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浙江入学硕：【：学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 摘要 国画作为一种独特的艺术创作形式，是我国传统艺术与文化的重要组成 部分，正逐步进入国际上的艺术收藏市场。但大量的赝品使得国画的国际化 步伐大为减慢。传统的国画真伪鉴别方式主要依赖专家对国画风格、运笔等 方面的感性判断，最大的缺点是主观因素影响太多，缺少客观的、可量化的 鉴别指标。基于图像识别技术的计算机辅助国画真伪鉴别，可以给专家提供 一致的、客观的、定量的判别指标，有助于提高国画鉴别的可信性与科学性。 本文围绕着计算机辅助的国画鉴别这个问题，给出了相应的实现策略。本文 的工作主要集中在以下三个方面： 第一，提出了一种基于统计g a b o r 小波特征和颜色直方图的国画分类算 法。该方法利用g a b o r 小波系数构建书画的统计局部纹理特征，同时用颜色 直方图表征书画的全局色彩特征，在此基础上构建个特殊的特征空间，采 用投票进行国画分类，并通过一种样本选择策略提高分类的准确率。 第二，提出了一种基于m r f 的国画绘画内容的真伪鉴别算法。该方法 为国画中的对象建立一个三层的鉴别模型，然后使用置信传播算法推导各个 对象的真伪状态或概率，为国画真伪鉴别的定量分析提供了一定的依据。我 们以沈周的数字化书画作品作为主要实验数据，初步实验已取得了较好的鉴 别率。 第三，给出了一个比较实用的计算机辅助真伪鉴别系统。鉴于国画的真 伪鉴别需要大量的领域知识和经验，该系统利用图像识别技术实现鉴别对象 的分类和检索，辅助鉴定专家进行人工鉴定。 关键词；中国画，印鉴，题款，国画自动分类，国画真伪鉴别 g a b o r 滤波，m r f 随机场，置信传播 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 h bstra ct t r a d i t i o n a lc h i n e s ep a i n t i n g ( t c p ) i sp r e c i o u sc u l t u r a l h e r i t a g e o fo u r c o u n t r y a n di s s t r i d i n g i n t ot h ec o l l e c t i o nm a r k e to ft h ew o r l d b u t m a n y i m i t a t i o n sa r eb a d l ya f f e c t i n gt h ei n t e r n a t i o n a l i z a t i o no ft c p t h et r a d i t i o n a l a u t h e n t i c a t i o nm e t h o d ，w h i c hi s s t r o n g l yd e p e n d e n to nt h ee x p e r t s e m p i r i c a l k n o w l e d g e ，i s u s u a l l y l a c ko f o b j e c t i v e a n d c o n v i n c i n gp r o o f s t h e c o m p u t e r a i d e da u t h e n t i c a t i o no f t c pb a s e do nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yw i l lh e l p i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n ds c i e n t i f i c i t y t h i st h e s i sa d d r e s s e si t s e l ft o t h e a u t h e n t i c a t i o no f t c p p r o b l e m t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，w ep r o p o s e a r ta u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h m o ft r a d i t i o n a l c h i n e s e p a i n t i n g b a s e do ns t a t i s t i c a lg a b o rf e a t u r ea n dc o l o rf e a t u r e t h em e t h o d c o m b i n e st h eg a b o rt e x t u r ef e a t u r ea n dc o l o rh i s t o g r a mf e a t u r et oe x p r e s sa n i m a g e ，a n d t h e nu s et h ev o t ec l a s s i f i e rt oi m p l e m e n t t h ea