基于模糊聚類的清代云肩色彩特征研究

關(guān) 瑛，王若羽，王秀峰，于瀚超，李 寧

(1.陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710012； 2.陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710012)

云肩自隋唐出現(xiàn)，最初為具有保護(hù)領(lǐng)口和肩部整潔作用的衣物，較早的圖像資料見于敦煌隋代壁畫中菩薩身著的大方披肩[1]，后來(lái)逐步演變?yōu)楣糯韵笳髯陨黼A級(jí)地位的重要飾物。發(fā)展至明清時(shí)，其形制演變、色彩搭配、圖案和技法工藝都趨于成熟，是兼具藝術(shù)美學(xué)性與功能實(shí)用性的文化產(chǎn)品。目前針對(duì)云肩的研究集中于藝術(shù)內(nèi)涵分析、色彩特征提取，算法對(duì)比優(yōu)化等方面。劉水等[2]發(fā)掘云肩形色之意中的藝術(shù)特點(diǎn)，將其運(yùn)用到現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)中。邢樂(lè)等[3]在云肩色彩研究中應(yīng)用均值漂移聚類算法高效提取主色特征；陳思燕等[4]對(duì)比高斯混合模型和K-means算法的優(yōu)劣，確定了更適合云肩圖像的色彩提取方法。

在色彩研究領(lǐng)域內(nèi)，學(xué)者們運(yùn)用不斷進(jìn)步的數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)探究圖像色彩分布特征?，F(xiàn)有技術(shù)主要分為硬聚類和軟聚類，常用的K-means算法是硬聚類的典型代表，其分類依據(jù)的是研究主體自身屬性所劃分的客觀界限，具有類別精準(zhǔn)、運(yùn)行快速的優(yōu)點(diǎn)，并在生物色彩分析[5]和城市色彩探索[6]方面進(jìn)行了有效的實(shí)踐。然而許多事物之間沒(méi)有明確的界限，例如人們描述色彩調(diào)性、飽和度時(shí)多用冷暖、高低等模糊詞匯，可見模糊關(guān)系更符合人的思維模式和評(píng)價(jià)體系。模糊C均值聚類(FCM)作為軟聚類的代表方法也在彩色圖像分割方向上達(dá)到了良好的效果[7]。

云肩色彩豐富有序、主題自然寫實(shí)、圖案生動(dòng)大氣，是中華民族民俗文化的體現(xiàn)。但現(xiàn)有研究仍然缺乏對(duì)云肩色彩的針對(duì)性分析、云肩色彩與圖案之間關(guān)系的探究以及云肩色彩搭配及現(xiàn)代化應(yīng)用研究?？紤]到圖像本身在成像過(guò)程中具有模糊性的特點(diǎn)，結(jié)合人們對(duì)于色彩的感性認(rèn)知，本文以清代云肩為例，運(yùn)用模糊C均值聚類算法對(duì)云肩裝飾色按照?qǐng)D案類別提取，構(gòu)建色彩網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)一步提煉色彩特征、探討配色規(guī)律，為打造協(xié)調(diào)有序，符合用戶偏好的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)提供應(yīng)用依據(jù)。

1 清代云肩色彩提取

云肩的色彩構(gòu)成設(shè)計(jì)的主要基調(diào)，形成均衡的視覺(jué)美感。基于現(xiàn)有研究[8]，本文將云肩色彩分為主色、輔色及裝飾色3類。主色指云肩面料底色，奠定云肩色彩基調(diào)；輔色指貼邊、鑲邊等顏色，用于調(diào)和云肩色彩搭配；裝飾色指云肩刺繡圖案的色彩，用色鮮亮，豐富云肩色彩層次。云肩上的色彩與其裝飾圖案相輔相成，使云肩具有了美學(xué)價(jià)值。民族服飾上的圖案元素大多源于自然，其種類繁雜，以花卉蔬果、魚鳥昆蟲、符號(hào)圖騰居多[9-10]，每種類別都傳達(dá)出古人對(duì)婚姻、生活等方面的美好蘊(yùn)意。本文在色彩提取時(shí)既考慮控制圖像本身的干擾因素，又將其放在圖案語(yǔ)義所表達(dá)的環(huán)境下進(jìn)行分析。

1.1 樣本表征解讀

實(shí)驗(yàn)樣本為清代柳葉云肩部分實(shí)物，由27個(gè)單片組成，由陜西科技大學(xué)絲路文化傳承與創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究中心提供。云肩整體樣本見圖1。

圖1 云肩整體樣本Fig.1 Cloud shoulder overall sample

在光源穩(wěn)定的攝影棚內(nèi),將單片樣本置于白色背景(R值255, G值255, B值255 )下進(jìn)行拍攝，后期將圖像處理成統(tǒng)一大小并按順序編號(hào)為1～27。云肩單片樣本見圖2。

