基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感模拟.pdf

设计理论与方法丝绸 基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感模拟 王维杰 陈 江 郑 丹 王佳丽 余卫华 方 佳 程 明(.四川省丝绸科学研究院有限公司成都 .四川大学 轻工科学与工程学院成都.四川省佰昉和科技有限公司成都 .杭州天睿丝绸有限公司杭州)摘要:刺绣质感的矢量模拟在纺织品数码印花领域有着广阔的应用前景其中尤其是对传统手工刺绣肌理效果的模拟 在现有的研究中对刺绣效果的模拟通常借助位图图像处理软件因此易导致印花面料刺绣图案失真等本文提出了一种基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感的模拟技术该技术采用不同的区块组合来表示刺绣图案的不同区域并在不同区块内填充不同参数的折线形成模拟刺绣效果 基于区块划分与矢量折线填充的刺绣图案模拟方法解决了传统位图法模拟刺绣效果清晰度差与风格单调的问题 实验结果表明本文所提方法能够实现对手工刺绣效果的视觉质感模拟通过该方法绘制的刺绣图案能够较好地应用在丝绸面料数码印花领域关键词:区块划分矢量折线填充边缘切向流仿手工刺绣质感模拟数码印花中图分类号:.文献标志码:文章编号:()引用页码:./.收稿日期:修回日期:基金项目:四川省科技计划项目()作者简介:王维杰()男博士研究生主要从事纺织服装领域数字图像处理与计算机图形学研究 通信作者:程明高级工程师.目前在纺织面料上形成可控彩色图案的主要工艺手段有刺绣、提花和印花因为刺绣和提花生产工艺流程相较于印花工艺复杂且成本较高所以印花面料占据了面料市场的主导地位 数码印花技术的发展解决了消费者对印花图案的个性化需求问题有众多研究人员尝试采用数学模型、人工智能技术来促进印花图案的原始创新但是目前还存在部分消费者倾向于购买具有特殊肌理质感的纺织品如具有手工刺绣肌理效果的面料为了满足消费者需求同时保证面料的生产效率、降低生产成本有研究人员探索了采用印花工艺在面料上模拟刺绣效果的方法其关键技术在于利用计算机图形处理技术来模拟刺绣的视觉质感效果 在非真实感图形学领域刺绣风格图像渲染技术主要可分为基于笔触渲染的方法、基于图像类比的方法和基于图像滤波的方法其中基于笔触渲染的方法是非真实感图形学中常用的技术 虽然基于笔触渲染的方法可通过学习参考图像中的信息实现图像的风格化但是这种方法不能简单地扩展到针对其他风格的迁移导致其使用受到限制 随着深度学习在图像处理领域的发展一种基于深度学习的快速图像风格化方法应运而生 这种图像风格化的方法大大提高了图片的生成速度并且生成的图片具有更好的视觉效果 随着网络体系结构的发展一个单一的可训练模型可以转移任意的艺术风格并可应用于刺绣风格模拟问题这解决了需要分别训练不同的针法样式的问题最近一种基于 的方法被设计用于刺绣风格迁移它可以产生不规则放置的缝线的结果 然而神经网络只有在包含更多自然内容和清晰的高级语义信息的图像上才能很好地工作而且风格迁移过程中缺少用户交互操作忽略了用户创意的介入途径 综上虽然采用非真实感图形学方法可以绘制不同刺绣风格效果的图案然而由于其技术本质是基于对现有图像进行风格化渲染所以无法实现类似手工刺绣效果的可控模拟 与此同时其技术实现需要专业性极强的程序编制工作不利于技术普及应用 在应用研究方面王金美等利用 绣花软件对刺绣图案进行基础参数化设计并结合 软件对初始刺绣图案进行二次处理通过数码印花工艺在丝绸面料上实现仿齐针绣、戗针绣等肌理效果 然而 等刺绣商业化软件是为了辅助电脑.