u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o n a tl a s tt h es a m p l es e l e c t i o ni su s e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ec l a s s i f i c a t i o n s e c o n d l y , a u t h e n t i c a t i d nm e t h o do ft c p b a s e do nm r fi sp r o p o s e d t h e m e t h o db u i l d sat h r e e l e v e la u t h e n t i c a t i o nm o d e lf o rt h eo b j e c t si nt c p a n du s e s b e l i e fp r o p a g a t i o na l g o r i t h mt oi n f e rt h et r u eo rf a l s es t a t e i tp r o v i d e sc e r t a i n p r o o f sf o rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f a u t h e n t i c a t i o no ft c et h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a to u rm e t h o di sp r o m i s i n g t h i r d l y ，w ep r o v i d eap r a c t i c a ls y s t e m o fa u t h e n t i c a t i o no ft c pb a s e do nt h e i m a g er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y t h es y s t e mc l a s s i f i e sa n d r e t r i e v a l st h eo b j e c t si n t c pa n d h e l p t h ee x p e r tt oa u t h e n t i c a t et h et c p k e y w o r d s ：t r a d i t i o n a lc h i n e s ep a i n t i n g ( t c p ) ，s e a l ，s i g n a t u r e ，a u t o m a t i c c l a s s i f i c a t i o no ft c p , a u t h e n t i c a t i o no ft c p , g a b o rf i l t e r ， m a r k o vr a n d o mf i e l d ，b e l i e fp r o p a g a t i o n 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 第1 章概述 1 1 引言 中国画是中华民族传统的绘画，它扎根于中华民族浓厚的土壤之中，历 经数千年的文化积累和发展，已成为中华民族独特的文化瑰宝之一。它包含 中国人的文化素养、审美意识、思维方式、美学思想、哲学观念等，具有鲜 明的中华民族特色。区别于世界各国的绘画艺术，中国画不仅为中国人民所 喜爱，而且也受到世界各国人民的赞赏，与西方油画相媲美，是另一座艺术 高峰立于世界艺术之林。 中国画又称水墨画，主要侧重形、神、线的内在描写。在内容上，它主 要反映各时代跌宕的社会风貌与世俗的生活图景，或表达艺术家的思想观念 和感情。在工具材料上，中国画是用毛笔、墨在宣纸、绢帛上作画，它讲究 笔墨，着眼于用笔墨造型。在表现方法上，中国画采用一种散点透视的方法。 在画面的构成上，中国画讲究诗、书、画、印交相辉映，形成独特的形式美 与内容美。从创作方法上，中国画包含了作者的文学基础、书法功底、思想 修养、立意造型、笔墨技巧、气韵精神、经营布局、作品风格等。另外，中 国画门类多样、异彩纷呈，从绘画种类上分为山水画、花鸟画和人物画；从 作画技法上又分为工笔、写意、泼墨、重彩和金碧等。 国画作为我国文化艺术的精髓，已经开始走向国际化市场，越来越多的 博物馆、美术馆、文物商店，甚至个人开始选择中国画作为收藏或投资的对 象。但传统的书画是以宣纸、绢帛作为材料，在管理、收藏，以及维护上的 难度和成本很高，这无疑会阻碍国画的国际化发展步伐。随着计算机技术的 发展，将国画进行数字化，并在计算机上进行存储和管理将会给收藏人员和 机构带来极大的方便，他们可以在在网上展示、管理和拍卖中国画。因此， 中国画的数字化已经成为一种趋势，其优点主要表现在以下几个方面： 1 ) 方便实现异地书画共享。由于传统的、历史上有名的中国画在世界上 一般仅有一幅，保存在世界各地的博物馆或美术馆中。通过网络访问数字化 的书画作品，不但可以为中国画的真伪鉴别提供更有力的依据。而且能够为 各类画家提供学习和临摹的样本。 2 1 便于书画保存。