基于深度学习、图像处理算法的图像成剪纸平台

王能玉 杨敏

摘要：随着互联网技术的快速发展，移动阅读受到越来越多年轻读者的喜爱，无形中给中国传统文化艺术的传播和传承，造成了一定的冲击。新技术、新模式如何和传统文化进行有效的结合，受到越来越多人的关注。基于深度学习技术的剪纸平台是以互联网技术、大数据为背景，将新技术与传统剪纸文化进行有效的结合，用户上传自己照片后可以通过算法进行自动生成剪纸，并通过订单化的生成模式与在线支付，获取剪纸文创产品，该平台对于传统文化的转型发展，顺应用户需求，具有重要的示范作用和探索意义。

关键词：剪纸；传统文化；深度学习技术；社交；订单化生成

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0061-03

1 项目背景

剪纸继承了中国传统文化的精髓，是历史悠久且流传广泛的一种民间艺术，在民间艺术领域影响深远。民间剪纸具有自己独特的艺术形式语言，艺术表现形式简洁明快、个性夸张，极具装饰性。剪纸是农耕经济的产物，用于表达美好的心愿以及祝福。随着科学的发达，人们生活水平的提高以及社会条件的变化等，作为祈福类的剪纸也逐渐减少，商品经济给这种古老的艺术带来了严峻的考验与冲击。从事剪纸艺术的规模渐少，现代剪纸艺术家艰苦的创作条件和生活现状，以及剪纸艺术后继无人等问题被社会所关注。

剪纸艺术在2006年列入第一批国家级非物质文化遗产名录。传统剪纸艺术产品类型较为单一，生产流程复杂，缺乏个性化元素。如今这项艺术经历着严峻的考验与冲击。

为了更好地传承弘扬民间剪纸这一项重要的非物质文化遗产，在肯定剪纸艺术人文价值的同时，更多的人开始挖掘剪纸潜在的商业价值，来扩宽剪纸艺术市场。让设计工作者更深层次的了解剪纸的文化底蕴和内涵是本课题研究的目的，提取具有民族元素的精华，合理的运用到设计中，肩负起文化传承的使命。随着全球化进程的加快，世界各国各地区经济交往日益密切，尤其是中西方文化艺术交流日渐频繁，文化冲击现象愈演愈烈，民族文化身份变得模糊起来，文化安全受到了严峻的考验。基于互联网技术应用越来越广泛，面对“互联网+”快速发展的今天，面对全球化带来的西方文化的不断冲击，如何将先进的互联网技术应用到传统文化与现代文化的表现手法有机结合是当今探索的一大趋势，也是让剪纸艺术设计具有时代感的一个重要手段。

在2016年全国非物质文化遗产保护工作会议上就提到“要促进非遗在秉承传统、不失其本的基础上，更加全面地融入当代人的生活，让非遗在千家万户的日常生活中得到传承。”时代数媒科技股份有限公司从自身出发，依托自身技术研发能力将先进互联网研发技术与传统非遗文化进行结合创新性地提出了“互联网+剪纸”私人定制平台。

本文依托技术平台可以对用户上传的照片进行分类，识别肖像、风景等图片类型[3]，通过对不同的图片类型进行不同的算法处理，自动生成剪纸效果，同时提供相关参数进行设定调整，创新性的利用手机客户端、微信小程序等载体将传统人工构思、设计、绘制的剪纸过程实现了互联网化，满足了用户个性化需求。

本文重在建设一个基于深度学习技术，线上线下相结合，通过剪纸效果模板资源库、订单系统、物流配送系统，实现用户个性化定制剪纸需求。以剪纸效果图片在电脑、手机等多种载体上呈现。同时借助大数据语义分析挖掘，向用户推送最佳的剪纸模板，实现剪纸模板的增值服务。最终形成对剪纸模板资源库进行整合再造，更好的服务传统剪纸行业。