绣花的生产而设计其对刺绣效果的模拟清晰度不高且刺绣针迹间衔接生硬、风格单一将模拟图案应用在印花面料上无法较好地体现手工刺绣灵活自然的视觉质感为了解决目前商业刺绣模拟软件图片清晰度差、风格单调与基于非真实感图形学技术无法可控模拟手工刺绣效果这两个问题本文基于对刺绣质感形成原理的研究提出了采用区域划分和矢量折线填充的方法来模拟刺绣质感并基于 软件平台与参数探索实验实现了清晰度高、兼容性强、交互性好的模拟刺绣图案 最后基于在丝绸面料上进行数码印花实验验证了本文方法的有效性与适应性 刺绣视觉质感的形成原因与绘制原理研究刺绣质感的形成原因对模拟绘制刺绣质感至关重要 在计算机图形学领域物体表面真实视觉质感的绘制是真实感图形学的主要研究内容之一 根据基于物理的光照模型()可以得知影响质感的两个因素是物体表面的光学特性和几何细节 对于不透明物体物体表面的光学特性即材质本身特性造成的光线特定反射现象与材质表面的反照率、粗糙度与金属度有关几何细节为材质在空间中的组织排列形式表现为物体在亚宏观结构层呈现的凹凸纹理与材质表面的法线分布有关 下式为反射率方程描述的是物体表面上一点反射到观察方向的出射辐射亮度 的计算方法依次计算材质表面每一点的出射辐射亮度值便可以绘制出物体表面的真实质感()()()()式中:物体表面上 点的出射辐射亮度()由入射光辐射亮度()、入射光与 点法线的夹角的余弦值及 点处的双向反射分布函数()值()控制半球积分表示多光源直接光照与间接光照的叠加 计算的是 点入射方向到出射方向光的反射比例物体表面不同点的材质特性不同因此具有不同的 值 中包含一个漫反射项和一个镜面反射项在漫反射项中 为 点材质的反照率即表面颜色 镜面反射项的计算与(法线分布函数)、(菲涅尔函数)和(几何函数)有关如下式所示()()()()下式为法线分布函数其中 为 点的粗糙度、为 点法线、为半角向量()()()()下式为菲涅尔函数由 点的基础反射率、半角向量 及视角方向 计算得出 其中 ()当 点金属度为 时为 点材质的反照率当 点金属度为 时表示为电介质为固定值.()()()()下式为几何函数描述了物体表面微平面相互遮挡导致的光线能量减少或丢失的现象与 点的粗糙度、法线 及视角和光线方向有关()()()()因此物体表面的光学特性主要由 决定通过逐像素地定义材质反照率、粗糙度和金属度便可以计算每个像素的颜色从而形成不同的颜色和光泽效果 除此之外对于材质表面的几何细节则需要逐像素地定义表面法线方向从而影响着色产生凹凸不平的视觉效果以刺绣材质为例表面的光特性主要与绣线的颜色和粗糙度有关如图()所示 由于绣线为电介质材质表面基础反射率为常数.颜色主要由漫反射提供不同颜色的绣线即代表不同的反照率通过指定不同位置的反照率即可定义刺绣材质上不同区域的颜色此外由于刺绣所采用的散线与股线表面的粗糙度存在较大差异通常散线的粗糙度低于股线的粗糙度因此基于散线绣制的刺绣作品镜面反射更加强烈 刺绣表面的几何细节体现为不同长度和方向的针脚所形成的紧密凹凸质感可以通过表面法线贴图来定义刺绣表面的几何细节 通过逐像素定义刺绣材质的反照率、粗糙度与法线方向便可以绘制出人眼看到的真实刺绣质感图像如图()所示 在具体的 渲染流程中可以分别通过颜色纹理贴图、粗糙度纹理贴图、高度纹理贴图和法线纹理贴图来定义刺绣物体表面质感如图 所示基于以上真实刺绣质感的形成原理可以为真实质感的刺绣模拟提供理论支撑 为真实再现刺绣材质的光学特性与几何细节一些研究采用了商业绣花制版软件 来制作刺绣模拟图然而 并非为了生成刺绣模拟图而开发其生成的模拟刺绣图片无法体现针脚之间的阴影从而影响了刺绣表面几何细节的表达 与此同时因为工艺条件的局限性机绣只能采用有限颜色的绣线还原图案效果从而导致色彩间过渡生硬 更为重要的一点是机器刺绣的针法不如手工刺绣针法灵活无法提高刺绣模拟图案的审美价值以 刺绣滤镜生成的刺绣材质效果为例虽然通过各类贴图的计算还原了刺绣材质的光学特性和几何细节但是色块间相互独立没有颜色过渡效果而且最多只能呈现 种颜色如图 所示 通过观察刺绣材质的放大图可以得知相同色块内的针脚排列无规律因此无法呈现类似手工刺绣的艺术审美效果第 卷 第 期基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感模拟图 真实刺绣材质表面图片与刺绣质感形成与绘制原理.