传统的书画作品都十分稀有和珍贵，而且易受光线、 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国域：分类、鉴别与系统 温度、湿度等自然因素和一些人为因素的影响，如果保存不当，会对书画造 成不可恢复的损害，降低其艺术价值。数字化后的书画可以永久保存，且不 会丢失任何信息。 3 ) 利于建立数字书画图书馆。随着中国经济和文化的快速发展，对于书 画资源进行智能检索、分析和处理越来越成为一种社会需要。数字书画图书 馆也将成为未来社会的公共信息中心和枢纽。 1 2 问题韵提出 许多传统书画现存本数量很少且十分珍贵，大部分作品分布于世界各地 的博物馆中。随着计算机网络的发展和普及，通过w e b 进行浏览和查阅中国 古书画，人们不但能欣赏到优秀的、大师级的作品。而且中国画鉴定人员还 可以获得更多的信息，提高真伪鉴定的准确性。另外，中国画的种类繁多， 自古到今有大量的名人名作出现，随着数字化发展，中国画数字图像的容量 将会以惊人的速度增长。因此，国画的自动分类和检索是继中国画数字化后 一个必要的、十分有意义的研究课题。 由于各方面的原因，传统的已有书画中存在大量的赝品，尤其是历史上 有名的书画家的作品伪作更多。国画的真伪鉴别问题一直是中国菡收藏界的 一个重要而棘手的问题，真伪鉴别是运用各种方法判断出某件书画作品与署 名的或被指称的作者是否一致。传统韵、完全依赖专家的经验性鉴定方式最 大的问题是主观性太强、对于一些争议作品难以有令人信服的、客观的鉴别 证据，因此，需要探索一种更有效的、科学的、可以量化的中国画真伪鉴别 方法。 图像识别技术是指通过计算机，采用数学方法对图像按照特定目的进行 相应的处理。该技术在条码识别、生物特征识别、智能交通中的动态对象识 别，以及手写体识别等方砸得到了广泛的应用。因此，利用图像识别技术对 国画进行分析有望实现基子内容的国画自动分类和检索；利用图像识别技术 进行计算机辅助的国画真伪鉴别，有望克服传统国画真伪鉴别方式缺少客 观、量化的指标的缺点。 下一节中，我们将首先对国画自动分类和检索的相关技术以及国画真伪 鉴别的几种方法进行介绍。 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 1 3 国画分类和检索相关技术概述 虽然，目前还没有文献对中国画自动分类和检索进行专门讨论，但基于 内容的一般意义的图像分类和检索已取得了很大的发展，这对中国画的自动 分类和检索有重要的借鉴和指导作用。 图像的分类和检索从最初的基于文本的关键字检索方式，到现在基于内 容的方式，在方式、方法和使用方便性等方面都发生了质的飞跃。 1 3 1 基于文本的图像分类和检索 基于文本的图像检索技术( t e x t b a s e di m a g er e t r i e v a t ) 可以追溯到2 0 世纪 7 0 年代末期。当时流行的图像检索系统是将图像作为数据库中存储的一个对 象，用关键字或自由文本对其进行描述。查询操作是根据图像的文本描述进 行精确匹配或概率匹配，有些系统的检索模型还有词典支持。另外，图像数 据模型、多维索弓i 、查询评价等技术都是在这样一个框架下发展起来的。 然而，随着社会信息化的发展、图像信息量的增大，以及人类对信息检 索工具的依赖日益加强，完全基于文本的图像检索技术越来越不能满足各种 信息检索的要求，主要表现在如下几个方面： 1 ) 目前的计算机视觉和人工智能技术都无法自动对图像进行标注，必须 依赖人工对图像做出标注，随着图像数量的增大，这项工作变得越来越不现 实。 2 1 手工的标注往往是不准确或不完整的，还不可避免地带有主观偏差。 即不同的人对同一幅图像有不同的理解方法，这种主观理解的差异将会导致 图像检索中的失配。 3 ) 图像中所包含的丰富的视觉特征( 颜色或纹理等) 往往无法用文本进 行客观地描述。 1 3 2 基于内容的图像分类和检索 9 0 年代初期，随着大规模数字图像库的出现，上述的问题变得越来越尖 锐。为解决这些问题，基于内容的图像检索技术( c o n t e n t - b a s e d i m a g er e t r i e v a l ) 应运而生。区别于原有系统中对图像进行人工标注的做法，基于内容的分类 和检索技术自动提取每幅图像的视觉内容特征作为索引。此后几年中，该研 浙江火学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 究领域的许多技术得到了很大的发展，出现了一大批研究性的或商用的图像 分类和检索系统 n i b l a c k 9 3 ，s m i t h 9 6 ，b a c h 9 6 。 基于内容的图像分类和检索技术主要是自动提取图像的颜色、纹理、形 状及空间关系等特征，作为图像的索引。 1 ) 颜色信息 基于颜色的分类和检索是一种比较重要的方法。颜色是物体表面的一神 视觉特性，每种物体都有其自身的颜色特征，同一类物体的颜色特征往往相 似。用颜色特征进行图像检索可以追溯到s w a i n 和b a l l a i d 提出的颜色直方 图方法 s w a i n 9 1 】，由于颜色直方图具有简单且随图像的大小、旋转变化不敏 感等特点，得到研究人员的广泛关注。颜色直方图的思想是统计每种颜色在 图像中出现的概率，然后采用直方图的交来度量两幅图像颜色的相似性，其 最大的缺点是完全失去了图像色彩的空间信息。