基于區塊劃分與矢量折線填充方法的仿手工刺繡質感模擬

王維杰, 陳 江, 鄭 丹, 王佳麗, 余衛華, 方 佳, 程 明

(1.四川省絲綢科學研究院有限公司,成都 610031; 2.四川大學 輕工科學與工程學院,成都 610065;3.四川省佰昉和科技有限公司,成都 610000; 4.杭州天睿絲綢有限公司,杭州 310000)

目前在紡織面料上形成可控彩色圖案的主要工藝手段有刺繡、提花和印花,因為刺繡和提花生產工藝流程相較于印花工藝復雜且成本較高,所以印花面料占據了面料市場的主導地位。數碼印花技術的發展解決了消費者對印花圖案的個性化需求問題,有眾多研究人員嘗試采用數學模型、人工智能技術來促進印花圖案的原始創新[1-3],但是目前還存在部分消費者傾向于購買具有特殊肌理質感的紡織品,如具有手工刺繡肌理效果的面料[4]。

為了滿足消費者需求同時保證面料的生產效率、降低生產成本,有研究人員探索了采用印花工藝在面料上模擬刺繡效果的方法,其關鍵技術在于利用計算機圖形處理技術來模擬刺繡的視覺質感效果。在非真實感圖形學領域,刺繡風格圖像渲染技術主要可分為基于筆觸渲染的方法、基于圖像類比的方法和基于圖像濾波的方法[5],其中基于筆觸渲染的方法是非真實感圖形學中常用的技術[6-9]。雖然基于筆觸渲染的方法可通過學習參考圖像中的信息實現圖像的風格化,但是這種方法不能簡單地擴展到針對其他風格的遷移,導致其使用受到限制。隨著深度學習在圖像處理領域的發展,一種基于深度學習的快速圖像風格化方法應運而生。這種圖像風格化的方法大大提高了圖片的生成速度,并且生成的圖片具有更好的視覺效果。隨著網絡體系結構的發展,一個單一的可訓練模型可以轉移任意的藝術風格,并可應用于刺繡風格模擬問題,這解決了需要分別訓練不同的針法樣式的問題。最近,一種基于CNN的方法被設計用于刺繡風格遷移,它可以產生不規則放置的縫線的結果[10]。然而,神經網絡只有在包含更多自然內容和清晰的高級語義信息的圖像上才能很好地工作,而且風格遷移過程中缺少用戶交互操作,忽略了用戶創意的介入途徑。綜上,雖然采用非真實感圖形學方法可以繪制不同刺繡風格效果的圖案,然而由于其技術本質是基于對現有圖像進行風格化渲染,所以無法實現類似手工刺繡效果的可控模擬。與此同時,其技術實現需要專業性極強的程序編制工作,不利于技術普及應用。在應用研究方面,王金美等[11]利用Wilcom ES繡花軟件對刺繡圖案進行基礎參數化設計,并結合Photoshop軟件對初始刺繡圖案進行二次處理,通過數碼印花工藝在絲綢面料上實現仿齊針繡、戧針繡等肌理效果。然而Wilcom ES等刺繡商業化軟件是為了輔助電腦繡花的生產而設計,其對刺繡效果的模擬清晰度不高,且刺繡針跡間銜接生硬、風格單一,將模擬圖案應用在印花面料上無法較好地體現手工刺繡靈活自然的視覺質感。

為了解決目前商業刺繡模擬軟件圖片清晰度差、風格單調與基于非真實感圖形學技術無法可控模擬手工刺繡效果這兩個問題,本文基于對刺繡質感形成原理的研究,提出了采用區域劃分和矢量折線填充的方法來模擬刺繡質感,并基于Adobe Illustrator軟件平臺與參數探索實驗實現了清晰度高、兼容性強、交互性好的模擬刺繡圖案。最后基于在絲綢面料上進行數碼印花實驗驗證了本文方法的有效性與適應性。