图 刺绣材质的 渲染流程.图 基于 制作的刺绣纹理效果.由于通过以上方法绘制的刺绣质感图片均无法保存为矢量图格式因此在面料上印花时容易造成分辨率不足等问题除此之外由于数码印花机精度的限制与墨水的渗化作用导致刺绣图案细节在印花过程中丢失从而影响刺绣质感图案的模拟效果 针对由图案导致的问题与印花环节导致的问题本文从图案设计的角度出发提出了相应的解决方法如表 所示表 基于本文方法解决的问题与对应策略.模拟要素问题策略颜色图案色彩过渡生硬颜色选择范围有限基于手工刺绣技法划分色彩过渡区块光泽光泽效果无法随视角与光源变化而变化不对针脚单元上的光泽进行绘制合理依托印花面料光泽体现刺绣光泽几何细节由于图片分辨率不足数码印花机精度不高及印花墨水的渗化针脚之间界限消失模拟细节过多导致印花细节损失影响关键刺绣风格特征基于折线填充刺绣区块折线之间存在明显距离突出刺绣针脚之间界限不对针脚单元上的阴影进行绘制采用高对比度底色作为阴影减少印花细节损失针法针法单一无法体现手工刺绣的艺术效果依据绘制对象的走势进行区块划分调整折线的变化参数形成自然的手工刺绣图案效果 实 验.基于区块划分与矢量折线填充方法的刺绣质感图案绘制流程 刺绣质感图案的绘制流程如图 所示 第一步选取待绘制原始图片使用 软件钢笔工具绘制主体对象轮廓根据主体对象结构特征及相似色相区域进一步划分对象细分区块轮廓 第二步按照原始图片中主体对象的颜色填充相应区块内颜色 第三步基于边缘切向流()算法计算分析主体对象结构走势如图 案例中依据鸟羽毛的生长方向确定区块内待填充折线的方向 第四步为了确保模拟刺绣针长度的均匀性依托对象结构走势对颜色区块面积较大的区域进行二次分割 图 显示了经过二次区块分割与未经过区块二次分割对刺绣模拟效果的影响 第五步基于 软件中的涂抹工具在相应区块内快速填充矢量折线 第六步依次调整区块内折线填充方向 折线密度 折线宽度 折线变化参数、区块过渡参数 最终获得具有刺绣质感的模拟图案 其中折线填充方向、折线密度、折线宽度、折线变化参数、区块过渡参数与 软件中调整的参数对应情况如表 所示图 刺绣质感图案绘制流程.图 经过与未经过区块二次分割效果对比.表 区块折线调整参数与 软件中参数的对应关系.区块折线调整参数 软件中涂抹工具调整参数参数范围折线填充方向 角度 折线密度 间距 .折线宽度 描边宽度 .折线变化参数(间距变化参数)间距 变化 .折线变化参数(过渡变化参数)路径重叠 变化 .区块过渡参数 路径重叠.第 卷 第 期基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感模拟.基于边缘切向流的图像内容特征向量提取分析图像中主体的结构走势本质上是获取图像主体的特征线可以通过建立平滑的向量场作为图像的流场来保存主体对象的特征线信息 借鉴 等提出的基于流的各向异性 数学模型其中通过构建二维图像的边缘切向流场能够很好地提取图像中具有方向性等特征的结构可以通过流场向量方向来指导本文中折线填充方向定义()为边缘切向流其方向垂直于图像的梯度如下式所示()()()()()()()式中:()为 的邻域 表示向量的标准化量为空间归一化函数为大小权重函数为方向权重函数、的定义分别如下式所示()具体地采用 提出的比例九标度法(表)通过邀请 位对刺绣与计算机图形绘制较为熟悉的服装与服饰设计专业的研究生作为专家组共发放问卷 份收回 份并采.