圖2 云肩單片樣本Fig.2 Cloud shoulder single piece sample

觀察27個(gè)單片樣本，發(fā)現(xiàn)每個(gè)樣本的面料底色和貼邊色均相同，即主輔色一致，裝飾色雖各不相同，但都與其圖案寫實(shí)的內(nèi)容相關(guān)。不同類別的圖案元素色彩偏重不同，混類提取會(huì)流失色彩的特征性，故按照裝飾圖案內(nèi)容將單片樣本分為花草蔬果類、花草昆蟲類和符號(hào)圖騰類，清代云肩樣本分類見圖3。由于符號(hào)類樣本量較少不予選取，最終選取花草蔬果和花草昆蟲2大類共25個(gè)樣本作為典型樣本。典型樣本中主色和輔色均為統(tǒng)一不變量，色彩分析以變量裝飾色為主體進(jìn)行開展。

圖3 清代云肩樣本分類Fig.3 Classification of Cloud Shoulder samples in Qing dynasty. (a) Flowers and vegetables; (b) Flowers and insects; (c) Symbol totem class

1.2 清代云肩樣本裝飾色提取

模糊 C 均值聚類(FCM)的原理是利用歐氏距離度量聚類中心和樣本之間的距離，計(jì)算得到的距離可以進(jìn)一步確定每一類的聚類中心和待測(cè)樣本隸屬于該類的隸屬度大小，最后通過(guò)比較隸屬度大小來(lái)確定待測(cè)樣本所屬的類別[11]。FCM實(shí)質(zhì)是不斷優(yōu)化聚類中心，使其與實(shí)際誤差最小。目標(biāo)函數(shù)Jm(U,V)描述見式(1)：

(1)

式中：N為樣本待聚類像素點(diǎn)總數(shù)；C為設(shè)置的像素的類別數(shù)；Uij表示第i個(gè)像素點(diǎn)相對(duì)于第j個(gè)聚類中心的隸屬度；m為模糊指數(shù)，其一般取值為2；xi-vj為第i個(gè)樣本xi與第j類聚類中心vj之間的平方歐氏距離。

假定需要將一個(gè)數(shù)據(jù)集R={r1,r2,…,rn} 劃分為C類，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)收斂至最小值時(shí)即完成數(shù)據(jù)集的分類。具體FCM算法流程見圖4。

圖4 FCM算法流程圖Fig.4 FCM algorithm flow chart

因環(huán)境色會(huì)對(duì)圖像中裝飾色的提取造成數(shù)據(jù)誤差，故將所有樣本圖片進(jìn)行預(yù)處理，即保留圖案區(qū)域并把背景轉(zhuǎn)換成高對(duì)比度的黑色(R值0，G值0，B值0)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中背景色會(huì)被單獨(dú)歸類，并在實(shí)驗(yàn)最終數(shù)據(jù)結(jié)果中剔除，以確保色彩提取的真實(shí)性和完整性。云肩色彩種類豐富多變但現(xiàn)代紡織品的色彩數(shù)量一般小于或等于6，因此樣本初始色彩分類數(shù)設(shè)定為6，初始運(yùn)算結(jié)果符合收斂條件。

以27號(hào)典型樣本為例，色彩聚類提取流程為：對(duì)樣本進(jìn)行背景轉(zhuǎn)換；設(shè)定C值為7進(jìn)行模糊聚類運(yùn)算；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，除去圖片背景色的像素點(diǎn)量，按照占比從大到小的順序計(jì)算并繪制聚類后的各裝飾色占比圖。典型樣本色彩聚類流程見圖5。

圖5 典型樣本色彩聚類流程Fig.5 Typical sample color clustering process. (a) Image preprocessing; (b) Color extraction results and proportions

單個(gè)典型樣本圖像完成基于FCM聚類技術(shù)的色彩提取流程后，所得結(jié)果合理可用，故將剩余樣本圖像按照該流程批量處理，并按照類別構(gòu)建清代云肩典型樣本色集見圖6。

圖6 清代云肩典型樣本色集Fig.6 Typical sample color set of Cloud Shoulder in Qing dynasty. (a) Flowers and vegetables; (b) Flowers and insects

2 清代云肩色彩分析

色彩網(wǎng)絡(luò)模型常用于系統(tǒng)地反映圖片樣本中各色彩所占比例以及其相互之間的搭配關(guān)系，以輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行客觀的色彩配比。通過(guò)建立清代云肩色彩網(wǎng)絡(luò)模型，厘清樣本裝飾色之間的聯(lián)系與區(qū)別。并運(yùn)用傳統(tǒng)“五行五色”色彩觀解讀古人創(chuàng)作云肩時(shí)選色用色的寓意。