后来，p a s s 等人提出以图像 的色彩聚合矢量c e v ( e o l o rc o h e r e n c ev e c t o r ) 作为图像的索引【p a s s 9 6 ，其核 心思想是当图像中感知色彩相似的象素所占据的连续区域的面积大于一定 的闽置时，该区域的象素为聚合象素，否则为不聚合象索，这样统计图像所 包含的每种色彩的聚合象素和不聚合象素的比率作为该图像的色彩聚合矢 量。聚合矢量在某种程度上保留了图像色彩的空间信息。而s t f i c k e r 和 o r e n g o s t r i k e r 9 5 】认为颜色信息主要集中在图像色彩的低阶矩中，统计每种颜 色分量的一阶、二阶和三阶矩作为特征。以上几种方法都是通过统计全局颜 色特征来捕获整幅图像的颜色分布信息，丢失了许多局部的色彩空间信息。 因此在颜色信息中加入空间信息将会提高检索的效果 y e o n 9 0 3 ，w a n g o l l 。 h s u h s u 9 5 等人结合图像的色彩信息和图像色彩的部分空间信息对彩色图像 进行检索，主要思想是从图像中选择一些代表性颜色。他们将图像划分成一 定的矩形区域，每个区域以一种主要的单色作为代表，两个图像的相似度就 是他们之间具有相似色彩区域的重叠程度。 2 ) 纹理信息 除了颜色信息外，纹理也是图像的一个重要特征。关于纹理的定义和纹 理的量化主要有两种方法，结构化方法和统计方法。前者是将图像中非常具 有规律的结构加以分析，后者是对图像中色彩强度的空间分布信息进行统 计。h a r a l i c k 【h a r a l i c k 7 3 从数学角度研究了图像纹理中灰度级的空间依赖关 系，根据图像中象素之间的方向和距离关系构造一个共生矩阵f c o m a t r i x ) ， 4 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 然后从中提取有意义的统计特征作为纹理特征的表达，主要特征有能量、熵、 相关性和惯性。该方法的最大缺陷是这些统计特征没有和人在视觉上对纹理 特征的鉴别建立对应关系。鉴于此，t a m u r a t m l m r a 7 8 提出一组对应人类视 觉感知的纹理特征集，包括：粗糙度( c o a r s e n e s s ) 、对比度( c o n t r a s t ) 、方向度 ( d i r e c t i o n a l i t y ) 、线性度( 1 i n e l i k e n e s s ) 、规整度( r e g u l a r i t y ) 车l l 粗略度( r o u g h n e s s ) 。 随着小波变换在图像纹理分析中的广泛应用，些人开始采用小波变换后的 系数作为图像的索引 l i a n p i n 9 0 4 。m a 和m a n j u n a t h 通过评价不同形式的小 波函数，得出g a b o r 小波比其它的小波在图像检索中取得的效果要好的结论 m a 9 6 】。 3 、形状信息 形状也是描述图像的一种比较重要的特征。目前基于形状的分类和检索 方法主要是用形状的轮廓特征和形状的区域特征建立图像索引。 形状的轮廓特征主要有直线段描述、样条拟合曲线、傅立叶描述予等。 这些方法存在的主要问题是形状特征的描述不是独立于形状大小、位置和方 位的，在使用时有一定的局限性，而且这些表示方法对形状边界信息丢失较 多，导致效果不是很理想。 形状的区域特征主要有形状无关矩、区域的面积、形状的纵横比等。1 9 6 2 年，h u 提出了用形状的7 个无关矩来度量形状的特征【h u 6 2 】。n i b l a c k n i b l a c k 9 3 等人在i b m 的q b i c 图像检索系统中采用了形状面积、圆度、离 心率、主轴惯量以及高阶无关矩等特征。这些特征形成了形状的特征向量， 他们之间的相似度通过加权的欧式距离获得。a r t g a n 9 9 5 1 提出用紧致性、区 域的矩、离心率、凸性来表示对象的形状特征。 4 1 其它 除此之外，还有些其它的图像检索和分类方法，如y u 7 l 使用一维的 隐马尔可夫模型对室外和室内拍摄的图像进行分类。b e l o n g i e 【b e l o n g i e 9 8 使 用e m 算法将图像分为若干个颜色和纹理一致的图像块。 1 4 中国画真伪鉴别研究现状 中国画真伪鉴别是运用各种方法判断某件书画作品与署名的或被指定 的作者是否一致 杨0 0 。中国画的真伪鉴别是一个非常复杂的研究课题，它 不但需要中国画本身提供的信息，还需要鉴定者掌握大量的书画知识和文史 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 知识，并且还要对被鉴定作品的作者特别熟悉。 目前中国画的真伪鉴别主要以专家的经验性鉴定方式为主。近年来，西 方油画鉴定中较常用的物理与化学分析方法，也正逐渐应用于中国画的辅助 鉴别中。而作为一种全新的鉴别方式，基于计算机视觉的辅助真伪鉴别方式 正成为研究热点。 1 4 1 专家的经验性鉴别 传统的中国画真伪鉴别是由中国书画界比较有威望的鉴别专家根据自 己的领域知识以及对书画作者的了解经验地判断其真伪。鉴别对象主要是那 些有作者名款和印鉴的作品。鉴别主要采用目鉴，即物物对比，将已经确认 的某个画家的作品和待确认的作品进行比较，找到可能出现的异同点，凭借 视觉观察确认时代风格和画家的个人风格。