2 平台详细内容

2.1平台概述

本文打造了基于深度学习、图像处理算法的图像成剪纸私人订制平台，是“互联网+非遗文化”的一个技术应用型创新，是运用当前流行的互联网新型技术，将非物质文化遗产——剪纸，与个人用户有机结合，将传统的非遗文化，拉近到普通用户的日常生活中，豐富了业余文化生活，提升了审美情趣。这个项目是培育新的文化业态，增强文化发展活力，促进文化和科技融合，传统媒体与新兴媒体融合发展的项目。该项目的核心就是充分利用移动互联网时代，让用户与剪纸的承接方，用户只需上传任意一张照片，系统会自动将这张照片通过深度学习的技术，将照片变成剪纸需要的艺术效果，相当于在用户实时呈现出剪纸所需的电子文档，用户确定付款后，剪纸方就能收到需要剪纸的电子文档，简单输出后，即可立即剪成，大大缩减了剪纸的工序。这种方式打破了以往剪纸的流程，过去，剪纸艺人首先需要知道用户需求，然后根据用户提供的照片模板，最后剪纸艺人才能进行手动处理。深度学习技术应用到剪纸中，能90%以上呈现剪纸前的成像效果，让用户先看到效果后再确定购买剪纸。

2.2平台架构设计

平台基于移动互联网，在系统架构上分手机客户端，数据服务，订单服务，后台管理，数据存储，支付服务，物流配送几个主要的功能模块。系统整体设计图：

图1 一键剪纸平台系统整体设计图

1）手机客户端：手机客户端是平台面向用户的主要载体，包括用户登录注册、图片上传、剪纸定制模版、剪纸预览、参数设定调整、在线订单支付、查询快递信息等功能。手机客户端支持Android、iOS等主流系统版本。

2）数据服务：分布式业务支撑系统，为手机客户端提供接口API的支持，确保了手机客户端数据的完整性与稳定性。

3）订单服务：平台用户通过订单形式对所需要的剪纸产品进行下单，剪纸提供方进行订单式生产。

4）后台管理：管理平台用户、订单信息、物流信息，费用对账、内容管理，权限管理等功能。

5）支付服务：平台提供用户在线支付功能，支持支付宝、微信、银联、苹果Apple Pay进行费用支付。

6）物流配送：平台使用第三方物流公司进行配送，提供物流配送进度的线上查询追踪。

2.3平台技术方案

本文总体架构使用微服务设计原则，各系统模块之间充分解耦，围绕业务能力组织服务、自动化部署、智能端点、客户端版本自动更新、客户端热修复、对语言及数据的“去集中化”控制。各组件对外发布的服务通过HTTP Rest API的形式来进行，各应用组件可以独立的开发，部署与管理。保证了项目的后期进化设计与各类功能的快速迭代升级。具有以下特性：

1）先进性和成熟性。系统规划充分考虑云计算架构和大数据技术，尽可能采取先进而成熟的技术，在一定时期内都保持先进的水平。系统性能不仅适应现在的需要，也可以满足未来几年数据量的要求。

2）开放性和标准性。功能建设遵循开放性的原则，系统接口开放，提供标准接口。

3）安全性和可靠性。有合理、实用、高效的安全解决方案和网络安全防护机制，确保数据的存储和传输安全可靠。

4）稳定性和高可用性。系统设计应采用成熟、稳定、可靠的软件技术，确保系统在大数据量、高并发的网络环境下不间断地高效运行。在正常的互联网环境下，客户端静态信息页平均响应时间小于1秒，动态交互功能平均响应时间小于1秒。

5）结构化和模块化设计。系统遵循结构化和模块化设计，清晰划分各个功能模块，模块设计合理，有利于今后功能扩展。

6）经济性和实用性。从实际需求出发，方案设计应以经济实用为原则，合理优化，减少不必要的重复投资。

7）人性化设计和易使用性。遵循人性化设计，根据用户使用习惯和业务特点，设计友好人机交互界面，做到功能完善、操作简单直观。

3 平台核心技术实现

本文中关键技术基于深度学习方法，通过深度学习对图片进行剪纸艺术化处理。深度学习思想最早始于1943年MCP人工神经元模型，受限于当时计算机性能与算法的局限性，深度学习研究一直未能有重大突破，直至2006年深度学习技术得到迅速发展，并在2012年迎来全面爆发期。2016年3月份，谷歌公司AlphaGo围棋深度学习系统战胜李世石，使得深度学习，人工智能技术得到了社会广泛关注。随着国内外一系列深度学习算法、框架的发布，深度学习技术覆盖更多领域。

本文通过走访调研传统剪纸艺人，在收集了大量传统风格的肖像剪纸、风景剪纸数据的基础上，通过高清扫描对传统剪纸进行数字化处理，对剪纸图片进行图像处理，提取剪纸特征，从色值、对比度、颜色分配、人脸属性等多个维度进行数据特征的收集。对特征进行数据训练，获得关键模型[1]。

