与已有的定性分析结果一致。同时,由于本文的数码照片数据含有建筑之外的诸如蓝天、绿色植被等颜色,其更精确的计算需分割图像数据后再进行处理。从算法的软件实现看,今后如何提高软件在执行时的并行能力是减少运算时间的有效途径之一。同时在实验过程中发现,在采集数据、拍摄对象全景数码照片以及扫描三维彩色点云数据时,需尽量减少外界环境的影响,这也是提高算法准确度的根本途径。在实验中还发现拍摄同一种色彩图像时,环境光和其表面反射会影响算法执行结果,该问题尚有待进一步分析。
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  (责任编辑:黄健)

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