基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法

1.本发明涉及一种基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法。


背景技术：

2.中国是历史悠久的文明古国。漫长岁月中，中华民族创造并保留下了丰富多彩的物质文化遗产，石窟寺便是其中之一。作为我国传承脉络最清晰，关联性最密切，体系最完整的文物类型，石窟寺通常集构筑物、壁画、塑像、雕像、题刻等于一体，内容多样，历史、艺术和科学价值重大，是研究、继承和弘扬中华优秀传统文化不可或缺的历史根脉与宝贵资源。
3.石窟寺一般在自然山体上就着山势从山崖壁面向内部纵深开凿，既具有地质体的结构、构造特征，又具有人为建造、艺术创作的特点。我国石窟寺数量众多，分布范围广泛，岩性各异其中处于砂岩或砂岩夹薄层泥岩、页岩中的约占总数的80%以上。这类石窟寺大多已有数百、上千年的历史，但由于长期暴露于室外开放环境中，持续和自然外营力（水、温度、可溶盐、污染物以及微生物等）发生直接相互作用，从而导致一系列表层风化病害。这种劣化过程使文物本体耐久性不断降低，富含价值的文化信息层消失殆尽，其保存现状令人堪忧。以世界文化遗产——云冈石窟为例，史料记载云冈石窟大小佛像10万余尊，目前仅余51000余尊，因此开展多因素耦合作用下石窟文物劣化机理研究，获取石窟文物裂变演化全过程，明确其劣化主控因子是十分急迫的。
4.到目前为止，国内外学者针对石窟文物劣化试验与机理研究，普遍考虑单一因素或两个因素作用且多采用肉眼观察、光学显微镜以及扫描电镜等电子显微镜手段，从宏微观角度获取石窟文物裂变前后的变化，上述方法明显存在着精度低、监测不连续等缺陷，无法准确获取石窟文物表面颗粒移动、崩解；裂隙的成核、发育以及贯通的确切时间与位置。此外，目前针对石窟文物劣化试验中变形监测，传统岩土工程试验中多采用粘贴应变片、引伸计等接触手段，而在多因素耦合模拟试验中，由于温度、湿度以及包括so2在内的污染物作用，测试仪器本身将产生一定程度的腐蚀与变形，从而影响测试精度。


技术实现要素：

5.发明要解决的问题：本发明的针对现有技术中无法对多因素耦合作用下石窟文物实行动态、连续、精细监测的缺陷与不足，提供一种基于数字图像相关技术的石窟文物微观变形非接触测方法，可以通过在多功能环境试验模拟装置中开展多因素模拟试验并结合数字图像相关测量技术对石窟文物细微劣变过程进行监测，设备简单，操作难度低且具有高精度、非接触、动态的特点。
6.解决问题的技术手段：本发明提供一种基于数字图像相关技术的石窟文物微观变形非接触测方法，包括以下步骤：
（a）通过控制岩石试样的波速来筛选满足实验要求的样品，并使用黑色哑光漆在岩石表面喷洒散斑团案进行预处理；（b）设置多功能环境试验装置和具有相机的岩石微观变形非接触测量系统，对准所述岩石微观变形非接触测量系统的相机，将样品放入所述多功能环境试验装置内，调节所述相机的高度以使所述相机对准所述多功能环境试验装置内的样品，然后对所述多功能环境试验装置分别设置所需样品要求的温度、湿度以及污染物类型和浓度，启动多功能环境试验装置从而对样品进行高温高湿以及腐蚀试验，同时启动相机以规定的时间间隔进行拍摄，并在电脑上存储所述相机拍摄到的多组数据；（c）在模拟风化试验结束后，计算机利用数字图像相关技术和软件处理并比较所存储的所述多组数据，得到样品在相互垂直的两个方向上的位移以及所拍摄区域任一范围内的应力场和应变场大小及其分布。
7.也可以是，所述步骤（b）中，所述多组数据是由所述相机以规定时间间隔拍摄所述样品的规定位置得到的数据；所述多组数据包括：在对所述样品进行高温高湿以及腐蚀试验之前拍摄得到的基准图像；和在对所述样品进行高温高湿以及腐蚀试验的过程中以规定时间间隔拍摄得到的多个目标图像。
8.也可以是，所述规定位置是设置于所述样品表面的多个测量点。
9.也可以是，岩石微观变形非接触测量系统包括：光学防震平台；设置在所述光学防震平台上的底座；以及调节支架，所述调节支架通过套筒将竖直杆与水平杆相连接后立设于所述底座上；所述水平杆上设置有相机。