目鉴基本上属于经验范畴，但必 须有一个先决条件，即一个人的作品见得比较多，有实物可以对比，才能达 到目的。目鉴常常和文献考订结合起来，使鉴别做得更有根据。传统的中国 画真伪鉴定方法大致可以分为以下几种杨0 0 ： 1 ) 依据书画作品的时代风格和个人风格特征辨别真伪。风格特征主要表 现在笔墨技法、形象、字体、构图等方面，它与特定的书画方式、工具材料、 思想文化等有关。对书画作者来说，每个人由于执笔方式、书画习惯、运笔 的迟速轻重、笔锋的转折变化以及墨色的浓淡干湿等各不相同，都会形成其 独特的笔墨性格和形态。 2 ) 依据书画作品的具体内容辨别真伪。主要指从书画中的建筑物、服饰、 家具和日用器皿等形制上加以考订。历史上，各类器物都有鲜明的时代特征， 后人可以描绘前代的事物，但前人绝不可能画出后世才有的东西。 3 ) 依据作者的题款、印鉴辨别真伪。作者的名款、题跋和印鉴是辨别书 画真伪的一个重要方面。一般来说，书法和印鉴较绘画更难作伪，因此不少 鉴定家常通过看款看印来辨画。 4 ) 依据纸、绢等书画材料辨别真伪。书法和绘画的主要材料是纸和绢， 而纸绢的使用又与其制作工艺的发展和书画家的个人爱好有关，这就使其不 可避免地带有一定的时代特征和个性特征，因此辨纸、绢也是书画真伪辨别 不可忽视的一个方面。 5 ) 依据他人题识、鉴藏印或文献记载辨别真伪。他人题识是指作者的同 6 浙江火学硕士学位论文 汁算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 时人或后人在作品本幅或作品前后所题的诗文题跋、标题、引首、观款等。 鉴藏印指历代鉴赏家、收藏家在他们观赏或收藏过的书画作品上所盖的印 章。其内容包括对作品的评论、说明作者或作品内容、鉴定真伪和年代、阐 述创作过程和收藏关系、记载观赏的时间等等。另外，在鉴别书画的过程中， 有关书画家和书画作品的文献记载也有很高的参考价值。如书画著录书、书 画家传记、书画家本人及其好友的诗文集、记述书画的笔记和杂录等都可以 作为参考的依据。 在传统的书画真伪鉴别过程中，往往是同时使用以上几种方法综合辨别 真伪。主要是依据书画作品本身所体现的作者的时代风格和个人风格作为主 要判别依据，其余的方法起着辅助的作用，但也不能忽视。 传统的中国画真伪鉴别存在许多缺点。首先，目鉴总的来说脱离不了一 些人为的、主观的因素的影响，鉴定结果的可信度完全依赖于对鉴定专家的 可信程度，缺乏一些科学的衡量指标。其次，对同一幅作品，不同的鉴定专 家经常有不同的看法。最近如：2 0 0 3 年7 月故宫博物院以2 2 0 0 万拍得西晋 索靖的出师颂，虽然六位权威的书画鉴定专家鉴定其为真迹，但仍受到 社会以及书画界内部的强烈质疑( 国家文物鉴定委员会成员启功先生就认为 是伪作) ，至今没有一致意见。再次，传统的鉴别方法需要大量的查阅资料 和认证工作，这些工作量很大且及其繁琐。 1 4 2 基于物理与化学分析的真伪鉴别 用传统的目鉴方法进行真伪鉴别时，鉴定专家的主观性经验占比较大的 比重，因此，借助于科学的手段辅助进行中国画的真伪鉴别就显得更为重要 与迫切。近年来，基于物理和化学的鉴定方法在西方的油画鉴定中正逐步得 到广泛应用。该类方法主要通过物理及化学手段获得作品的纸张、颜料等物 质的某些物理及化学性质，作为判断作品作者与作品年代的依据。显然，该 类方法原则上也适用于中国画【马0 2 】。 利用物理测定方法辅助中国画真伪鉴别，主要是利用x 射线衍射光谱和 红外光谱分析方法 c h a n u 9 8 】。让单色x 射线或红外光辐射书画，部分射线 被样品内的晶面反射形成一种与样品的物质内晶体构造密切相关的衍射图 像。通过对衍射图像进行分析，就可以获得构成物质的原子排列、化合物的 形态、结晶物质的物相等信息资料，进而判断书画的真伪属性。利用化学分 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 析方法辅助中国画真伪鉴别，主要是使用x 光线的荧光性，用x 光激发颜料 中的原子，发射出其特征光谱，从而分析画中所包含的化学元素，：以及不同 的颜料在画中的分布情况，通过比较不同的化学成分判断画的真伪。 基于物理或化学的分析方法一般比较适合于西方油画的分析。因为西方 油画是用不同的颜料和线条勾勒出来的，有比较强的层次感。而中国画更多 的是体现在作画的程序和技法上，用该方法得到的有价值的信息没有油画上 多。另外，由于一般的中国画都是纸质的，特别怕强光的照射，因此基于物 理和化学分析的方法，都会不同程度地对书画造成损伤，而且这类方法的使 用需要复杂的配套设施，造价比较昂贵，还不能作为一种比较普及的方法进 行适用。该方法的另一个缺点是对于同时代，使用同类颜料的伪作是无法鉴 别的。 1 4 3 基于视觉的计算机辅助真伪鉴别 计算机视觉是用计算机模拟人的视觉感知方式，使计算机具有视觉感知 和特征抽象的能力 s h a p i r 0 0 1 】。随着中国书画的数字化发展，基于视觉的计 算机辅助真伪鉴别已经开始成为研究热点。基于视觉的计算机辅助中国画 真伪鉴别是以数字化的作品为研究对象，借助图像处理、计算机视觉及模式 识别等技术，给出定性或定量的指标，作为人们判定该作品真伪的辅助依据。 由于传统的中国画真伪鉴别方式特别强调一些局部差异。