用 软件进行各因素权重计算表 比例九标度体系.标度 比较的含义因素 与因素 相比有相同重要性因素 与因素 相比 比 稍微重要因素 与因素 相比 比 明显重要因素 与因素 相比 比 强烈重要因素 与因素 相比 比 极端重要上述两两相邻判断矩阵中的中间值倒数因素 与因素 比较得出判断/第二步计算因素集中各指标的权重采用标准化几何平均值法()来计算因素集中各指标的权重 设 表示因素集中第 个指标的权重如下式所示()/()/()即因素集中各指标的权重集为 在构造判断矩阵时由于客观事物的复杂性与人判断能力的局限性从而导致人们在对各因素重要性的判断过程中做出矛盾的评判 为了确保成对比较矩阵的评估是合理有效的需要对因素集中各指标权重进行一致性检验 一致性比率指标 如下式所示 /()式中:()/()为一致性指标 为平均随机一致性指标是通过大量实验确定的为最大特征根计算如下式所示()()当 .时认为矩阵的不一致程度是可以接受的否则认为不一致性较为严重需要重新对判断矩阵做出相应调整.单因素模糊评判设评判对象按因素集中的因素 进行评价时对评价集中的元素 的隶属程度为 对于 的评价结果如下式所示 ()式中:称为单因素评判集是评价集 上的一个模糊集合把 个单因素评价集组合在一起则构成了单因素评价矩阵 ()采用专家评分法对因素集中的每项指标进行评价打分范围在区间 例如专家给 项评价因素打分时应满足:()专家打完分后对每项评价因素在每项评价指标下的得分取平均值计算最终得分作为评价集中元素 对应的隶属度.模糊综合评判结合权重集 与单因素评价矩阵 计算得到模糊综合评判结果 ()()()式中:()为模糊综合评判指标表示在考虑了评判对象所有因素时评判对象对评判集中某一元素的隶属度 结果与分析.刺绣图案 中的参数设计 中填充折线的参数包括角度、间距、描边宽度、路径重叠、间距变化、路径重叠变化其中角度控制区块内折线的总方向可以设置 任意朝向 在实际操作中依据图案中主体对象的结构调整进行相应设置未经方向调整的折线填充效果与经过方向调整的折线填充效果对比如图 所示 未经折线方向调整的图案区块间无明显界限导致图案层次感较差经过区块折线方向调整的图案具有明显的区块界限能够较好地呈现刺绣质感效果图 折线方向未调整与调整结果对比.间距对应针脚线迹之间的距离通过调整间距可以模拟绣线之间的疏密程度 手工刺绣时用绣针将绣线按顺序排列产生丝光立体效果绣线与绣线之间距离的疏密对刺绣图案的风格、立体丝光效果都有直接影响 设置描边宽度为.线迹间距分别为.、.、.的刺绣图案对比效第 卷 第 期基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感模拟果如图 所示 由图()可知线迹距离越小线条之间越紧密但是单个线迹越不清晰 线迹距离越大单个线迹越清晰但是线条之间越稀疏 在描边宽度为.时图案线迹间距的合理参数取值范围为.由图()可知描边宽度通过设置线条的粗细来描述针脚粗细具体应根据图案大小进行设置本文设置描边宽度为.图 不同间距和描边宽度参数模拟效果对比.路径重叠参数可以控制折线超出区块轮廓距离的大小取值范围为.图 中绿色线条为区块边界当取值为正时路径重叠参数数值越大折线超出区块界限越多对应区块间过渡区域越多相反当取值为负时数值越小折线区域收缩越多区块间呈现明显间距 路径重叠参数可以用来模拟刺绣针脚之间的不同过渡状态如水路效果、齐针效果与晕针效果图 不同路径重叠间距的模拟效果对比.为了进一步模拟真实刺绣效果中不同针脚长度与错位叠加效果提出了间距变化与路径重叠变化参数以此分别模拟真实刺绣场景中不同针脚间距与错位间距的差异增强整体效果的层次感 通过路径重叠变化参数与间距变化参数调整可以更好地模拟手工刺绣针脚自然过渡的效果如图 所示图 添加变化参数与未添加变化参数的模拟效果对比.