1 刺繡視覺質感的形成原因與繪制原理

研究刺繡質感的形成原因對模擬繪制刺繡質感至關重要。在計算機圖形學領域,物體表面真實視覺質感的繪制是真實感圖形學的主要研究內容之一。根據基于物理的光照模型(Physically Based Rendering,PBR)可以得知,影響質感的兩個因素是物體表面的光學特性和幾何細節。對于不透明物體,物體表面的光學特性即材質本身特性造成的光線特定反射現象,與材質表面的反照率、粗糙度與金屬度有關;幾何細節為材質在空間中的組織排列形式,表現為物體在亞宏觀結構層呈現的凹凸紋理,與材質表面的法線分布有關。下式為反射率方程,描述的是物體表面上一點反射到觀察方向的出射輻射亮度Lo的計算方法,依次計算材質表面每一點的出射輻射亮度值便可以繪制出物體表面的真實質感。

(1)

式中：物體表面上p點的出射輻射亮度Lo(p,wo)由入射光輻射亮度Li(p,wi)、入射光與p點法線的夾角的余弦值及p點處的雙向反射分布函數(BRDF)值fr(p,wi,wo)控制,半球積分表示多光源直接光照與間接光照的疊加。

BRDF計算的是p點入射方向到出射方向光的反射比例,物體表面不同點的材質特性不同,因此具有不同的BRDF值。BRDF中包含一個漫反射項和一個鏡面反射項,在漫反射項中c為p點材質的反照率即表面顏色。鏡面反射項的計算與D(法線分布函數)、F(菲涅爾函數)和G(幾何函數)有關,如下式所示。

(2)

下式為法線分布函數,其中α為p點的粗糙度、n為p點法線、h為半角向量。

(3)

下式為菲涅爾函數,由p點的基礎反射率F0、半角向量h及視角方向v計算得出。其中F0=F0×(1-metallic)+c×metallic,當p點金屬度為1時,F0為p點材質的反照率,當p點金屬度為0時表示為電介質,F0為固定值0.04。

Fschlick(h,v,F0)=F0+(1-F0)(1-(h·v))5

(4)

下式為幾何函數,描述了物體表面微平面相互遮擋導致的光線能量減少或丟失的現象,與p點的粗糙度、法線n及視角和光線方向有關。

(5)

因此,物體表面的光學特性主要由BRDF決定,通過逐像素地定義材質反照率、粗糙度和金屬度便可以計算每個像素的顏色,從而形成不同的顏色和光澤效果。除此之外,對于材質表面的幾何細節則需要逐像素地定義表面法線方向,從而影響著色,產生凹凸不平的視覺效果。

以刺繡材質為例,表面的光特性主要與繡線的顏色和粗糙度有關,如圖1(a)所示。由于繡線為電介質材質,表面基礎反射率為常數0.04,顏色主要由漫反射提供,不同顏色的繡線即代表不同的反照率,通過指定不同位置的反照率即可定義刺繡材質上不同區域的顏色;此外由于刺繡所采用的散線與股線表面的粗糙度存在較大差異,通常散線的粗糙度低于股線的粗糙度,因此基于散線繡制的刺繡作品鏡面反射更加強烈。刺繡表面的幾何細節體現為不同長度和方向的針腳所形成的緊密凹凸質感,可以通過表面法線貼圖來定義刺繡表面的幾何細節。通過逐像素定義刺繡材質的反照率、粗糙度與法線方向便可以繪制出人眼看到的真實刺繡質感圖像,如圖1(b)所示。在具體的PBR渲染流程中,可以分別通過顏色紋理貼圖、粗糙度紋理貼圖、高度紋理貼圖和法線紋理貼圖來定義刺繡物體表面質感,如圖2所示。

