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

(1.四川省丝绸科学研究院有限公司,成都 610031; 2.四川大学 轻工科学与工程学院,成都 610065;3.四川省佰昉和科技有限公司,成都 610000; 4.杭州天睿丝绸有限公司,杭州 310000)

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[1-3],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[4]。

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[5],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[6-9]。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CNN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[10]。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[11]利用Wilcom ES绣花软件对刺绣图案进行基础参数化设计,并结合Photoshop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Wilcom ES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Adobe Illustrator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。

1 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(Physically Based Rendering,PBR)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Lo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。

(1)

式中：物体表面上p点的出射辐射亮度Lo(p,wo)由入射光辐射亮度Li(p,wi)、入射光与p点法线的夹角的余弦值及p点处的双向反射分布函数(BRDF)值fr(p,wi,wo)控制,半球积分表示多光源直接光照与间接光照的叠加。

BRDF计算的是p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BRDF值。BRDF中包含一个漫反射项和一个镜面反射项,在漫反射项中c为p点材质的反照率即表面颜色。镜面反射项的计算与D(法线分布函数)、F(菲涅尔函数)和G(几何函数)有关,如下式所示。

(2)

下式为法线分布函数,其中α为p点的粗糙度、n为p点法线、h为半角向量。

(3)

下式为菲涅尔函数,由p点的基础反射率F0、半角向量h及视角方向v计算得出。其中F0=F0×(1-metallic)+c×metallic,当p点金属度为1时,F0为p点材质的反照率,当p点金属度为0时表示为电介质,F0为固定值0.04。

Fschlick(h,v,F0)=F0+(1-F0)(1-(h·v))5

(4)

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p点的粗糙度、法线n及视角和光线方向有关。

(5)

因此,物体表面的光学特性主要由BRDF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1(a)所示。由于绣线为电介质材质,表面基础反射率为常数0.04,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1(b)所示。在具体的PBR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2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Wilcom来制作刺绣模拟图,然而Wilcom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[12]。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Adobe Substance 3D Sampler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10种颜色,如图3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。

图3 基于Adobe Substance 3D Sampler制作的刺绣纹理效果Fig.3 Embroidery texture image made based on Adobe Substance 3D Sampler

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1所示。

表1 基于本文方法解决的问题与对应策略Tab.1 Problems solved based on this method and corresponding strategies

2 实 验

2.1 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4所示。第一步,选取待绘制原始图片,使用Adobe Illustrator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(Edge Tangent Flow,ETF)算法计算分析主体对象结构走势,如图4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5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Adobe Illustrator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α,折线密度β,折线宽度γ,折线变化参数δ、ε,区块过渡参数θ,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Adobe Illustrator软件中调整的参数对应情况如表2所示。

图4 刺绣质感图案绘制流程Fig.4 Flowchart of embroidery texture pattern drawing

图5 经过与未经过区块二次分割效果对比Fig.5 Simulation comparison diagram with and without secondary block segmentation

表2 区块折线调整参数与Adobe Illustrator软件中参数的对应关系Tab.2 Correspondence between block polyline adjustment parameters and parameters in Adobe Illustrator software

2.2 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Kang等[13]提出的基于流的各向异性DoG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t(x)为边缘切向流,其方向垂直于图像的梯度,如下式所示。

(6)

式中：Ω(x)为x的邻域;k表示向量的标准化量;ωs为空间归一化函数,ωm为大小权重函数,ωd为方向权重函数。

ωs、ωm、ωm的定义分别如下式所示。

(7)

ωm(x,y)=(1+tanh[η×(ϑ(x)-ϑ(y))]/2

(8)

ωd(x,y)=|tcur(x)×tcur(y)|

(9)

式中：r为Ω(x)的半径;ϑ(z)表示在z处标准化后梯度值的大小;η表示下降率;tcur(z)表示当前在z处标准化的正切向量。

通过在Matlab软件中实现上述功能,其算法流程如图6所示。

图6 边缘切向流场计算流程Fig.6 Flow chart of edge tangent flow field calculation

在该程序中,通过对图像进行边缘检测得到图像中物体的轮廓信息。随后使用梯度计算技术计算图像中每个像素点的梯度,得到图像中每个位置的梯度信息。之后计算这些梯度向量的切向量得到切向流场,如图7所示,切线流场的方向与图像中鸟的羽毛方向相对应。