数码印花面料实物效果将刺绣图案按照参数化设计方法处理后的图案进行印制以此验证图案参数化设计效果 本文将参数化处理后的图案经数码印花设备印制到平纹丝绸织物上 刺绣模拟效果如图()所示设置折线间距为.描边宽度为.路径重叠为.路径重叠变化参数为.间距变化参数为.印染实物如图()所示可以看出数码印花图案参数设置合理、效果逼真达到晕针绣风格的视觉效果可以实现丝绸织物数码印花刺绣质感图案的高效、便捷印制 同时数码印花刺绣质感图案较传统刺绣生产效率高对从业人员技术要求低具有可行性及较高的推广价值图 数码印花面料效果.刺绣质感模拟效果的模糊综合评价结果根据因素集中各因素两两比较结果构建得到的判断矩阵 为:.采用 法计算因素集中各指标的权重 为:.一致性比率指标 /.所以比较判断矩阵通过一致性检验根据专家评分法计算得到的单因素评价矩阵 为:.所以根据式()计算得到模糊综合评价结果 为:.综合评价结果显示模拟效果为比较差的隶属度为 一 般 的 隶 属 度 为.比 较 好 的 隶 属 度 为 很好的 隶 属 度 为.非 常 好 的 隶 属 度 为 根据最大隶属度原则模拟刺绣印花图案的质感效果为比较好.本文方法的有效性本文的方法能够通过调整参数在区块内设置不同填充方向、填充密度、折线宽度和区块过渡效果的刺绣质感所绘制的刺绣质感效果具备较高的真实感如图 所示 本文方法采用基本的折线几何图元组成矢量刺绣针脚因此具备矢量图形的所有优点如可扩展性、易于编辑和修改、文件小、兼容性等图 刺绣模拟图案在不同倍率下的放大效果.本文方法与其他方法的对比目前对图案进行刺绣质感风格化处理主要基于现有商业刺绣工艺软件与编程方法来进行制作通过将 绣花软件、非真实感图形风格化编程与本文所提刺绣质感生成方法在刺绣质感生成原理的先进性、用户操作的便捷性、修改速度、对用户自身的专业要求及模拟效果等几个方面进行对比(表)可以发现 绣花软件在制作刺绣质感图案的原理上比较落后而且其刺绣质感模拟效果较差 非真实感图形风格化编程方法在生成刺绣的原理上比较先进但用户操作不方便质感渲染耗时长对设计师的软件操作要求高不便于设计师对刺绣肌理进行快速绘制 采用本文所提的区块划分与折线填充方法可以快速地生成逼真的刺绣肌理而且采用参数控制刺绣肌理的属性能够达到实时的修改效果本文方法可以在矢量绘图软件 中实现对设计师的软件操作要求低适合设计师在工作中快速表现产品的刺绣肌理效果表 本文方法与其他方法的对比.不同方法生成原理用户操作的便捷性修改速度对用户自身的专业要求模拟效果 绣花软件过时快中差非真实感图形风格化编程先进慢高适中本文方法先进快低好 结 论本文提出了一种基于区块划分与矢量折线填充方法的刺绣质感模拟方法为了更好地控制刺绣质感模型的几何细节与光学特性定义了区块内折线填充方向、折线密度、折线宽度、折线变化参数与区块过渡参数最终获得具有刺绣质感的模拟图案并通过数码印花实验验证了本文方法生成的刺绣图案具有较好的视觉效果 基于 软件实现了本文所提方法实验结果表明本文所提方法能够有效地模拟具有真实质感的刺绣效果同时可实现多种图案刺绣质感的绘制 由于该方法不需要对刺绣效果进行复杂的风格化编程运算对计算机硬件配置要求不高使得设计师能够通过参数控制快速生成满足设计需求的刺绣质感生成的刺绣图案具备较高真实感与多样性可满足设计师的不同绘制和数码印花需求丝绸官网下载中国知网下载参考文献:.:.第 卷 第 期基于区块划分与矢量折线填充方法的仿手工刺绣质感模拟 .:.:.():.:.():.“”:.():.():.():.():.:.():.():.王金美 闫亦农 吴晓晨.羊绒织物数码印花仿平绣的图案设计.毛纺科技 ():.():.:.():.