基于以上真實刺繡質感的形成原理,可以為真實質感的刺繡模擬提供理論支撐。為真實再現刺繡材質的光學特性與幾何細節,一些研究采用了商業繡花制版軟件Wilcom來制作刺繡模擬圖,然而Wilcom并非為了生成刺繡模擬圖而開發,其生成的模擬刺繡圖片無法體現針腳之間的陰影,從而影響了刺繡表面幾何細節的表達。與此同時,因為工藝條件的局限性,機繡只能采用有限顏色的繡線還原圖案效果,從而導致色彩間過渡生硬[12]。更為重要的一點是,機器刺繡的針法不如手工刺繡針法靈活,無法提高刺繡模擬圖案的審美價值。以Adobe Substance 3D Sampler刺繡濾鏡生成的刺繡材質效果為例,雖然通過各類貼圖的計算還原了刺繡材質的光學特性和幾何細節,但是色塊間相互獨立,沒有顏色過渡效果,而且最多只能呈現10種顏色,如圖3所示。通過觀察刺繡材質的放大圖可以得知相同色塊內的針腳排列無規律,因此無法呈現類似手工刺繡的藝術審美效果。

圖3 基于Adobe Substance 3D Sampler制作的刺繡紋理效果Fig.3 Embroidery texture image made based on Adobe Substance 3D Sampler

由于通過以上方法繪制的刺繡質感圖片均無法保存為矢量圖格式,因此在面料上印花時容易造成分辨率不足等問題。除此之外,由于數碼印花機精度的限制與墨水的滲化作用導致刺繡圖案細節在印花過程中丟失,從而影響刺繡質感圖案的模擬效果。針對由圖案導致的問題與印花環節導致的問題,本文從圖案設計的角度出發提出了相應的解決方法,如表1所示。

表1 基于本文方法解決的問題與對應策略Tab.1 Problems solved based on this method and corresponding strategies

2 實 驗

2.1 基于區塊劃分與矢量折線填充方法的刺繡質感圖案繪制流程

刺繡質感圖案的繪制流程如圖4所示。第一步,選取待繪制原始圖片,使用Adobe Illustrator軟件鋼筆工具繪制主體對象輪廓,根據主體對象結構特征及相似色相區域進一步劃分對象細分區塊輪廓。第二步,按照原始圖片中主體對象的顏色填充相應區塊內顏色。第三步,基于邊緣切向流(Edge Tangent Flow,ETF)算法計算分析主體對象結構走勢,如圖4案例中,依據鳥羽毛的生長方向確定區塊內待填充折線的方向。第四步,為了確保模擬刺繡針長度的均勻性,依托對象結構走勢對顏色區塊面積較大的區域進行二次分割。圖5顯示了經過二次區塊分割與未經過區塊二次分割對刺繡模擬效果的影響。第五步,基于Adobe Illustrator軟件中的涂抹工具在相應區塊內快速填充矢量折線。第六步,依次調整區塊內折線填充方向α,折線密度β,折線寬度γ,折線變化參數δ、ε,區塊過渡參數θ,最終獲得具有刺繡質感的模擬圖案。其中,折線填充方向、折線密度、折線寬度、折線變化參數、區塊過渡參數與Adobe Illustrator軟件中調整的參數對應情況如表2所示。

圖4 刺繡質感圖案繪制流程Fig.4 Flowchart of embroidery texture pattern drawing

圖5 經過與未經過區塊二次分割效果對比Fig.5 Simulation comparison diagram with and without secondary block segmentation

表2 區塊折線調整參數與Adobe Illustrator軟件中參數的對應關系Tab.2 Correspondence between block polyline adjustment parameters and parameters in Adobe Illustrator software

2.2 基于邊緣切向流的圖像內容特征向量提取

分析圖像中主體的結構走勢本質上是獲取圖像主體的特征線,可以通過建立平滑的向量場作為圖像的流場來保存主體對象的特征線信息。借鑒Kang等[13]提出的基于流的各向異性DoG數學模型,其中通過構建二維圖像的邊緣切向流場能夠很好地提取圖像中具有方向性等特征的結構,可以通過流場向量方向來指導本文中折線填充方向。

定義t(x)為邊緣切向流,其方向垂直于圖像的梯度,如下式所示。

(6)

式中：Ω(x)為x的鄰域;k表示向量的標準化量;ωs為空間歸一化函數,ωm為大小權重函數,ωd為方向權重函數。

ωs、ωm、ωm的定義分別如下式所示。

(7)