2.1 裝飾色網(wǎng)絡(luò)模型建構(gòu)

使用不當(dāng)和長(zhǎng)期放置的原因，使得云肩同一絲線縫制的圖案提取出的顏色不同，裝飾色集中相近色較多，故對(duì)圖6建立的2個(gè)裝飾色集分別進(jìn)行二次聚類。二次聚類迭代至收斂時(shí)分類數(shù)為8，可最大化保留2個(gè)裝飾色集中的特征色，歸類相近色，即此聚類結(jié)果最優(yōu)。所得的16個(gè)顏色為典型樣本的標(biāo)準(zhǔn)色，其中花草蔬果類標(biāo)準(zhǔn)色編號(hào)為H1-H8，花草昆蟲類標(biāo)準(zhǔn)色編號(hào)為K1-K8。

以運(yùn)算結(jié)果中標(biāo)準(zhǔn)色的占比為依據(jù)繪制色彩網(wǎng)絡(luò)模型中大小不一的色彩節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間的連線依據(jù)為在同一樣本中產(chǎn)生過(guò)搭配關(guān)系，但多次搭配僅出現(xiàn)一條連線。典型樣本的色彩網(wǎng)絡(luò)模型見圖7，標(biāo)準(zhǔn)色值及比例見表1。表1中16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色采用HSB色彩空間進(jìn)行描述，其中H(Hue)代表色相、S(Saturation)代表飽和度、B(Brightness)代表亮度。HSB模型相對(duì)于常用的RGB與CMYK模型更加符合人的思考過(guò)程和視覺(jué)感知。其中高飽和度高明度的色彩多用作主色或點(diǎn)綴色，奠定畫面基調(diào)，低飽和度低明度的色彩多用作輔助色，提升畫面整體豐富度。

圖7 色彩網(wǎng)絡(luò)模型Fig.7 Color network model. (a) Flowers and vegetable samples; (b) Flowers and insects samples

表1 典型樣本標(biāo)準(zhǔn)色值及比例Tab.1 Typical sample standard color value and ratio

2.2 裝飾色網(wǎng)絡(luò)模型解析

清代云肩裝飾色多以“五色”為主，“間色”為輔，“五色”主要以黑、赤、白、青、黃組成，分別象征五行，構(gòu)成“五行五色”之間呼應(yīng)的關(guān)系，其中金對(duì)白、木對(duì)青、水對(duì)黑、火對(duì)赤、土對(duì)黃?！伴g色”是以“五色”所調(diào)和而成的顏色，用色有張力，突出民族服飾色彩艷麗為美的特征。古人用富有深意的色彩語(yǔ)義抒發(fā)內(nèi)心情感，表達(dá)未來(lái)愿景[12]。

通過(guò)花草蔬果類色彩網(wǎng)絡(luò)模型可以看出占比突出的H1、H2、H3、H5和H8均為綠色系，主要代表樹木花草等植物。色彩整體飽和度處在中等偏低水平，側(cè)重表現(xiàn)植物帶給人柔和高級(jí)的感覺(jué)，符合五行五色中的“木”和“青”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而花草昆蟲類色彩網(wǎng)絡(luò)模型中占比突出的K3、K7為黃色系，多描述的是昆蟲。色彩整體飽和度處在中等偏高水平，側(cè)重表現(xiàn)動(dòng)物帶給人活潑生動(dòng)的感覺(jué)。《呂氏春秋·應(yīng)同》中記載：黃帝之時(shí)，天先見大螾大螻。黃帝曰：“土氣勝！”土氣勝，故其色尚黃，其事則土[13]。文中“大螾大螻”指代昆蟲，屬于動(dòng)物，生長(zhǎng)于黃土中，故黃帝見到大螾大螻后會(huì)與五行中的土聯(lián)系在一起，而云肩樣本花草昆蟲類提取出的主色多為黃色系顏色也從側(cè)面印證了這一思想。云肩中不同類別的圖案色彩均以自然之色為基礎(chǔ)，代表相生相克的五行，符合古人“五行五色”的認(rèn)知論，體現(xiàn)古人對(duì)自然萬(wàn)物的理解和美好事物的憧憬。

3 設(shè)計(jì)實(shí)踐與評(píng)價(jià)

3.1 圖案重構(gòu)與賦色

基于模糊聚類提取得到的清代云肩標(biāo)準(zhǔn)色和色彩網(wǎng)絡(luò)模型可為現(xiàn)代產(chǎn)品的色彩搭配提供參考。本文首先在云肩樣本2大圖案特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行變形重構(gòu)，設(shè)計(jì)出2款四合對(duì)角圖案，分別命名為“花開遍野”和“蝶戲窗前”，設(shè)計(jì)線稿見圖8。

圖8 設(shè)計(jì)線稿Fig.8 Design line draft. (a) Flowers bloom; (b) Butterfly play window

