面向工艺品个性化定制的图案构型提取与重用

2019-08-08王伟祎潘伟杰赵慧亮田巧萍

图学学报 2019年3期

王伟祎，吕健，潘伟杰，赵慧亮，田巧萍

王伟祎1，吕健1，潘伟杰1，赵慧亮2，田巧萍1

(1. 贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳 550025；2. 贵州民族大学美术学院，贵州贵阳 550025)

针对工艺品个性化定制过程中知识重用性较低的问题，提出一种图案构型提取与重用的方法，并以蜡染图案创新设计为例开展研究。首先，将蜡染知识按照工艺品个性化定制的应用需求进行分类整理，建立蜡染知识库和案例库，并构建两者之间的语义关系，通过本体语义检索，推荐出符合用户需求的蜡染案例。采用形状上下文法对蜡染图案的纹样进行提取，结合拓扑学方法建立图案的构型规则。在构型重用过程中提出基于字符编码的改进形状文法，用于表述纹样填充过程中形状的变换，从而完成了面向工艺品个性化定制的蜡染图案重用。开发蜡染工艺品个性化定制系统，通过实例验证了该方法的可行性。

蜡染知识；语义检索；构型规则；个性化定制

在工艺品个性化定制中，图案设计是一件耗时费力的工作，图案的绘制和构型设计仍需设计师手工完成。为了提高个性化定制效率建立图案案例库，但由于原始案例数量众多，用户如何从众多的原始案例中快速提取符合需求的案例进行重用，是个性化定制的关键。在现有的研究中，缺少针对图案纹样和构型快速提取和重用的方法，难以满足工艺品个性化定制需求。

面向工艺品个性化定制产业的需求，缺乏知识内涵挖掘和整体知识的集成与管理，在快速提取符合用户需求的案例方面存在不足。借鉴现有文物知识管理方面的研究，通过对文物知识集成与管理[1-2]，建立文物数据库[3]、文化遗产本体模型[4]、文物资源数据模型[5]、网络文化遗产资源管理系统[6]等，定义文物知识的语义信息，在信息检索中用于描述知识系统结构[7]，满足从文物知识到思想指导设计的过程[8]。其研究重点在于文物知识的表述语言，需要进一步探讨产品个性化定制设计中文物知识内部的挖掘和推理。针对图案纹样和构型提取的研究中，形状文法为常用方法，主要表述图形形状的变换，变换规则繁复，重用性低。现有的研究中，通过改进形状文法，提出基于仿自然语言的改进形状文法[9]、分层形状文法[10]、参数化的形状文法设计[11]和建立本体模型与形状文法之间的关系[12]等方法，面向工艺品的图案设计，形状文法图案构型的描述难以满足工艺品个性化定制中图案构型提取和重用的需求。

本文从工艺品设计出发，以贵州省蜡染为例，提出面向工艺品个性化定制的蜡染图案构型提取与重用方法。首先，分析蜡染知识在工艺品个性化定制中的应用情况，对蜡染知识进行分类与表达，建立基于蜡染知识的本体全信息词典，用于工艺品个性化定制系统的语义检索；将形状上下文法和拓扑结构用于图案纹样和构型的提取，针对图案填充过程中形状的变换，提出基于字符编码的改进形状文法；最后，开发了面向蜡染工艺品个性化定制系统，验证了该方法有助于提高蜡染工艺品个性化定制效率。

1 面向工艺品个性化定制的蜡染知识分类

1.1 面向工艺品个性化定制的蜡染知识来源和分类

面向工艺品个性化定制的蜡染知识来源于多个方面，其主要来自于贵州省蜡染制作者、蜡染研究者、工艺品设计师等多方面的专家提供的蜡染知识和技术知识等，为工艺品个性化定制提供了丰富的文化、经验和技术的支持。通过贵州省蜡染原产地的考察访问，当地蜡染制作者提供了基本知识和技术知识，蜡染研究者提供了功能知识和文化知识，通过收集、阅览蜡染书籍得到造型知识。基于工艺品个性化定制过程中对蜡染知识的需求分析，面向工艺品个性化定制的蜡染知识分为5类，即基本知识、造型知识、功能知识、技术知识、文化知识，其分类框架如图1所示。

图1 面向工艺品个性化定制的蜡染知识分类框架

1.2 蜡染知识概念词汇获取

蜡染类别众多，图案丰富，在蜡染案例的选取中，根据已有的蜡染知识，将蜡染选定在以下几类：月亮山型、飞云山型、乌蒙山型、扁担山型及其他。从实地调研和正规出版蜡染精品图录中确定选取6 065件蜡染案例，构建蜡染案例库。根据面向工艺品个性化定制的蜡染知识分类框架对蜡染案例进行分析，构建蜡染知识库。根据蜡染的属性、内涵提取概念词汇，面向工艺品个性化定制的蜡染知识概念见表1。