图7 边缘切向流场计算结果Fig.7 Calculation results of edge tangent flow field

2.3 刺绣图案印花效果的模糊综合评价

2.3.1 建立评价因素集

因素集通常由影响事物整体评价的各因素组成,由于刺绣质感需要从几何细节和光学特性两个角度进行模拟,所以通过综合这两个方面建立针对刺绣印花图案质感的综合评价体系。刺绣质感的几何细节由针脚之间的清晰度和针脚过渡柔和程度来评价,光学特性由颜色鲜亮度和肌理光泽感来评价,最终确定刺绣图案印花效果评价指标U,U=(u1,u2,u3,u4),其中u1=针脚清晰度,u2=过渡柔和度,u3=色彩鲜亮度,u4=肌理光泽感。

2.3.2 确定模拟效果评估集

评价集是对评价对象中的各因素进行的各种评价结果的集合,常用字母V来表示。本案例中采用七级评价指标V=(v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7),其中v1=非常差,v2=很差,v3=比较差,v4=一般,v5=比较好,v6=很好,v7=非常好。即刺绣图案印花效果指标的评估集为V=[非常差,很差,比较差,一般,比较好,很好,非常好]。

2.3.3 确定因素集中各指标的权重

在对某一刺绣图案印花效果进行综合评价时需要确定不同的评价因素对最终刺绣模拟效果评判的重要程度,即权重。本文采用层次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)中计算指标权重的方法。

第一步,对不同评价因素的重要性进行两两比较,构建比较判断矩阵A。

(10)

矩阵中的对角元素是款式类目的自比较,因此aij=1,其中i=j;让aij=1/aji,aij>0,i≠j。

具体地,采用Satty提出的比例九标度法(表3),通过邀请5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5份,收回5份,并采用Yaahp软件进行各因素权重计算。

表3 Satty比例九标度体系Tab.3 Satty proportional nine scale system

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(Normalization of the Geometric Mean,NGM)来计算因素集中各指标的权重。设Wi表示因素集中第i个指标的权重,如下式所示。

(11)

即因素集中各指标的权重集为W=[w1,w2,…wn]T;i=1,2,…,n。

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CR如下式所示。

CR=CI/RI

(12)

式中：CI=(λmax-n)/(n-1)为一致性指标,RI为平均随机一致性指标,是通过大量实验确定的。

λmax为最大特征根,计算如下式所示。

(13)

当CR<0.1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。

2.3.4 单因素模糊评判

设评判对象按因素集中的因素ui进行评价时,对评价集中的元素vj的隶属程度为rij,对于ui的评价结果如下式所示。

(14)

式中：Ri称为单因素评判集,是评价集V上的一个模糊集合。

把n个单因素评价集组合在一起则构成了单因素评价矩阵R。

(15)

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[0,1]。例如,专家给ui项评价因素打分时,应满足：

(16)

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ui对应的隶属度。

2.3.5 模糊综合评判

结合权重集W与单因素评价矩阵R,计算得到模糊综合评判结果B。

=(b1,b2,…,bm)

(17)

式中：bj(j=1,2,…,m)为模糊综合评判指标;bj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。

3 结果与分析

3.1 刺绣图案Adobe Illustrator中的参数设计

Adobe Illustrator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360°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8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8 折线方向未调整与调整结果对比Fig.8 Comparison of results of unadjusted and adjusted polyline direction

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0.05 mm,线迹间距分别为0.15、0.3、0.45 mm的刺绣图案对比效果如图9所示。由图9(a～c)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0.05 mm时,图案线迹间距的合理参数取值范围为0.15～0.3 mm。由图9(d～f)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0.05 mm。

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-352.78～352.78 mm。图10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。

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11所示。

图11 添加变化参数与未添加变化参数的模拟效果对比Fig.11 Comparison of simulation results with and without variable parameters

3.2 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12(a)所示,设置折线间距为0.15 mm,描边宽度为0.05 mm,路径重叠为0.2 mm,路径重叠变化参数为0.3 mm,间距变化参数为0.1 mm。印染实物如图12(b)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12 数码印花面料效果Fig.12 Effect of digital printed fabric

3.3 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A为：

采用NGM法计算因素集中各指标的权重W为：

W=[0.40 0.09 0.13 0.38]

一致性比率指标CR=CI/RI=0.031 3<0.1,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R为：

所以,根据式(13)计算得到模糊综合评价结果B为：

综合评价结果显示,模拟效果为比较差的隶属度为4.18%;一般的隶属度为18.56%;比较好的隶属度为40.82%;很好的隶属度为31.36%;非常好的隶属度为4.32%。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。

3.4 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13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13 刺绣模拟图案在不同倍率下的放大效果Fig.13 Magnification effect of a simulated embroidery pattern at different magnifications

3.5 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Wilcom ES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4),可以发现Wilcom ES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Adobe Illustrator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4 本文方法与其他方法的对比Tab.4 Comparison between this method and other methods

4 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Adobe Illustrator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。

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