基于风格特征的花瑶挑花图案智能设计路径 (1).pdf

设计理论与方法丝绸 基于风格特征的花瑶挑花图案智能设计路径 陈鋆纯 季 铁 彭 坚 王 斌(.湖南大学 设计艺术学院长沙 .中南大学 计算机学院长沙)摘要:运用智能技术对民族图案进行传承与创新已然成为文化科技深度融合背景下的研究热点但现有民族图案的智能生成研究多聚焦于对智能技术的使用对民族图案本体的风格特征少有深入挖掘 本文以花瑶挑花图案为对象在保持其风格特征的基础之上探索花瑶挑花图案的智能生成形式与方法 首先对花瑶挑花图案的风格特征描述进行收集和语义归纳同时通过重要性评估和统计分析提取典型的风格特征因子 然后对所提取因子进行解析并基于其进行花瑶挑花图案的智能设计形式转换和设定 最后针对花瑶挑花外轮廓形态方正的数据特征引入轮廓检测填充模块和形态模块提出新的模型结构 对花瑶挑花再设计形式进行智能设计实践生成可调整的辅助设计方案 实验证明以花瑶挑花图案风格特征延续为视角的花瑶挑花图案智能设计方法优化了民族图案智能设计的路径为民族图案的智能设计提供了新思路关键词:风格特征民族图案花瑶挑花民间手工艺智能设计生成对抗网络中图分类号:.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:国家社会科学基金艺术学重点项目()作者简介:陈鋆纯()女博士研究生研究方向为文化创新设计 通信作者:季铁教授.随着智能技术在文化领域的全面渗透对民族图案的数字化与智能化保护、传承和创新的态势日益凸显 民族图案演绎了一个民族的历史文化、人文精神和价值观念是民族传统文化的重要组成部分运用新兴技术对民族图案进行创新设计逐渐成为活跃的研究与实践方向不仅丰富了民族图案的多样性更有助于民族图案的传播和共享这是民族图案传承发展的契机亦是其核心文化与价值能否持续所面临的挑战 民族图案风格各异具有独特的艺术特色、审美意趣和精神内涵然而在对民族图案进行智能设计时通常忽略了对其本体文化基因的深入研究与挖掘极易造成对民族图案创新过程中的文化属性消解 因此在数字智能技术赋能民族图案再生的语境之中以何种方式才能在保持民族图案艺术特色的前提下对其进行智能设计是亟待关注与探究的问题本文以花瑶挑花图案为例以保持其图案原型的“风格特征”为视角探寻图案的智能化设计和风格保持之间的平衡点并构建花瑶挑花图案的智能设计路径 民族图案的风格特征与智能设计.民族图案的风格特征风格这一概念常用以概括和反映对象相对稳定且显著的艺术面貌体现于内容和形式的统一之中包括个人风格、群体风格、区域风格和时期风格具有同一性和多元化的特点 某种特征在对象中的重复出现便形成风格风格通过对象中的共同特征而进行度量特征之间的语法或拓扑关系是维持风格的关键因素 民族图案是一个民族在生活、生产、传说、信仰、审美等方面的缩影各民族文化的差异孕育了民族图案的独特性因此民族图案拥有鲜明的地域性和民族性特点在构型、赋色和语义上呈现鲜明的风格特征和规则文法蕴含丰富的美学特征与文化内涵 将其运用于现代创新设计不仅能丰富设计形式避免“文化同质性”也是民族图案传承与永葆生命活力的有效方式而在对民族图案进行创新设计的过程中需要立足于民族图案原有根基之上对其文化精髓和风格特征进行合理的继承和保留花瑶为瑶族的一个较小支系主要分布于湖南省隆回县境内的虎形山地区拥有上千年的悠久历史与文化积淀 花瑶有自己的语言但没有文字挑花就是花瑶人的编年史花瑶女子运用挑花图案“以纹代文”记载并呈现民族文化的发展和变迁花瑶挑花融汇了花瑶民族的民族性格、历史变迁、意识形态、手工艺术是花瑶人生生不息的民族文化的活态载体蕴含极高的审美艺术与社会文化价值 年被列入国家首批非物质文化遗产名录 花瑶传统服饰中的筒裙因其所占面积最大上面的挑花图案密度最高故筒裙之上的挑花图案是花瑶服饰中最精彩的部分如图 所示第 卷 第 期基于风格特征的花瑶挑花图案智能设计路径图 花瑶挑花筒裙图案.