表1 面向工艺品个性化定制的蜡染知识概念表

1.3 面向工艺品个性化定制的蜡染知识组织与表达

1.3.1 面向工艺品个性化定制的蜡染知识本体建模

通过以上对蜡染知识进行整理、归纳和对概念词汇的提取，通过语法分析、语义分析和语用分析，对蜡染知识进行自然语言处理，确定每个蜡染案例的自然语言序列的定义。语言序列是表示语句集合的特征向量，语句包括主谓宾及各种修饰成分，通过这些成分之间的关系获得特征向量，将每个语句对应的向量集合起来，便能提取出蜡染案例的语法信息。然后，通过对语句成分和各成分之间相互关系的意义、用途分析提取出蜡染案例的语义信息和语用信息。根据上述规则，例如：通过蜡染案例A01B02C002D01E01F000000001的本体信息获取其语法信息={长方形，蓝底白花，棉麻材质，蝙蝠纹}，语用信息={床上用品，舒适保暖}，语义信息={多子多福}，并将其语法、语义和语用信息作为一个基本属性项存储到蜡染全信息词典[13]。以此类推，建立每个蜡染案例的本体模型。将基本信息项作为输入，利用FP-growth进行关联规则挖掘，并将其进行整理建立约束规则。利用Jena中的规则表示格式，由规则名、规则条件和规则结论组成。例如，关于语法信息和语义信息的一条规则：若一件蜡染案例中图案包含“蝙蝠”纹样，则表示具有“多子多福”[14]的意义，表示格式如下：

[rule-name：

(？x rdf：type qiwu：蜡染)

(？x qiwu：图案是qiwu：蝙蝠)

→

(？x qiwu：纹样是qiwu：“多子多福”)]

1.3.2 构建面向工艺品个性化定制的蜡染案例库

构建蜡染案例库，将蜡染案例与蜡染知识紧密结合在一起，实现蜡染知识与实例之间的语义关联，为语义检索奠定基础。面向工艺品个性化定制的蜡染案例库包含原始图案库、纹样库、构型规则库等3个数据库，为工艺品个性化定制奠定基础。

1.3.3 基于蜡染知识本体的语义检索

基于蜡染知识本体的语义检索流程如下：①输入用户需求，利用ICTCLAS分词系统对用户输入的单词或语句进行分词处理和停用词处理，将同义词映射为蜡染全信息词典中的词语，形成关键词字符串；②通过蜡染知识库对关键词进行语义分析，将关键词与蜡染知识中的概念和蜡染案例库中的实例进行映射，然后，利用语义相似性计算，在蜡染知识库中检索出与关键词有最高相似度的概念词汇序列，最终，将用户需求转化为蜡染概念词汇序列，帮助计算机识别用户需求，推荐出一批最为符合用户需求的蜡染案例。基于蜡染知识本体的语义检索流程如图2所示。

图2 基于蜡染知识本体的语义检索

2 蜡染图案构型规则提取

2.1 蜡染图案纹样分类

蜡染图案的纹样主要分为抽象的几何纹样和动植物等具象纹样，对蜡染案例库中的图案进行分析，按照图案中纹样的位置分布将其分为主体纹样和边框纹样，主体纹样包括鸟纹、鱼纹、花纹、铜鼓纹等，贵州蜡染图案如图3所示。

2.2 纹样的本体模型

建立面向构型规则的纹样本体模型，如图4所示。

(a) 蜡染图案(b) 主体纹样(c) 边框纹样

图4 面向构型规则的纹样本体模型

2.3 图案构型规则提取

2.3.1 纹样轮廓匹配

由于蜡染纹样具有不规则性，将每个蜡染纹样的外形看作单独的封闭性轮廓，不考虑纹样内部纹路。在少数情况下图案中的纹样存在重复分布时，为了提取出纹样的层次关系，本文采用形状上下文法[15]对纹样形状进行描述和匹配，分离纹样，并完成自动提取，建立纹样库。形状上下文具有平移、尺度和旋转不变性等特征，能够有效地进行形状的匹配。首先利用直方图描述在数极坐标下形状轮廓上的点分布情况，然后使用Canny算子获取纹样的形状轮廓，通过采样获得一组轮廓采样点。

