藝術圖像美學評分系統的設計與實現

徐煥旻

（四川大學計算機學院，成都 610065）

0 引言

對于每一件藝術作品，除了它的藝術家賦予它的風格特征和創造力，它自身也需要有符合大眾美學的視覺效果和普遍性的社會意義。針對圖像的大眾美學[1]，主要可以從兩個方面來看待。首先是主觀美，站在每個人的主觀視角上對圖像進行審美，它的審美結果一般都遵循著人們自身的喜好特點和價值觀，不同的人擁有不同的主觀意識，對同一種圖像的審美結果可能會大相近庭，無法進行量化。另一種則是客觀美，顯而易見，區別于主觀美，客觀美的評價標準基于大眾化的審美，代表了大多數人群的審美標準，然后對標準用數字性的嚴謹的表達方式進行量化，精確地傳遞審美信息。讓計算機對圖像的客觀美進行分析和評分，是非常具有意義的事情。

當今社會，人們對于色彩學的研究與運用已進行了很長一段時間，從最初原始色彩學的運用到現在色彩學研究與實踐的數字色彩語言[2]整合，這之間還經歷了很長時間的色彩概念形成和色彩標準體系的建立，如今色彩學可以運用在社會的各行各業。而且在數字圖片操作項目中色彩學有著很多杰出的成果，比如：Adobe Photoshop CS軟件、美圖秀秀、圖像繪畫程序等。但是目前網絡上，還沒有成熟的針對圖像評分的系統出現，大部分對圖像評分算法的探討和設計，也是主要針對圖像的質量，評估圖像的失真程度，而不是針對圖像的美感。

本文主要介紹一個基于Web的藝術圖像美學評分系統，我們通過對色彩學的研究和學習以及對于大眾審美標準的調查和統計，開創性地制定了一套針對圖像色彩的美學評價標準，取出色彩的三個主要屬性：明度、純度和色調，并用嚴謹的數學方式將它們進行量化，從而達到藝術圖像美學評分的效果。最后我們設計和開發了一個簡潔高效的圍繞評分算法的網站，讓大眾有機會利用計算機和客觀標準體驗不一樣的藝術鑒賞方法。

1 相關技術

1.1 藝術圖像美學評分算法

我們利用基本美學原理，將色彩作為影響視覺審美感受的重點參考因素，并基于蒙賽爾色彩體系[3]將畫面色彩作為評價對象。蒙賽爾色彩體系用色調、明度和色度這三個因素來判別顏色，可以從各個方位定義幾乎所有的色彩。

在本算法設計中，采用RGB色彩空間來模擬蒙賽爾色彩體系，并利用一系列方法模擬出評分標準：

首先，蒙賽爾體系中的明度由RGB值轉化為灰度值后進行代替，其中利用到色彩心理學公式：Gray=0.299*R+0.587*G+0.114*B。Gray就代表最后計算得出的灰度值，R,G,B分別為RGB值中的紅、綠、藍三色像素點值，得出的灰度值范圍是0-255。因為最終需要設計評分，將Gray值在原先基礎上除以25.5，就可以得到以10分為滿分，0-10的最終灰度評分。再參考視覺藝術審美標準，按照一定比例給出高中低三種明度的具體得分，最后加權相加，得到圖像明度的最后得分。

其次，蒙賽爾體系中的純度則根據每個像素點的RGB值的取值范圍來判斷，為了提取圖像的純度信息，將圖像的純度劃分成復色、間色和原色這三個區段。原色是指紅色即RGB值為（255,0,0）、黃色即RGB值為（255,255,0）和藍色即 RGB 值為（0,0,255）這三種顏色，也就是三原色，這三種顏色的純度是最高的。間色則是由三原色中的任何兩種顏色調和而成的顏色。最后復色是由三種原色即紅綠藍調和而成的顏色。再根據一定比例給出復色、間色和原色的具體得分，最后得到圖像純度的最終得分。

最后，蒙賽爾體系中的色相則必須將RGB值與十進制值進行轉化之后進行進一步的判斷。在提取畫面色相信息時，將其劃分為六個區段，即紅色、黃色、綠色、青色、藍色、紫色；另外，還根據藝術審美標準，定義了黑白灰輔助評分區段。并和上面一樣，設計比例，得出圖像色相的最終得分。

計算出畫面的純度、明度和色相就可以提取出畫面的色彩特征。

1.2 Java語言和 J2EE

J2EE（Java 2 Platform Enterprise Edition）[4]是一種利用Java 2平臺來簡化諸多與多級企業解決方案的開發、部署和管理相關的復雜問題的體系結構，其基礎就是核心Java平臺。J2EE不僅鞏固了Java標準版中的許多優點，還結合了Java中Web開發的所有方面，如JSP（Java Server Pages）、Servlet、JDBC（Java Data Base Connectivity）等。

本系統網絡平臺完全基于J2EE進行開發，利用其特點完成了網站的異步消息通訊、目錄服務、數據庫訪問、Web服務等功能。J2EE的不同層次給系統提供了所需要的不同的支持，從而大大降低了最終系統的開發量，并提高了系統的質量。

2 系統設計

2.1 系統目標

本文設計系統希望能夠提供給用戶一個簡便高效的藝術圖像審美評價平臺，意在使用戶可以利用計算機體驗客觀量化的藝術圖像審美評價。目標是完成所有系統設計，并將系統實現，提供給用戶使用所有完整的功能。