圖案中各元素的填色原則為面積占比對(duì)應(yīng)色彩占比進(jìn)行填色，即面積大的區(qū)域填占比大的色彩。遵循以上原則，將圖案按照元素占比分割為面積不等的6個(gè)部分。一方面將2個(gè)裝飾色集中的顏色對(duì)應(yīng)比例填入圖案中，得到25種配色方案，分別編號(hào)為A1-A13和B1-B12；另一方面將裝飾色集轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)色的顏色，剔除6色組合中有相同色彩的方案后得到14種配色方案，分別編號(hào)為a1-a6和b1-b8?？偣草敵雠渖桨?9種，部分方案展示見圖9。

圖9 部分方案展示Fig.9 Part of the program display

3.2 配色量化與評(píng)價(jià)

由于生理上的感知覺(jué)和心理聯(lián)覺(jué)，人們會(huì)對(duì)色彩產(chǎn)生豐富的聯(lián)想，同一產(chǎn)品采用不同配色方案會(huì)使用戶產(chǎn)生不同的感知，影響用戶的消費(fèi)選擇。因此本文采用M-S理論(孟-斯賓瑟色彩調(diào)和原理)，通過(guò)對(duì)各色彩的色相、飽和度和明度3大屬性進(jìn)行了可操作化描述，將用戶對(duì)色彩模糊的視覺(jué)感知轉(zhuǎn)化為理性的量化研究，并依據(jù)伯克霍夫美度評(píng)價(jià)模型從客觀角度去分析方案的色彩搭配[14-15]。具體見式(2)[16]：

M=O/C

(2)

式中：M為美度，O為秩序因素，C為復(fù)雜因素。

由式(2)可看出美度代表色彩秩序度與復(fù)雜性的統(tǒng)一，符合形式美法則中“美在于多樣性的統(tǒng)一”這一觀點(diǎn)。應(yīng)用色彩調(diào)和理論對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行篩選，確保配色方案做到既保留云肩上的傳統(tǒng)色彩韻味，又符合設(shè)計(jì)美學(xué)的目的。

在此模型基礎(chǔ)上，孟-斯賓瑟通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知秩序因子O在有無(wú)彩色組合參與時(shí)會(huì)得到不同數(shù)值，見式(3)：

(3)

式中：Of代表無(wú)色彩組合時(shí)的秩序因素，Oh、Os、Ob分別代表由色相差、飽和度差、明度差所得到色彩間隔的秩序因素。

此外復(fù)雜因素C的計(jì)算方法見式(4)：

C=Cm+Ch+Cs+Cb

(4)

式中：Cm是色彩組合中總色彩數(shù)，Ch、Cs、Cb則是具有色相差、飽和度差、明度差的色對(duì)數(shù)。

在式(2)中，當(dāng)M>0.5時(shí)說(shuō)明色彩間的關(guān)系是協(xié)調(diào)的，且M值越大說(shuō)明配色效果美感度越高。

表2 方案評(píng)分表Tab.2 Program score sheet

4 結(jié) 論

云肩上的色彩在有序中豐富多彩，一方面展現(xiàn)出古人的審美標(biāo)準(zhǔn)，另一方面對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的色彩搭配有較高的參考意義。

本文通過(guò)模糊聚類算法對(duì)清代云肩樣本上的裝飾色進(jìn)行分類提取，通過(guò)二次聚類進(jìn)一步歸納出標(biāo)準(zhǔn)色并繪制相應(yīng)的8節(jié)點(diǎn)色彩網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)云肩裝飾色的色彩特征以及配色規(guī)律進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)案例表明，F(xiàn)CM聚類算法和色彩網(wǎng)絡(luò)模型在多色彩織物的特征色采集方面具有良好的效果，且應(yīng)用方案符合M-S色彩調(diào)和理論，整體美度數(shù)據(jù)理想。由此可見，先運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)提取色彩，再采用色彩網(wǎng)絡(luò)模型分析色彩，后利用色彩調(diào)和理論評(píng)價(jià)配色方案的研究流程可為傳統(tǒng)民俗織物色彩的現(xiàn)代化應(yīng)用提供有利的思路和依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)中國(guó)傳統(tǒng)藝術(shù)的繼承和發(fā)展具有重要意義。

由于云肩的形制和內(nèi)容隨社會(huì)意識(shí)形態(tài)的發(fā)展而變化，每個(gè)時(shí)期的云肩都會(huì)不同，應(yīng)再收集更多的云肩樣本，用以對(duì)云肩色彩圖庫(kù)的不斷補(bǔ)充。同時(shí)也可對(duì)其他傳承至今的民俗文化進(jìn)行類似的探究，為民俗文化的現(xiàn)代化傳承和應(yīng)用提供新路徑。