ωm(x,y)=(1+tanh[η×(?(x)-?(y))]/2

(8)

ωd(x,y)=|tcur(x)×tcur(y)|

(9)

式中：r為Ω(x)的半徑;?(z)表示在z處標準化后梯度值的大小;η表示下降率;tcur(z)表示當前在z處標準化的正切向量。

通過在Matlab軟件中實現上述功能,其算法流程如圖6所示。

圖6 邊緣切向流場計算流程Fig.6 Flow chart of edge tangent flow field calculation

在該程序中,通過對圖像進行邊緣檢測得到圖像中物體的輪廓信息。隨后使用梯度計算技術計算圖像中每個像素點的梯度,得到圖像中每個位置的梯度信息。之后計算這些梯度向量的切向量得到切向流場,如圖7所示,切線流場的方向與圖像中鳥的羽毛方向相對應。

圖7 邊緣切向流場計算結果Fig.7 Calculation results of edge tangent flow field

2.3 刺繡圖案印花效果的模糊綜合評價

2.3.1 建立評價因素集

因素集通常由影響事物整體評價的各因素組成,由于刺繡質感需要從幾何細節和光學特性兩個角度進行模擬,所以通過綜合這兩個方面建立針對刺繡印花圖案質感的綜合評價體系。刺繡質感的幾何細節由針腳之間的清晰度和針腳過渡柔和程度來評價,光學特性由顏色鮮亮度和肌理光澤感來評價,最終確定刺繡圖案印花效果評價指標U,U=(u1,u2,u3,u4),其中u1=針腳清晰度,u2=過渡柔和度,u3=色彩鮮亮度,u4=肌理光澤感。

2.3.2 確定模擬效果評估集

評價集是對評價對象中的各因素進行的各種評價結果的集合,常用字母V來表示。本案例中采用七級評價指標V=(v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7),其中v1=非常差,v2=很差,v3=比較差,v4=一般,v5=比較好,v6=很好,v7=非常好。即刺繡圖案印花效果指標的評估集為V=[非常差,很差,比較差,一般,比較好,很好,非常好]。

2.3.3 確定因素集中各指標的權重

在對某一刺繡圖案印花效果進行綜合評價時需要確定不同的評價因素對最終刺繡模擬效果評判的重要程度,即權重。本文采用層次分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)中計算指標權重的方法。

第一步,對不同評價因素的重要性進行兩兩比較,構建比較判斷矩陣A。

(10)

矩陣中的對角元素是款式類目的自比較,因此aij=1,其中i=j;讓aij=1/aji,aij>0,i≠j。

具體地,采用Satty提出的比例九標度法(表3),通過邀請5位對刺繡與計算機圖形繪制較為熟悉的服裝與服飾設計專業的研究生作為專家組,共發放問卷5份,收回5份,并采用Yaahp軟件進行各因素權重計算。

表3 Satty比例九標度體系Tab.3 Satty proportional nine scale system

第二步,計算因素集中各指標的權重。

采用標準化幾何平均值法(Normalization of the Geometric Mean,NGM)來計算因素集中各指標的權重。設Wi表示因素集中第i個指標的權重,如下式所示。

(11)

即因素集中各指標的權重集為W=[w1,w2,…wn]T;i=1,2,…,n。

在構造判斷矩陣時由于客觀事物的復雜性與人判斷能力的局限性,從而導致人們在對各因素重要性的判斷過程中做出矛盾的評判。為了確保成對比較矩陣的評估是合理有效的,需要對因素集中各指標權重進行一致性檢驗。一致性比率指標CR如下式所示。

CR=CI/RI

(12)

式中：CI=(λmax-n)/(n-1)為一致性指標,RI為平均隨機一致性指標,是通過大量實驗確定的。

λmax為最大特征根,計算如下式所示。

(13)

當CR<0.1時,認為矩陣的不一致程度是可以接受的;否則認為不一致性較為嚴重,需要重新對判斷矩陣做出相應調整。

2.3.4 單因素模糊評判

設評判對象按因素集中的因素ui進行評價時,對評價集中的元素vj的隸屬程度為rij,對于ui的評價結果如下式所示。

(14)