民族图案的智能设计运用智能技术创新民族图案能有效缩短图案设计的周期丰富图案的表达形式是计算机与设计学科进行跨学科交叉研究的焦点之一 然而在延续民族图案艺术风格和特色的基础上对其运用数字化、智能化技术进行创新是一个富有挑战的工作 现有关于运用计算机技术对民族图案进行创新设计的研究主要有 类:第一类是在智能设计中保留民族图案本身构图形式第二类是从保留图案单元形的角度出发对民族图案行智能设计第三类是运用智能技术使图案单元形呈现全新视觉形态 上述研究从不同的创新形式上运用计算机技术对民族图案进行了智能设计但现有研究主要侧重于如何使用计算机智能技术快速生成设计方案对民族图案本体所蕴含的风格特征尚缺乏全面、深度、客观的解读与挖掘而使民族图案原型的典型文化属性和基因得以最大限度保留是进行民族图案智能设计的基础与核心在民族图案的智能创新设计过程中以何种方式才能使民族图案的风格特征得到延续需要着重探讨随着深度学习技术的发展与应用领域的拓展有学者将基于卷积神经网络框架()的风格迁移算法运用于民族图案设计生成如侯宇康等采用该框架算法对苗族织物蜡染和挑花图案的创新设计 此外也有学者提出基于生成对抗网络框架()对民族图案进行智能生成 而现有花瑶挑花图案的创新设计研究与实践多集中于对图案的传统视觉设计之上对花瑶挑花图案进行智能设计的探索较为缺少仅有从语义的视角对花瑶挑花图案进行智能辅助设计方法的探讨提出使用有监督学习 框架用于花瑶挑花创新图案的上色 框架和 框架均可用于风格迁移任务 框架通常采用基于特征的方法即先将图像分解为不同的特征层然后对每一层进行风格和内容的匹配但由于没有考虑到全局的图像结构会导致输出图像局部信息的不连贯或不真实在图案纹理细节处理上仍存在问题 相对 框架 框架可通过训练生成器和判别器的对抗来学习生成更真实的图像 但传统的 方法通常需要成对的训练数据如已有提出的花瑶挑花图案上色模型需要成对的数据用于训练而花瑶挑花图案在风格迁移中无成对数据且数据量稀少因而有监督学习的方式是不可行的 模型可以通过两个生成器和两个判别器的循环对抗训练它无须成对的训练数据且可生成更加稳定和多样性的图像在保持图像整体一致性和真实性的同时可实现跨域图像的转换比传统的基于特征的方法更具有泛化性 但 模型难以实现两个图像域间的转换因此本文基于花瑶挑花的风格特征对无监督学习模型 进行优化改进提出模型结构 用于花瑶挑花图案的智能生成.基于风格特征的花瑶挑花智能设计研究方法本文以花瑶挑花图案为例提出基于风格特征的民族图案辅助设计路径研究流程如图所示)首先通过专家访图 研究流程.谈对花瑶挑花图案进行风格特征的感性语义收集和提取并对其进行语义整理与归纳其次由设计师进行风格特征因子的重要性评估最后对问卷数据进行统计计算从中获取花瑶挑花图案的典型风格特征因子)对花瑶挑花的典型风格特征因子进行桌面分析总结智能设计中需要保留的关键风格特征要素并将其进行设计转换设定智能设计形式)根据前文所设定的基于风格特征的花瑶挑花再设计形式选择相应技术生成花瑶挑花风格图像 花瑶挑花图案风格特征因子提取对花瑶挑花图案进行风格特征的挖掘是运用智能技术对其进行创新设计的基础为了提取花瑶挑花图案中典型的风格特征因子本文通过感性工学实验和问卷调查的方法对其进行研究 具体步骤如下:)专家访谈 从花瑶挑花图案中挑选 张典型图案作为访谈素材邀请 位有五年以上设计经验并参与过花瑶挑花文化研究和创新设计的平面设计师、产品设计师、交互设计师、服装设计师用简短的语句描述花瑶挑花图案的风格特征)语义整理 对所收集的风格特征描述进行语义整理与风格特征词汇抽取将相似语义词汇进行合并关联度不高的语义词汇进行剔除得到风格特征因子描述词汇 如表 所示表 风格特征因子抽取.编号风格因子编号风格因子复杂性不规则性造型具象生活化疏密有致故事性生动性主次分明对称性适合纹样寓意丰富连续纹样象形化构图饱满十字针脚稚拙感 )问卷调查 将 张典型花瑶挑花图案和 项风格特征描述进行网络问卷编制邀请 名花瑶挑花绣娘和设计师对每项描述进行网络打分评分分值为 分 分表示此项描述不能体现花瑶挑花的典型风格特征 分表示此项描述非常能体现花瑶挑花的典型风格特征 发出问卷 份共获得有效问卷 份)信效度分析 本研究问卷信度分析使用内部一致性信度()效度分析使用结构效度(及 检验)进行检验 结果显示本问卷的 值为.