图2 技术实现图

对于平台用户，通过手机客户端进行图像上传，客户端进行图像的初步处理，对于处理完成的图像通过剪纸生成算法进行艺术处理，得到剪纸效果图像。

图3 剪纸过程图

本文所描述的剪纸生成算法重点包括

1）剪纸特征点的提取，本文选取了传统剪纸中对于人脸肖像剪纸处理，通过对人脸特征的提取、剪纸特征的提取后进行模型训练。

对于特征的提取与样本训练使用深度卷积网络进行样本训练[1]。核心使用Gram矩阵表示剪纸特征点，其数学表达式：

对于特征风格转换网络进行以下定义：

表1 特征风格转换网络

2）对于用户上传图片进行预处理，包括人脸提取、灰度、素描、属性调整等方法。人脸提取与分割使用Grab-Cut [2]算法进行提取与分割，对于分割后的图像进行灰度化处理得到灰度图像。对灰度图像进一步进行平滑与亮点分析，对于亮度不足的图像进行亮度补充。

3）算法套用，使用训练的模型对于用户图片进行算法处理，生产剪纸效果。对于产生的剪纸效果图片，进行高斯模糊处理，对于图像线条进行优化处理，采用σ=0.8的高斯函数对图像进行处理。

图4 高斯模糊转换代码片段

4）预览模块，对用户图片与算法处理的图片进行对比展示预览。同时输出符合Web规范的JPG图像与PNG图像。

4 平台的创新应用

4.1 观念创新

在互联网技术高速发展过程中，审时度势，以独特的眼光，超前的战略，突破传统思维，通过剪纸平台为抓手，运营互联网，打破传统出版和固有数字出版将纸质内容数字化的观念模式，反其道行之，通过平台嫁接传统的民间艺术文化——剪纸，选取优质原创剪纸服务传统出版内容建设。借助自身转型升级的同时辐射全行业乃至文化产業的转型发展，寻求新的增长点。

4.2 内容创新

将先进互联网技术、深度学习技术与传统民间剪纸艺术进行充分整合，打造一个按需定制的剪纸交易O2O平台，是对“互联网+”在传统文化艺术产品的一次富有成效的探索。

4.3 消费创新

传统的剪纸交易都是线下交易，受限于地理位置，人文因素等原因，使得剪纸消费只能在小范围内进行。时代数媒科技股份有限公司研发的剪纸定制平台，打破地域限制，用户可以不用直接与剪纸艺人面对面，就可以实现定制所需的剪纸样式，在线进行下单购买。结合快递系统，用户可以不用出门就可以收到相应的剪纸产品。

4.4 技术创新

本文中的核心技术是基于深度学习技术，平台通过深度学习技术对用户上传的照片进行艺术化处理，根据个人喜好添加不同的艺术化处理效果，通过公司自主研发的自动排版技术，自动生成符合剪纸效果的图片，实现用户个性化按需定制。

4.5 模式创新

本文通过“互联网+文化”的形式，以web平台、App形式将传统剪纸艺术做到实时可见，将传统剪纸效果通过互联网的方式进行呈现，为线下剪纸艺人和普通大众搭建一个沟通的纽带。在宣传传统剪纸艺术的同时，也为传统剪纸艺术寻求新的销售途径和更大的发展空间。

5 结束语

非物质文化遗产是民族的记忆和宝贵精神财富，是民族传统文化的积淀，是不可再生的文化现象，加快非物质文化遗产保护和传承迫在眉睫。我国的非物质文化遗产事业已经迈进“巩固抢救保护成果、提升保护传承的水平”，如何传承“非遗文化”，变得刻不容缓。“基于深度学习的剪纸”平台的研发，有助于提升传统非遗文化在社会上的关注热度，有助于传统非遗文化在互联网趋势下的传承与发展，有助于在全社会掀起保护传统非遗文化的热潮。“基于深度学习的剪纸”平台能够突破区域性限制，打破传统剪纸生产周期长、产量低、产品种类单一的模式。借助互联网对经营模式进行创新，改变一批传统剪纸民间作坊的经营模式，采用“线上+线下”相结合，会给剪纸文化带来新的生机和活力。

参考文献：

[1] Justin Johnson， Alexandre Alahi， Li Fei-Fei.Perceptual Losses for Real-Time Style Transfer and Super-Resolution.2016.

[2] 赵春江.图像局部特征检测和描述 基于OpenCV源码分析的算法与实现[M].北京：人民邮电出版社，2018.

[3] 郑泽宇，顾思宇.Tensorflow：实战Google深度学习框架[M].北京：电子工业出版社，2017.