式中：Ri稱為單因素評判集,是評價集V上的一個模糊集合。

把n個單因素評價集組合在一起則構成了單因素評價矩陣R。

(15)

采用專家評分法對因素集中的每項指標進行評價,打分范圍在區間[0,1]。例如,專家給ui項評價因素打分時,應滿足：

(16)

專家打完分后對每項評價因素在每項評價指標下的得分取平均值,計算最終得分作為評價集中元素ui對應的隸屬度。

2.3.5 模糊綜合評判

結合權重集W與單因素評價矩陣R,計算得到模糊綜合評判結果B。

=(b1,b2,…,bm)

(17)

式中：bj(j=1,2,…,m)為模糊綜合評判指標;bj表示在考慮了評判對象所有因素時,評判對象對評判集中某一元素的隸屬度。

3 結果與分析

3.1 刺繡圖案Adobe Illustrator中的參數設計

Adobe Illustrator中填充折線的參數包括角度、間距、描邊寬度、路徑重疊、間距變化、路徑重疊變化,其中角度控制區塊內折線的總方向,可以設置360°任意朝向。在實際操作中,依據圖案中主體對象的結構調整進行相應設置,未經方向調整的折線填充效果與經過方向調整的折線填充效果對比如圖8所示。未經折線方向調整的圖案區塊間無明顯界限,導致圖案層次感較差,經過區塊折線方向調整的圖案具有明顯的區塊界限,能夠較好地呈現刺繡質感效果。

圖8 折線方向未調整與調整結果對比Fig.8 Comparison of results of unadjusted and adjusted polyline direction

間距對應針腳線跡之間的距離,通過調整間距可以模擬繡線之間的疏密程度。手工刺繡時用繡針將繡線按順序排列產生絲光立體效果,繡線與繡線之間距離的疏密,對刺繡圖案的風格、立體絲光效果都有直接影響。設置描邊寬度為0.05 mm,線跡間距分別為0.15、0.3、0.45 mm的刺繡圖案對比效果如圖9所示。由圖9(a～c)可知,線跡距離越小,線條之間越緊密,但是單個線跡越不清晰。線跡距離越大,單個線跡越清晰,但是線條之間越稀疏。在描邊寬度為0.05 mm時,圖案線跡間距的合理參數取值范圍為0.15～0.3 mm。由圖9(d～f)可知,描邊寬度通過設置線條的粗細來描述針腳粗細,具體應根據圖案大小進行設置,本文設置描邊寬度為0.05 mm。

路徑重疊參數可以控制折線超出區塊輪廓距離的大小,取值范圍為-352.78～352.78 mm。圖10中,綠色線條為區塊邊界,當取值為正時路徑重疊參數數值越大,折線超出區塊界限越多,對應區塊間過渡區域越多;相反當取值為負時,數值越小,折線區域收縮越多,區塊間呈現明顯間距。路徑重疊參數可以用來模擬刺繡針腳之間的不同過渡狀態,如水路效果、齊針效果與暈針效果。

為了進一步模擬真實刺繡效果中不同針腳長度與錯位疊加效果,提出了間距變化與路徑重疊變化參數,以此分別模擬真實刺繡場景中不同針腳間距與錯位間距的差異,增強整體效果的層次感。通過路徑重疊變化參數與間距變化參數調整可以更好地模擬手工刺繡針腳自然過渡的效果,如圖11所示。

圖11 添加變化參數與未添加變化參數的模擬效果對比Fig.11 Comparison of simulation results with and without variable parameters