10.也可以是，调节所述相机的高度包括：调节所述水平杆和所述套筒在所述竖直杆上的位置。
11.也可以是，所述相机采用cmos相机或ccd相机。
12.也可以是，所述相机的分别率为5498
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3672像素。
13.也可以是，所述相机上安装有变焦镜头和光源。
14.也可以是，所述变焦镜头是12-36mm变焦镜头。
15.发明效果：本发明的目的是针对现有技术中无法对多因素耦合作用下石窟文物实行动态、连续、精细监测的缺陷与不足，提供一种基于数字图像相关技术的石窟文物微观变形非接触测方法。该方法可以通过在多功能环境试验模拟装置中开展多因素模拟试验并结合数字图像相关测量技术对石窟文物细微劣变过程进行监测，设备简单，操作难度低且具有高精度、非接触、动态的特点。
附图说明
16.图1是基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法仪器布置结构示意图；图2是根据本发明实施例一基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法的流程示意图图3是本发明实施例中试样拍摄区域和所选测量点位置；图4是本发明实施例中所选测量点的横向位移数变化据图；
图5是本发明实施例中所选测量点的纵向位移变化数据图；符号说明：1、多功能环境试验装置；2、光学防震平台；3、竖直杆；4、水平杆；5、计算机软件处理系统；6、相机。
具体实施方式
17.以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
18.为解决现有技术中难以实现石窟文物在多因素耦合作用下表面细微劣变动态和非接触的效果，本发明实施例提供一种基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法。该方法利用数字图像相关技术的岩石微观变形非接触测量系统（以下有时也简称“非接触测量系统”）和多功能环境试验装置（以下有时也简称“环境试验装置”）1一起实施。其中，作为一个示例，多功能环境试验装置1可以在内部形成有容纳足够试样空间的箱体；箱体的一侧设置有能开启或密闭空间的箱门；箱门由真空玻璃及密封橡胶包边组成；真空玻璃内部含有加热丝且加热丝通过控制器电相连；箱体内部设置有控制器电连接的各传感器，至少包括温湿度调节设备、二氧化硫在内的污染物等相关传感器；传感器在箱体内与各执行器相连；各执行器包括至少包括有温湿度调节设备、二氧化硫进气装置、二氧化碳进气装置及二氧化氮进气装置；控制器电连接且供输入参数数值的控制面板；控制器以使各传感器监测到的数值等于输入的对应的参数数值的方式来控制各执行器。
19.图1是基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法仪器布置结构示意图。如图1所示，数字图像相关技术的岩石微观变形非接触测量系统包括光学防震平台2、调节支架、相机6、变焦镜头、光源、计算机软件处理系统5。该光学防震平台2采用连接式高刚性支架，高刚性支架的顶部放置有表面带阵列螺纹孔型隔震平台，平台尺寸可以为1.2米
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0.8米，该光学防震平台2可依据实验设计为表面带阵列螺纹孔型，可使得底部带橡胶支座的仪器嵌入螺纹孔内，加强仪器的稳定性，降低因人为震动所造成对试验数据的影响。同样，光学防震平台2也可设计为满足基本光学防震要求的普通平台。所述调节支架包括底座以及通过套筒相连接的竖直杆3和水平杆4，套筒两侧开有螺纹孔洞及配套螺栓，竖直杆3立设于底座上，水平杆4上安装有相机6，且水平杆4及套筒可沿竖直杆3移动，并通过调节套筒两侧的螺栓施加给竖直杆3的挤压力，从而能移动相机6的安装高度并将之固定，其调节范围为200 mm-500 mm。本实施例中，竖直杆3和水平杆4均为不锈钢实心钢管，以满足其刚度需求，且水平杆的一端沿水平方内凹一定长度，内凹两侧开有螺纹孔洞并配套螺栓。所述相机6可以使用cmos高性能相机，分辨率可达5498