一般来说，鉴 定一幅书画时，主要需要抽取作者最有特色的对象与大量的原作进行一一对 比，而这项工作对鉴定人员来说是十分庞大的。因此，借助计算机视觉技术 给鉴定人员提供一个方便快捷的工作平台或给出定性或定量的评价指标是 一个不错的选择。基于视觉得计算机辅助真伪鉴别可以分为下面两种模式： 1 ) 对要鉴别的对象进行分类和样本搜索。鉴别人员要鉴别一幅书画中的 某个有代表性的对象，仅给出一个样本或给出一个草图，系统能够奁阅该作 者数据库中的其它含有该类对象的真作进行比较，因此需要一些基于对象内 容的自动分类和检索手段。这样以来，鉴定人员就可以把重心放在同类对象 的风格比对上，相应地减少了搜索目标的时间。 2 ) 对识别对象进行匹配和真伪鉴别。用计算机模拟鉴别人员的鉴别方法 和步骤，实现中国画的自动真伪鉴别，或给出一些量化的指标，给鉴定人员 提供参考。由于计算机具有运算速度快，运算能力强等特点，因此，通过计 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国域：分类、鉴别与系统 算机完成真伪鉴别过程中那些可以通过数字表达且费时费力的过程，比如特 征提取过程和比对过程，为鉴定人员提供一个可以参考的量化数据。 1 5 全文内容安排 本章中，我们首先介绍了中国画的重要意义以及数字化国画存在和发展 的必要性，然后对当前的中国画分类和检索的相关技术做了介绍，并对中国 画真伪鉴别方法进行总结。在接下来的几章中，将重点介绍我们的工作，各 章节内容具体安排如下： 第2 章中，我们提出一种基于g a b o r 小波特征和颜色童方图特征相结合 的中国画自动分类方法；第3 章，我们提出了一种基于m r f 的中国画绘画 内容的真伪鉴别算法，为国画真伪鉴别的定量分析提供了一定的依据；第4 章给出了一个实用的计算机辅助的中国画真伪鉴别系统，利用图像识别技术 对国画中的鉴别对象进行分类和检索，辅助专家进行中国画的真伪鉴别；最 后一章，我们对全文进行了总结，并对目前中国画的自动分类和检索以及计 算机辅助的真伪鉴别存在的问题进行了讨论。 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 第2 章基于颜色和g a b o r 特征的国 画自动分类 2 1 引言 随着国画的数字化发展，越来越多的书画作品出现在网络中；而随着人 们经济生活和文化生活水平的提高，对国画的鉴赏需求也会越来越多，以往 的依靠标注进行关键字检索的方式已经不能满足人们的各种需要。人们更多 关注的是找出某一类别的书画作品，比如，要查找“清代的人物画”或“中 国画中画有马的画”。因此，利用图像识别技术对国画进行基于内容的自动 分类是解决该问题的一种有效方法。 近年来，基于内容的图像分类和检索已经有了一定的发展，在l _ 3 节中 我们已经对此做了简单介绍。虽然这些方法都是针对普通图像的，但一些比 较成熟的方法在中国画的自动分类中也是可行的或有重要的参考价值。 传统的中国画按内容来说，可以分为山水画、人物画和花鸟画【刘9 0 】。 山水画主要描述山川、河流等自然风光；花鸟画主要描述一些植物、动物、 或二者的结合i 人物画主要描述人物肖像或人物在某种状态的活动。中国画 的分类对人来说比较容易分开，但对计算机来说却是一件比较困难的事情， 主要是因为不同类别的中国域在形式上有很大的变化，包括形状、颜色、绘 画风格等。 本章中，我们提出了一种新的中国诋自动分类方法。利用g a b o r 小波系 数描述书画图像的统计局部纹理特征，同时用颜色直方图表征书画的全局色 彩特征，在此基础上构建一个特殊的特征空间，采用投票进行国画分类，并 通过一种样本选择策略提高分类的准确率。其潜在的应用有基于w e b 的中国 画检索和数字书画图书馆。 2 2g a b o r 特征 g a b o r 滤波器实质上是个被g a u s s 函数窗所限制的波函数，它在纹理 分析、人脸识别和图像重建等方面都有应用【c h c n g j u n 0 2 ，a h m a d i a n 0 3 】，这 9 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 是因为g a b o r 滤波器在图像分析，理解等方面具有良好的性质： 1 ) g a b o r 滤波器具有生物学的意义。研究表明g a b o r 核函数与人脑视觉 区域的皮层细胞的感受野形状十分类似，二者的对比如图2 1 所示。 图2 1 脊椎动物视觉皮层感受野和g a b o r 函数的比较，摘自 d a u g m a n 8 8 2 ) g a b o r 滤波器能充分描述图像的纹理信息。g a b o r 滤波的小波特性说 明了g a b o r 滤波结果是描述图像局部灰度分布的有力工具。因此，图像的纹 理信息可以用g a b o r 滤波进行特征抽取。这是g a b o r 滤波器最广泛的应用之 3 ) 对二维的g a b o r 小波的研究标明，通过恰当选择若干个g a b o r 核函数 可以重构出原图像，因此g a b o r 核函数可以用在物体的建模和表示上。如图 2 2 所示。 图2 2 左边四张图片分别用1 6 ，5 2 ，1 1 6 ，5 1 2 个g a b o r 核函数采表示右边的原 图像，最右边图像上的1 6 个点表示1 6 个g a b o r 核函数的位置，摘射k r u g e r 0 0 4 ) g a b o r 核函数中去掉了直流分量，因此对局部光照影响不敏感。 