3.2 數碼印花面料實物效果

將刺繡圖案按照參數化設計方法處理后的圖案進行印制,以此驗證圖案參數化設計效果。本文將參數化處理后的圖案經數碼印花設備印制到平紋絲綢織物上。刺繡模擬效果如圖12(a)所示,設置折線間距為0.15 mm,描邊寬度為0.05 mm,路徑重疊為0.2 mm,路徑重疊變化參數為0.3 mm,間距變化參數為0.1 mm。印染實物如圖12(b)所示,可以看出數碼印花圖案參數設置合理、效果逼真,達到暈針繡風格的視覺效果,可以實現絲綢織物數碼印花刺繡質感圖案的高效、便捷印制。同時,數碼印花刺繡質感圖案較傳統刺繡生產效率高,對從業人員技術要求低,具有可行性及較高的推廣價值。

圖12 數碼印花面料效果Fig.12 Effect of digital printed fabric

3.3 刺繡質感模擬效果的模糊綜合評價結果

根據因素集中各因素兩兩比較結果構建得到的判斷矩陣A為：

采用NGM法計算因素集中各指標的權重W為：

W=[0.40 0.09 0.13 0.38]

一致性比率指標CR=CI/RI=0.031 3<0.1,所以比較判斷矩陣通過一致性檢驗。

根據專家評分法計算得到的單因素評價矩陣R為：

所以,根據式(13)計算得到模糊綜合評價結果B為：

綜合評價結果顯示,模擬效果為比較差的隸屬度為4.18%;一般的隸屬度為18.56%;比較好的隸屬度為40.82%;很好的隸屬度為31.36%;非常好的隸屬度為4.32%。根據最大隸屬度原則,模擬刺繡印花圖案的質感效果為比較好。

3.4 本文方法的有效性

本文的方法能夠通過調整參數在區塊內設置不同填充方向、填充密度、折線寬度和區塊過渡效果的刺繡質感,所繪制的刺繡質感效果具備較高的真實感,如圖13所示。本文方法采用基本的折線幾何圖元組成矢量刺繡針腳,因此具備矢量圖形的所有優點,如可擴展性、易于編輯和修改、文件小、兼容性等。

圖13 刺繡模擬圖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 本文方法與其他方法的對比

目前對圖案進行刺繡質感風格化處理主要基于現有商業刺繡工藝軟件與編程方法來進行制作,通過將Wilcom ES繡花軟件、非真實感圖形風格化編程與本文所提刺繡質感生成方法在刺繡質感生成原理的先進性、用戶操作的便捷性、修改速度、對用戶自身的專業要求及模擬效果等幾個方面進行對比(表4),可以發現Wilcom ES繡花軟件在制作刺繡質感圖案的原理上比較落后,而且其刺繡質感模擬效果較差。非真實感圖形風格化編程方法在生成刺繡的原理上比較先進,但用戶操作不方便,質感渲染耗時長,對設計師的軟件操作要求高,不便于設計師對刺繡肌理進行快速繪制。采用本文所提的區塊劃分與折線填充方法可以快速地生成逼真的刺繡肌理,而且采用參數控制刺繡肌理的屬性,能夠達到實時的修改效果,本文方法可以在矢量繪圖軟件Adobe Illustrator中實現,對設計師的軟件操作要求低,適合設計師在工作中快速表現產品的刺繡肌理效果。

表4 本文方法與其他方法的對比Tab.4 Comparison between this method and other methods

4 結 論

本文提出了一種基于區塊劃分與矢量折線填充方法的刺繡質感模擬方法,為了更好地控制刺繡質感模型的幾何細節與光學特性,定義了區塊內折線填充方向、折線密度、折線寬度、折線變化參數與區塊過渡參數,最終獲得具有刺繡質感的模擬圖案,并通過數碼印花實驗驗證了本文方法生成的刺繡圖案具有較好的視覺效果。基于Adobe Illustrator軟件實現了本文所提方法,實驗結果表明,本文所提方法能夠有效地模擬具有真實質感的刺繡效果,同時可實現多種圖案刺繡質感的繪制。由于該方法不需要對刺繡效果進行復雜的風格化編程運算,對計算機硬件配置要求不高,使得設計師能夠通過參數控制快速生成滿足設計需求的刺繡質感,生成的刺繡圖案具備較高真實感與多樣性,可滿足設計師的不同繪制和數碼印花需求。

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