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3672像素，另外，也可使用ccd相机。机身中部含有凸型装置可与水平杆4一端凹形匹配，并使用螺栓固定。变焦镜头和光源设置于相机6上，其中，光源可使用led光源，也可根据实验需要合理选择其他白光光源，但必须所拍摄图像清晰且易观察。光源为圆形结构，变焦镜头和光源上各自设置有螺纹结构，并分别与相机6螺纹连接。变焦镜头可以是12-36 mm变焦镜头，也可根据实验需要的精度与视域选择其他镜头如optem光学镜头。当采用12-36 mm变焦镜头时，视域为5 mm，精度可达0.1μm；当视域为500 mm，精度可达0.1 mm。计算机软件处理系统5分别与相机6顶部输出端电连接，实现数据采集、储存与分析。
20.下面对基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法进行说明：首先，通过严格控制岩石试样的波速来筛选满足实验要求的样品，以避免岩石内部存在大量的裂隙与孔洞，影响试验结果。波速以多次测量所得平均值为参照值，通常岩石越密实其波速值越大，内部空洞越多，波速越小。波速测量为岩土工程领域常见的透射波法，即在平整的岩石表面放置超声波探头a，在该表面的对立面放置探头b，通过在超声波仪器内部设定两表面的距离，并使超声波探头a发射脉冲波，此时探头b接收脉冲波，根据发射与接收所用时间以及提前设定的距离，间接计算得出其波速值。此外，针对经超声波筛选后的砂岩文物，使用黑色哑光漆在岩石表面随意喷洒散斑团案进行预处理，定位岩石表面颗粒，用以提高图像识别的精度；接着，设置多功能环境试验装置和具有相机的岩石微观变形非接触测量系统，对准所述岩石微观变形非接触测量系统的相机，将样品放入所述多功能环境试验装置内，调节所述相机的高度以使所述相机对准所述多功能环境试验装置内的样品。然后，对所述多功能环境试验装置分别设置所需样品要求的温度、湿度以及污染物类型和浓度，启动多功能环境试验装置从而对样品进行高温高湿以及腐蚀试验，同时启动相机进行拍摄，并在电脑上进行数据存储；在模拟风化试验结束后，根据存储数据，可有针对性选择所用相机拍摄区域任意点或以任意形状包含的点为测量对象，利用数字图像相关技术获取试样在高温高湿以及腐蚀环境下的位移和变形场情况。其中，数字图像相关技术操作步骤是指首先将ccd相机记录的不同时间间隔下物体变形前后的灰度图像数字化。然后，将变形前的初始数字化图像作为基准图像，任意时间间隔后的变形图像作为目标图像，在目标图像上识别基准图像中各点的位置，从而将变形测量转换为一个数字化相关计算过程。目标图像识别过程为：首先要确定一组合适的变量来表征图像变形前后的位移，然后建立一个衡量图像相似程度的数学标准，以此来判断基准图像上的目标点在目标图像上的位置，最后通过一种高效的搜索方法，确定目标点的位置从而获得目标点的位移及变形参量，进而获得图像的变形场。所述数字图像相关技术核心算法可以是基于nr算法的亚像素搜索法。
21.下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
22.图2为本发明实施例一基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法的流程示意图。参考图1和图2所示，本发明实施例基于数字图像技术的石窟文物微观变形非接触测量方法包括如下步骤。
23.（a）试样采集、试样制备和试样预处理。
24.为探究毛细水作用下世界文化遗产地——山西大同云冈石窟石雕风化机理，在实验室内开展毛细水一维上升试验。由于砂岩质石窟文物的珍贵性与不可破坏性，试样取自云冈石窟后山数据监测中心附近新鲜砂岩。试样开采前针对前期勘察的几处备选区域分别采用混凝土超声波成像仪进行声波测试避免岩块内部出现大的空洞和贯通裂隙。岩块开采过程中尽量选择平整面且避免由于机械外力导致对岩石本体产生的损伤，同时开采过程中