值为.问卷信度和效度良好)统计分析 设风格特征词汇为 共有 项风格特征词汇邀请 位设计从业者对风格特征词汇的代表性进行网络打分第 位志愿者对风格特征词汇 分别打分为 则第项风格特征词汇的评分平均值为:()式中:为第 位志愿者对第 和风格特征词汇的打分风格词汇的平均值 越大表明此风格词汇的重要性越高在对花瑶挑花图案进行再设计的过程中愈加应该对该项风格特征予以保留 通过对不同风格特征词汇的平均值进行比较统计均值较大的风格特征因子如表 所示表 值较大的风格特征因子统计.风格特征均值.其中、和 的均值分别为.、.和.分别有.、.和.的设计人员认为、和 非常能体现花瑶挑花图案的风格特征说明构图特征中的对称性、饱满和疏密有致是花瑶挑花图案的显著风格 和 均值分别为.和.分别有.和.的设计人员认为其非常能体现花瑶挑花图案的风格特征因此语义特征中的故事性和寓意丰富也是对花瑶挑花图案进行再设计不能忽略的典型要素 其次 均值为.认为其非常能体现花瑶挑花图案的风格特征 均值为.认为其非常能体现花瑶挑花图案的风格特征表明造型特征中的生动性和工艺特征当中的十字针脚同样应该予以保留 花瑶挑花风格图案智能设计形式构建.花瑶挑花图案的风格特征:对称性 由于花瑶挑花图案大多挑制于花瑶服饰的筒裙之上为了保持人站立时的视觉平衡挑花图案具有绝对对称性给人视觉上的稳定和平衡的形式美感:构图饱满 花瑶人将理想追求物化于挑花图案构图之中追求完整以满为美以此寄情对生活圆满、完美的憧憬:故事性 花瑶挑花作为花瑶民族文化重要的物质载体之一题材丰富多样有动植物、民俗故事和神话传说等展现了花瑶族人的所闻所见和心态观念图案中所表达的内容极富故事性:寓意丰富 花瑶挑花图案是其民族文化的缩影拥有丰富的文化语义通常使用谐音、寓意和符号形式进行情感的象征表达彰显花瑶人和美、兴旺、繁盛等感悟和愿景 如杯第 卷 第 期基于风格特征的花瑶挑花图案智能设计路径嘎哟图案象征圆满幸福、五谷丰登之意老虎图案象征虎虎生威、吉祥平安:疏密有致 挑花工艺精致图案中繁密处针针相套不见底色而稀疏处运用简约的图案或线条填充画面对比分明疏密有致视觉冲击力强烈:生动性 花瑶女子在挑花的过程中没有规则的束缚她们不必描摹打稿凭腹稿与自我的审美理解飞针走线对所见所想和情感理想进行即兴表达她们依靠经年积累的挑花经验徒手在布料经纬之间挑制纹样纹样造型上遵循自由赋形的观念 因此同一主题内容也会出现不同的造型方式和表现手法画面内容生动:十字针脚 花瑶挑花工艺独特采用特殊的“挑”绣针法在正面与反面分别以十字纹和一字纹为针脚组织画面正反成图“十字花”针脚是挑花图案呈现的视觉表征.智能设计形式转换基于以上对花瑶挑花图案各典型风格特征因子的分析本文将统计均值较大的风格特征因子归纳为构图特征、造型特征、语义特征、针法特征 个方面并对花瑶挑花风格图案智能生成形式进行设定如图 所示图 基于风格特征的智能生成形式转换.)构图特征:包括、保留对称、满构图的构图形式以设定构图规则主体纹样针脚密集不现底色和填充纹样相对稀疏简练)造型特征:包括 花瑶挑花图案的寓意内容主要取决于主体纹样主体纹样在内容的选择上不受任何约束具有生动可塑的特征因而主体纹样由用户自主选取或描绘的简笔画图像生成)语义特征:包括、花瑶挑花图案的填充纹样通常根据主体纹样的题材和类型进行选择与构思具有丰富语义特征因而填充纹样的转换形式可由用户从填充纹样数据库中通过语义搜索选择意向纹样进行填充 民族图案语义属于隐性知识需要对民族图案语义进行前期整理与归纳并将单位图案数据进行相关语义标注构建花瑶挑花纹样数据资源库由用户根据语义选取单位纹样再进行基于构图规则的排版重构)针法特征:包括 以十字针脚作为生成图案的视觉表现最小单位智能生成相似风格特征的设计方案 花瑶挑花风格图案智能生成实践.