5 ) g a b o r 滤波结果可以描述不同方向上的灰度分布信息。 6 ) g a b o r 滤波结果可以描述不同尺度上的灰度分布信息，一般来说，大 尺度滤波可以描述全局性较强的信息，同时可以掩盖图像中噪声的影响，而 小尺度滤波可以描述比较精细的局部结构，受噪声影响比较大。 1 0 浙江人学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 7 ) g a b o r 滤波可以容忍图像有一定的平移、旋转、深度上的转动、尺度 变化等情况。 g a b o r 函数的形式为高斯函数与波函数的乘积，见公式( 2 7 ) 。 q 除掣e x 睁紫，州蛹一州一争 。：m 贾= i ( x ，y ) t = 七k 。c s i 。n s 。妒o u “ ，尼，：三+ 古，吼：詈，：。，：。， 下面我们对公式中的各项作一个说明： e x p ( _ 蝉) 为高斯函数，女廿图2 6f f i ：示o 2 0 e x p ( f t i ) ) 是一个振荡函数，实部为余弦函数，虚部为正弦函数。如图2 3 和图2 4 ： 图2 3 振荡函数的实部一余弦波图2 4 振荡函数的虚部一正弦波 相应的相位角度图2 5 所示，需要注意的是图中没有将相位角规范到( 一7 1 ，7 r 】 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 图2 5 振荡函数的相位角平面 图2 6g a u s s 的窗函数 e x p ( 1 一27 是直流分量，公式( 2 7 ) 中减去直流分量，这样使滤波器滤波后的 图像不受原图像整体亮度的影响。 g a b o r 函数是幅值逐渐减弱的振荡波，如图2 7 和图2 8 所示。 图2 7o a b o r 函数一幅值部分图2 8g a b o r 函数一角度部分 通过定义不同的g a b o r 函数核，就可以得到一组不同的o a b o r 滤波嚣。 根据 l i a n 0 4 可知，g a b o r 滤波器在频率为4 ，方向为6 ，滤波器大小为1 3 x 1 3 时，得到的效果最好。因此我们可以得到2 4 个滤波器函数，将图像用公式 ( 2 8 ) 进行卷积，得到2 4 个滤波后的图像。由于每个象素滤波后的值为一 个复数，实部为：r e ( ) ，虚部为：h n ( g 0 ) 。在滤波后的图像上计算均值， 方差，偏斜度，峰度( 分布中心的状态) 等统计值作为特征描述图像的纹理 信息。 g 。( i ) = j 彤弦。，( i y ) d 2 罗 ( 2 8 ) 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 2 3 颜色特征 颜色直方图描述图像中不同色彩在整幅图像中所占的比例，它是一个一 维的离散函数，公式表示为： h , ( o = h , ( - 0 爿：( d ( 2 9 ) 其中q ，e ( d 是图像中颜色为i ，j 的象素个数。由于颜色直方图不关 心颜色在图像中所处的空间位置，即无法描述图像中的对象和物体，因此颜 色直方图适合描述哪些难于进行自动分割的图像。 颜色直方图可以基于不同的颜色空间和坐标系，最常用的是r g b 颜色 空间，大部分数字图像都是基于这种颜色空间表达的，然而r g b 空间结构 不符合人们对颜色相似性的主观判断，因此有人提出基于h s v 空间、l u v 空间、l a b 空间的颜色直方图，因为它们更接近于人们对颜色的主观认识。 其中h s v 空闻是直方图中最常用的颜色空间，它的三个分量分别代表色彩 ( h u e ) 、饱和度( s a t u r a t i o n ) 和值( v a l u e ) 。 计算颜色直方图需要将颜色空间划分为若干个小的颜色区间，每个颜色 区间为直方图的一个b i n ，这个过程称为颜色量化( c o l o rq u a n t i z a t i o n ) 。然后 通过计算颜色落在每个小区间内的象素数量可以得到颜色直方图。颜色量化 有许多方法，例如向量量化、聚类方法和神经网络等方法。最常用的方法是 将颜色空间的各个分量均匀划分。相比之下，聚类的方法则会考虑到图像颜 色特征在整个空间的分布情况，从而避免出现某些b i n 中的象素数量非常稀 疏的情况，使量化更有效。 选择合适的颜色小区间( 即直方图的b i n ) 数目和颜色量化方法与具体 的应用性能和效率要求有关。一般来说，颜色小区间的数目越多，童方图对 颜色的分辨能力就越强。然而，如果b i n 的数目很大，不但会增加计算负担， 也不利于在大型图像库中建立索引。 颜色直方图还有另外一个缺点就是它是一种统计结果，没有考虑颜色在 空间上的分布，因此，颜色分布不同的两幅图像，他们的颜色直方图却有可 能是相同的，图2 9 给出了颜色直方图完全相同的两幅不同图像。 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国域：分类、鉴别与系统 图2 9 具有相似颜色立方图的两幅不同的图像( 摘自 p a s s 9 6 ) 2 4 算法描述 本节中我们结合g a b o r 小波特征和颜色直方图特征作为中国画的索引实 现中国画的自动分类。