严格避免水的参与。采用自制且具备可调式的温度、湿度、水以及大气污染物等功能的多功能环境试验模拟装置，根据《工程岩体试验方法标准》（gb/t 50266-2013）有关要求将取自上述砂岩切割成50 mm的立方体，试样切割过程中尽量避免水的参与。通过严格控制岩石试样的波速在2500
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50 m/s来筛选满足实验要求的样品。在将上述试样放入多功能环境试验装置之前，使用黑色哑光漆在岩石表面随意喷洒散斑团案进行预处理，该处理方法为常规操作，为提高被测试样表面随机分布灰度特征的相关性。
25.（b）多功能环境试验装置中参数设置、试样放置、数字图像相关测试仪器启动和数据记录与存储。
26.针对上述（a）步骤中所制备的试样在实验室开展高温高湿以及二氧化硫腐蚀模拟试验，试验前，根据现场监测世界文化遗产地——山西大同云冈石窟所处区域的温度湿度以及大气污染物的状态数据，为尽量还原实验室模拟的真实性，分别设置温度为60℃，湿度为90%以及二氧化硫的浓度为80 ppm。如上所述设置岩石微观变形非接触测量系统，对准相机，利用提前对准多功能环境模拟试样装置的镜头，通过调试镜头与试样远近以及倍数，选好拍摄试样的区域，即本试样与镜头平行面的中部区域，如附图1。确定好拍摄区域后，确定好软件参数进行拍摄，并在电脑上进行数据存储。
27.（c）设备关闭、图像分析和获取位移演变过程。
28.待步骤（b）中多因素耦合作用下石窟文物风化模拟试验结束，关闭多功能环境试验装置以及基于数字图像相关技术的岩石非接触测量系统。利用数字图像相关技术和软件处理试样在高温高湿以及污染物作用下其表面微裂变的演变过程。针对岩石表面的拍摄区域，选择其区域中部的例如12个点进行位移追踪和计算。图3是本发明实施例中试样拍摄区域和所选测量点位置，图4是本发明实施例中所选测量点的横向位移数变化据图，图5是本发明实施例中所选测量点的纵向位移变化数据图。如图3所示，图中左半部分为所选的岩石文物，其顶部所示区域为相机拍摄视域，图右侧区域为该视域范围内根据试验需要所选择的12个典型像素点，即测量点。图4和图5分别为所选12个点的x和y轴方向，即横向位移和纵向位移。图4中数据显示，整体而言，12个监测点其横向变形的范围为5~6.6 mm，且12个点的变形随时间的演变规律基本趋于一致，即随着时间的增长，横向变形呈现先下降后上升再下降的趋势，其突变时间位于试验开始后的第8 h。此外，图中还可以看出，12个测试点基本可以分为三组，即1~4、5~8和9~12分别为一组，其整体数值和随时间的变化趋势更为接近。相比而言，图5中显示的12个测试点的纵向位移其随时间的变化规律基本趋于一致，即随着时间的增长纵向位移的数值呈现先增大后降低的趋于，且彼此测试点在相同时间段数值波动较小。与图4中横向变形类似的是，12个测试点的纵向位移也均在8 h时产生突变，且数值迅速降低。初步判断是由于外界环境产生的剧烈变化，从而导致试样的变形降低，间接促成12个测试点的位移产生突变。
29.因此，本发明的有益效果在于：该方法所需试验设备相对简单，仅需改造多功能环境模拟试验装置，实现石窟文物所处真实环境即可。此外，该方法操作过程简便，对实验环境要求低。该方法能够快速、精准、动态过程记录石窟文物在不同温度、湿度、不同形态的水、不同类型的可溶盐以及各种污染物耦合作用下其表面颗粒细微劣化，获取在多因素作用下其裂缝发育趋势，为揭示石窟文物劣化机理研究提供试验支撑。同样，该方法属于非接触式全表面变形测量，可以实现试样在x轴方向和y轴方向的位移以及所拍摄区域任一形状
内的应力场和应变场分布，测试不会对多功能环境模拟试验装置产生干扰，更不会对试样产生扰动，确保试样结果真实可靠。该方法的使用将推动文化遗产保护尤其是石窟文物保护的发展，明确石窟文物风化的动态过程和主控因子，为后续风化保护材料研发提供理论支撑，研究成果为保护人类共同遗产做出巨大贡献。
30.在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。