主要生成方法.智能算法数据集构建本文首先通过对所收集的花瑶挑花图案进行矢量化描摹然后对其进行分解获得花瑶挑花图案的主体纹样数据集主体纹样数据集由 张花瑶挑花主体纹样图像构成 通过爬虫技术从互联网上爬取获得简笔画图像数据并根据清晰度及美观度从中筛选 张简笔画图像建立简笔画数据集 将简笔画图像数据集和花瑶挑花主体纹样数据集共同作为训练集进行深度学习网络算法学习进而生成花瑶挑花风格纹样.花瑶挑花主体纹样生成算法设计由于花瑶挑花图案数据量稀少且无成对数据本文运用 模型将简笔画图像转换为与之相对应的花瑶挑花风格图像 此转换过程的本质即使用配对的简笔画图像和花瑶挑花纹样对来学习输入的简笔画图像域 和输出花瑶挑花风格图像域 之间的映射关系 模型能够在尽可能保留简笔画图像本身造型特征的基础上结合花瑶挑花图像域数据中本身的风格特征生成新的具有花瑶挑花特征的新图像 此外由于简笔画仅由简单线条构成花瑶挑花纹样则是由针脚构成整个纹样 模型很难直接从这两个图像域间获取有效对应的信息以实现域的转换因此需要对 模型做进一步优化以适配该数据集 基于此本文提出 模型即针对 模型的简笔画域生成器和判别器进行改进增加了轮廓检测填充模块和形态模块 首先在简笔画域的生成器和判别器中本文构建轮廓检测填充模块通过 轮廓检测算法计算出简笔画图像的内外轮廓集并以此来划分出简笔画图像轮廓集所构成的封闭区域再对这些封闭区域进行填充使简笔画图像与其背景得到不同值从而从背景中分离目标图案 其次由于花瑶挑花需严格依据底布经纬进行挑制因此其纹样外轮廓呈现方正的视觉形态本文提出运用形态模块使生成图案外轮廓实现由曲转直 形态模块通过大小为 卷积核与轮廓检测填充模块得到的数据做卷积计算先对图像中的每个像素点进行扫描实现图像膨胀再对膨胀数据以 的下采样率进行下采样最后以最邻近插值的方式进行上采样进而使得简笔画数据的外轮廓更符合花瑶挑花纹样的特征 本文设置轮廓检测模块和形态模块为不可训练状态得到的数据将.输入到生成器中可以训练层中用于训练模型其他层的权重这里采用生成对抗的方式训练来智能生成花瑶挑花图像该模型由生成器和判别器两部分构成 为了实现非配对情况下简笔画图像 到花瑶挑花图像 的映射即:生成器用于将简笔画图像生成花瑶挑花风格图像记作()判别器用于区分生成的花瑶挑花风格图像分布与真实的花瑶挑花纹样分布通过训练直至判别器无法继续进行区别两种图像但由于此映射的高度欠约束性本文再次引入一个生成对抗网络框架作为逆映射即:并使用循环一致性损失来将两个生成对抗网络模型相结合从而得到由两个生成对抗网络模型构成的循环架构本文的编码器和判别器均由多个残差卷积神经网络块构成 为了使该循环架构训练学习得到目标花瑶挑花风格图像本文设立的损失函数由两部分构成:对抗性损失函数和循环一致性损失函数 对抗性损失函数与生成器和判别器的映射公式如下:()()()()()()式中:和 分别应用于两个不同生成器和判别器的映射用于判别生成的花瑶挑花图像和真实的花瑶挑花图像则用于判别生成的简笔画与真实简笔画 和 分别代表两个不同的生成器本文通过循环一致性损失函数来确保两次经过生成器得到的简笔画图像与原始输入的简笔画图像、花瑶挑花风格图像与原始花瑶挑花纹样相对应公式如下:()()()结合对抗损失和循环一致损失最终损失函数为:()式中:为控制两个目标相对重要性的参数本文在 系统中实现此算法 型号为()().核数为 使用型号为 的 进行训练训练模型所占用显存大小为.训练好的模型生成器权重参数为.每生成一张尺寸大小为 图像所需内存为.花瑶挑花图案智能构图花瑶挑花图案构图通常分为 层构图、层构图和 层构图本文依据此纹样组织形式在系统中进行预设系统根据用户选择的不同构图模式进行不同的规则纹样构图排布 以 层构图为例第 层和第 层使用用户选择的填充纹样进行横向二方连续填充 第 层构图中为了实现满构图的特征本文首先计算出智能生成的花瑶挑花风格主体纹样所需面积大小根据其预估纹样可能存在的画布区域再通过随机算法来随机分布主体纹样和填充纹样的位置最后利用搜索算法查询纹样之间空隙较大的区域系统选择随机填充纹样对画面进行填充通过镜像算法使其满足对称性从而构成最终花瑶挑花风格图案.