设图案中的任意一个纹样形状为，目标纹样轮廓上的任意一点p(x,y)为参考坐标原点，建立对数极坐标系，分别将纵坐标log和横坐标角度进行等分和等分，整个空间区域划分为×。记录点p到其他各点的向量相对位置的点分布数，其统计分布直方图h()被称为点p的形状上下文，算法如下

设待匹配纹样形状轮廓上的任意一点为q，计算点p与点q分布的直方图之间的匹配代价C，即

其中，hi(k)和hj(k)分别为目标纹样轮廓上的点pi和待匹配纹样轮廓上的点qj的形状直方图中第K个bin中的值，Cij越小说明2个点匹配代价越小，其相似性越大。纹样轮廓匹配如图5所示。

2.3.2 构型规则提取

根据形状上下文匹配方法提取出蜡染图案中与目标纹样最为相似的纹样，然后，采用拓扑结构规则[16]对蜡染图案的构型进行提取，以蜡染图案的中心坐标为原点，确定每个纹样在图案中的中心坐标。将图案中的每个纹样的中心坐标抽象成点，将每个点之间的路径抽象成线，将这些点和线构成的拓扑称为图案的构型规则。按照图案构型提取规则，提取案例库中每个图案的构型规则，建立构型规则库。

蜡染纹样={1,2,···,}，为一副蜡染图案中不同纹样的总个数；蜡染图案中的某个纹样={1,2,···,}，为某个纹样在一幅蜡染图案中出现的次数。根据上述提取的构型规则按照每个纹样在图案中出现的次数从左至右依次标注纹样的位置。图案构型规则提取流程如图6所示。

图6 图案构型规则提取流程

3 构型规则重用

3.1 基于字符编码改进形状文法

根据已提取的构型规则填充新的纹样，在自动填充时只能以纹样的初始状态填入构型规则的相应位置，不能自行变换样式。形状文法主要是用具体形状的变换表示图形的演化，变换规则复杂，为了便于表述纹样填充过程中形状的变换，提出基于字符编码的改进形状文法，用字符编码的形式描述纹样构型的变换。

构型规则编码主要包括属性、类型、样式、状态、其他等5项内容，①属性，表示在编码过程中出现的关键字、符号，及其含义、参数和解释；②类型，表示纹样的名称和中心坐标(,)；③样式，表示纹样的变换状态、变换参数和具体过程；④状态，用符号“{”和“}”分别表示纹样开始变换和变换结束的两种状态；⑤其他，表示纹样构型描述过程中的注释和间隔。构型规则编码见表2。

3.2 构型规则重用

在纹样填入已提取的构型规则后，按照原图案构型规则对纹样进行构型变换，为了避免纹样重叠，对纹样进行缩放，用最小包围矩形表示纹样大小，原纹样的最小包围矩形的宽度为、长度为，填充纹样的最小包围矩形宽度为、长度为，和方向缩放比例计算式为

填入纹样不需要消除重叠过程如图7所示。

重用2.3.2节已提取的图案构型规则，用户选取系统推荐的相似纹样进行填充，选取边框纹样1，主体纹样2，3，4，5，根据构型规则中的相应位置填入纹样，对填入的纹样进行缩放和旋转等操作，使变换后的纹样与原图案的基本信息相同，纹样填充过程如图8所示。利用构型规则编码对纹样的变换进行表述，根据图7的纹样填充过程构造规则编码过程如图9所示。

表2 构型规则编码表

图7 不需要消除重叠的填充过程

4 蜡染工艺品个性化定制系统

根据面向工艺品个性化定制的蜡染知识，开发蜡染工艺品个性化定制系统，实现对蜡染知识有效管理和重新利用，该系统为工艺品设计师、用户提供了知识集成服务和个性化定制服务。本文的研究内容已经录入“非遗贵州”的系统网站。该系统包括贵州省非遗(非物质文化遗产)数据库、矢量数据库、民间工艺、民族音乐、节庆习俗展示和工艺品个性化定制系统等。本文主要针对基于蜡染知识的工艺品个性化定制系统进行介绍。

4.1 面向工艺品个性化定制的蜡染知识管理平台

系统管理员登录系统后台进入知识管理界面，如图10所示。界面左边是系统功能导航栏，包含作品信息管理图10(a)、作品信息导入图10(b)等，右边是系统操作界面，实现对蜡染知识的检索、修改、查看等操作。系统管理员将蜡染知识的概念、属性、规则和案例等信息提交到服务器上，经过计算机逻辑处理保存到数据库，用户可通过浏览器查看蜡染知识信息。