我们使用l 2 距离计算两幅图像之间的距离，并使用投 票法进行分类，最后通过样本选择策略提高分类的准确率。 2 4 1 特征提取 我们首先使用公式( 2 1 0 ) 对中国画进行g a b o r 滤波图2 1 0 给出了3 个 频率、6 个方向上的g a b o r 函数示意图。滤波后的结果如图2 1 l 所示。 乳“蚰；l ( x - - $ ，y - o j c 2 ( s ，f ) lt ( 2 1 0 ) 图2 1 03 个频率，6 个方向上的g - a b o r 函数 1 4 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 图2 1 1 用两个频率，4 个方向g a b o r 函数对左图滤波的结果 对每个滤波后的图像计算其能量： 鼽田= 丑吒o ，j ，) l ， j ， 加墨0 1 ，帕l l - 1 1 = 0 1 ， k l 然后在滤波后的结果图像上提取均值，方差： e 融，1 ) 2 蔫蓄 仃m h2 ( 2 1 1 ) 2 1 2 ) 最后得到纹理特征向量为： 季= o 0 0 ，o 0 0 ，仃舢m = 3 ，n = 5 ( 2 1 3 ) 然后根据公式( 2 9 ) 计算中国画的颜色直方图特征，我们将图像的颜色 值投影到8 8 8 的r g b 颜色空间中，得到5 1 2 维的颜色分布图。将这两 个特征结合起来，可以得到一个表征中国画的特征向量。 2 4 2 投票分类法 投票法 r i c h a r d 0 3 是比较简单的种分类方法，它不需要任何额外的训 练，其基本思想是“少数服从多数”。其中，投票人是所有分量分类器，候 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 选人是所有可能的分类。由投票人给候选人投票，票数最多的候选人胜出。 投票法在其它量化指标无法获得的情况下使用最为合适。分类之前，首先计 算库中训练样本的特征值并存储在数据库中，然后使用投票法对一幅新的图 像进行分类。 投票准则是在特征空间中，如果测试样本与训练样本之间的距离小于某 个阈置时，给训练样本所属的类型投出一票，最后根据得票的多少决定测试 样本所属的类别。一般方法是采用欧式距离计算样本之间的距离，由于传统 书画形式的多样性，即使同一类书画在形式上也有很大不同，即在特征空间 中，各类样本点分布的离散度不一样，因此我们采用相对空间距离方法来衡 量样本之间的距离。 假设x = ( x 。，x 2 。) 为测试样本的特征向量，匕i = ( _ y 。，y 2 y 。) 为类m 的第k 个训练样本的特征向量，类m 中训练样本个数为岛，则测试样本x 与m 类的第k 个样本的相对空间距离为： r 以 2 以k 1 ，。 ( 2 1 4 ) 其中， d ，i = d ( x ，匕t ) = = 善c 如司2 序2 否( 如一乏) 2 序 瓦：k md 。厶。瓦= 。k 。 相对距离的投票策略为： ：j 八删d ( 2 1 5 ) 2 1oe 1 s e “。d 圪= ( 2 1 6 ) k = l 其中，是类m 总的得票数，最后根据各个类的最大得票数决定测试样本所 属的类另l i 。 1 6 和 浙江大学硕士学位论文 计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 2 4 3 样本选取 由于投票分类法是根据要测试的样本与数据库中的所有训练样本之间 距离进行投票，最后统计总得票数。这意味着训练样本的好坏对分类结果有 很大的影响。因此选择合适的训练样本不但能提高分类的正确率，而且还可 以减少计算的复杂度。我们使用k 近邻剪辑法【r i c h a r d 0 3 】去除训练样本中靠 近边界的样本，使剩下的样本形成更好的聚类。 算法如下： 。1 ) 将训练样本随机划分为n 个子集，不妨设为o = ( s o ，墨，最- 】) _ 】_ n 3 。 2 ) 以& 。) 。1 0 d ( 。) 为参考集，用最近邻法，对6 ，中的样本进行分类，其中 i = 0 1 n 一1 。 3 ) 去掉2 ) 中被错分类的样本。 4 ) 用留下的所有样本，构成新的样本集o “。 5 ) 如果k 次迭代后，再没有样本被剪辑掉则停止，否则转1 ) 。 第5 步的k 次迭代是由于第一次划分的n 个子集具有随机性，不能保证 有的样本一次未被剪辑掉，以后都永远不会被剪辑掉。图2 1 2 列出了样本剪 辑前后的示意图，从图中我们可以看到在剪辑后不同类之间易于混淆的样本 被去除，减少了具有二义性的样本对分类结果的影响。 ( a )( b ) 图2 1 2 样本剪辑示意图( a ) 样本剪辑前。( b ) 样本剪辑后 浙江大学硕士学位论文计算机辅助的国画：分类、鉴别与系统 2 5 实验结果及分析 2 5 1 实验数据 实验中，我们选用具有3 9 2 幅传统中国画的图像库作为主要实验数据， 其中包括1 3 2 幅花鸟画、1 2 7 幅人物画和1 3 3 幅山水画。这些画是不同时代、 不同画家所作，其中也包括一些现代画家的作品。这些画的大小从2 0 0 x 2 0 0 到5 0 0 5 0 0 不等。图2 1 3 列出了部分实验中用到的样本。 ( a ) 花鸟画 ( b ) 山水画 ( c ) 人物画 图2 1 3 部分试验数据 浙江大学硕士学位论文 计算机辅劲的国画：分类、罄别与系统 2 5 2 分类结果评判标准 在基于内容的图像分类和