生成系统与交互步骤花瑶挑花风格图像智能生成系统的关键界面如图 所示左侧的操作区域包含画布设置、构图选择、图像输入、纹样选择的操作项右侧为图像生成的展示界面 系统交互步骤如图 所示:)设置画布尺寸)选择构图模式)首先输入简笔画图像系统将其智能生成花瑶挑花风格的主体纹样再根据所选的构图模式在系统纹样库中根据语义搜索分层选择意向填充纹样)系统根据所设置的画布尺寸、构图模式、所生成的主体纹样和所选的填充纹样快速生成多张个性化花瑶挑花风格图像用户可从中选择意向图像并以此作为辅助设计方案图 系统关键界面.第 卷 第 期基于风格特征的花瑶挑花图案智能设计路径图 花瑶挑花风格图像智能生成系统的交互步骤.生成方案优度评估为了验证花瑶挑花风格图像生成系统的生成效果本文使用不同的简笔画图像进行花瑶挑花风格图像的生成如图 所示并通过问卷形式对生成方案进行优度评估 问卷包括 张花瑶挑花智能生成图案 评分分值为 分邀请 位花瑶挑花文化持有者与具有花瑶挑花文化创新设计经验的设计从业人员对生成方案进行逐一评分 分别从风格延续性 与视觉美观度 两个维度进行打分均值 越大表明此评价维度的评价越高问卷优度评估统计结果如表 所示 通过对问卷结果进行分析可见花瑶挑花风格智能生成设计方案获得文化持有者与设计从业人员双方的肯定能较好地延续花瑶挑花的风格特征并获得视觉认同图 花瑶挑花风格图案生成方案.表 花瑶挑花风格图像生成方案优度评估统计结果.评价维度均值 均值.均值.结 论深入挖掘民族图案的文化精髓、领悟其美学内涵并通过设计和科技两大驱动力将其文化艺术因子转化成为智能辅助设计素材对中国文化创意产业的发展与文化复用具有重要意义 本文首先对民族图案进行了风格特征要素的感性认知并从中提取风格特征因子通过重要度评价获取典型风格特征其次对这些风格特征因子进行解析和智能设计形式的转换与设定最后根据智能设计形式对智能设计方法进行选择与生成实验并对所生成的花瑶挑花图案风格特征的设计参考方案进行优度评估 当下人工智能()生成内容正重新塑造着全新的内容创作范式在此数智赋能的文化创新生态语境之中对民族图案本体的风格属性进行挖掘与延续能提高民族图案智能设计的优度也是传承、传播和共享民族文化资源的必要环节丝绸官网下载中国知网下载参考文献:.?.():.雷圭元.中国图案美.长沙:湖南美术出版社.:.:.():.苟双晓.中国少数民族图语.成都:西南交通大学出版社.:.陈辉.民族文化符号在视觉传达设计中的运用分析.南京艺术学院学报(美术与设计)():.()():.():.徐百佳.民族图案元素是现代设计之魂:贵州苗族图案元素在家纺设计中创新.南京艺术学院学报(美术与设计)():.:.()():.沈雷 舒鹦姿.深在闺中的艺术奇葩:解读湖南隆回小沙江花瑶妇女服饰挑花纹样.民族艺术研究 ():.:.():.赵海英 杨一帆 徐光美.新疆民族民间艺术图案生成方法.计算机系统应用 ():.():.():.赵海英 彭宏 张小利.基于进化计算的地毯图案生成方法.图学学报 ():.():.朱苗苗 吕健 刘翔 等.交互式遗传算法在民族图案创新设计中的应用.计算机工程与设计 ():.():.罗茜 余鲁.形状文法视角下汉代漆器云纹纹饰的应用研究.包装工程 ():.():.黄灿君.基于 的丝绸文物创意设计专家系统关键技术开发.杭州:浙江大学.:.袁惠芬 程皖豫 王旭 等.基于 积的分形图案设计及在望江挑花中的应用.东华大学学报(自然科学版)():.()():.():.():.侯宇康 吕健 刘翔 等.基于神经风格迁移网络的民族图案创新方法.图学学报 ():.():./().:.阮将军.隆回花瑶挑花图案的创新与应用研究.长沙:湖南师范大学.:.“”.:./().:.第 卷 第 期基于风格特征的花瑶挑花图案智能设计路径 .