2.2 系統總體架構

圖1 系統總體架構

系統總體架構如圖1所示，在系統網站建設中，我們將系統網站結構分為三層。

表現層主要負責數據展示和信息的交互，主要是Web Server。Web Server負責接收用戶請求，根據請求類型將請求轉發給應用服務器，然后將應用服務器處理的結果返回給用戶。其具體包括和用戶交互的前端頁面，展現藝術圖像審美評分系統的所有功能，提供給用戶選擇按鈕。同時也提供數據展示，系統地展示算法處理后的評分結果。

應用層封裝了各應用子系統的業務邏輯。業務層與用戶交互的功能運行在J2EE應用服務器中。業務層和數據層之間通過中間支撐層進行交換數據。其實現網站應用功能，并提供標準的開發接口，使得各模塊，各應用之間可以相互支持。

數據層實現網站發布、服務、認證數據的存儲和管理。

3 系統實現

系統總體功能流程圖如圖2所示，主要包括圖片上傳模塊和藝術圖像審美評分模塊。

系統類圖如圖3所示，其中Picture類負責接收上傳的藝術圖像和圖像名稱。ImageEvaluator類負責實現藝術圖像審美評分的算法，其中getLightness、get?Shades、getPurity方法分別可以獲得明度，色相和純度的評分，而getTotal方法可以通過計算得出各部分總分。AutoScoreServlet類主要用于實現Servlet接口，前端網頁交互和數據傳輸。

圖2 總體流程圖

圖3 系統類圖

3.1 圖片上傳模塊

用戶點擊頁面中的選擇按鈕，在計算機中選擇需要上傳的圖片，點擊確認，系統判斷上傳圖片是否符合規格，不符合則報錯重新上傳，如果符合，系統將圖片上傳至服務器，同時記錄好圖片名稱，并跳轉到下一界面。

在Servlet 3.0[5]中，文件上傳不需要第三方開源組件，Servlet已經為其提供了原始支持，我們使用Servlet3.0中的API實現文件上傳。需要注意的是，編寫圖片上傳代碼前，我們需要使用注解@MultipartCon?fig來將這部分Servlet標識為支持文件上傳。

3.2 藝術圖像美學評分算法模塊

本模塊主要功能是根據上傳圖片，獲取圖片RGB信息，分別使用明度，純度和色相評分算法計算出得分，呈現給用戶。

其中明度評分按照色彩心理學公式得出灰度值，將灰度值調整為0-10，由灰度值可以對明度信息進行量化。參考色彩學原理相關資料，劃分成5個區間，10是純白，7-9是高明度，4-6是中等明度，1-3是低明度，最后0是純黑。根據藝術圖像審美規則和群眾調研，我們發現最優圖像各明度比例應該為：低明度所占比例為25%，中等明度所占比例為50%，高明度所占比例為25%，黑白像素點之和所占比例要求為5%以內。

而畫面純度表示的是畫面色彩的相對豐富程度。三原色紅黃藍的純度是最高的。三原色兩兩之間調和為間色，純度位于其中，三種原色相和的復色純度最低。調和的顏色越多，其畫面的純度就越低，顏色也就更加豐富。通過對色彩學原理的深入學習，為了提取畫面的純度信息，將畫面的純度劃分成復色、間色和原色這三個區段，同時確定了一個純度最佳值標準：在整個圖像畫面中，原色占比10%，間色占比40%，復色占比50%。

最后，色相對于畫面色彩來說，其特征是最為重要的。紅色區段、黃色區段、綠色區段、青色區段、藍色區段和紫色區段這六大評分區段加上黑白灰輔助評分區段，構成了整個色相評分得標準。想要得到良好的畫面色彩效果，我們希望圖像的主題顏色不超過三種，其余顏色占很少的部分。根據這種規律，我們做了一個主觀上的限定，規定畫面中占比最大的三種顏色為1號色，2號色，3號色，其中1號色占比50%，2號色占比25%，3號色占比25%，其余顏色占比約為10%。

在獲取明度數據時，我們遍歷圖像中所有的像素點，根據像素點的灰度值進行分類統計，就可得出高中低明度和黑白像素的數量；獲取純度數據時，我們同樣遍歷所有像素點，根據像素點的RGB值，分析出其屬于原色間色還是復色；獲取色相數據時，我們將圖中最多的三種顏色提取出來用于評分，其他顏色同樣記錄下來用于展示。分別得到明度、純度、色相的最佳比例后，根據圖像畫面信息實際上所占整體畫面的比例與最佳值的差異，遵循一定比例值，得到最后的每一項的得分，并得到總體得分的公式：

圖4 模塊類圖

該模塊類圖如圖4所示，其中CalculateImgShades，CalculateImgPurity，CalculateImgLightness三個類分別代表計算圖片色相、純度和明度的類，計算出輸入圖片的色相，純度和明度所需信息并求出具體得分，然后，由ImageEvaluator類調用其他三個類，得到最終得分。

4 結語

本文設計并實現了基于Web的藝術圖像美學評分系統，用戶可以選擇具有一定藝術特征和審美價值的素材，利用系統提供的算法，對藝術圖像進行量化評分。使用計算機對圖像進行客觀量化的評分，是藝術發展的必經之路。藝術不僅需要積累和沉淀，也需要利用現代技術對其進行改造，這樣才能促進藝術健康發展。本文實現的系統只是一個嘗試和開端，我們會在算法的適用性、評分的合理性、系統的功能等方面做出更多的改進和努力，也希望有越來越多的研究學者對這一方面做進一步的研究。