基于風格遷移算法的敦煌裝飾圖案創新設計研究

孫婧 高海軍/北京服裝學院美術學院

0 緒論

敦煌是古絲綢之路上的“咽喉之地”，而坐落于古絲綢之路西端的莫高窟，是中國古代文明的一個璀璨的藝術寶庫、是華文明同各種文明長期交流融匯的結果是人類的無價之寶?莫高窟藝術是由壁畫、彩塑、洞窟建筑共同組成的一種綜合藝術，反映了當時文化思想和社會生活，它也見證了中華文化的興衰?研究和弘揚敦煌文化，既要深入挖掘敦煌文化和歷史遺存蘊含的哲學思想、人文精神、價值理念、道德規范等，更要揭示蘊含其中的中華民族的文化精神、文化胸懷、不斷堅定文化自信[1]?

隨著人工智能時代的到來，計算機技術為敦煌文化的傳承創新帶來了一種全新的思維方式?與此同時，敦煌文化的多樣性也為結合計算機技術的藝術設計提供了更多可能?現階段，將計算機技術和敦煌文化相結合的相關研究目前存在諸多空白?本文以敦煌圖案為切入點，探索如何使用風格遷移算法模仿敦煌藝術風格，可以快速創作出含有敦煌藝術風格的作品，做到傳統文化和先進計算機技術的結合，達到互相促進、共同進步的目的?利用計算機技術將敦煌元素同現代藝術設計相結合，能夠緊跟時代的潮流，創新敦煌藝術的發展的途徑，促進現代藝術設計領域的蓬勃發展?

1 敦煌裝飾圖案的文化特征分析

1.1 敦煌裝飾圖案的色彩

敦煌裝飾圖案有著明顯的朝代劃分，最具典型的當屬北朝、隋代、唐代、五代、宋、西夏、元等時期?

北朝時期的敦煌裝飾圖案用到的顏色種類很少，且顏色使用比較簡單，主要以平涂為主，經常使用對比色與黑、白、灰等色的進行搭配，多為土紅底色的暖色調，有質樸莊重的特點；隋朝敦煌裝飾圖案相比北朝顏色的使用上更加鮮艷一些，增加了許多新的顏色例如曙紅、灰綠、淺橘黃、橙等，使隋朝的敦煌裝飾圖案在顏色對比上更加和諧?唐朝的敦煌裝飾圖案相比隋朝有了新的發展，運用了更加豐富的色彩且有強烈的對比，色彩層次清晰，形成了唐代特有的顏色風格?用色搭配多為紅與綠、紅與石青、紅與淺青等對比強烈的顏色?五代到宋、西夏、元時期，由于朝代的交替等原因導致這一時期的敦煌裝飾圖案的在色彩上較為寡淡清冷，相比以前的唐代絢麗的色彩有很多不同之處，例如在敦煌裝飾圖案中大量使用松石綠色，搭配黑色、土紅、土黃等顏色，也導致畫面出現些許不協調的情況，給人以顏色寡淡的感覺[2]?

1.2 敦煌裝飾圖案的元素

敦煌裝飾圖案有十分豐富的紋樣?其紋樣大致可分為花草、禽獸、幾何等幾個種類，每種紋樣都給世人呈現出活靈活現的樣貌?敦煌裝飾圖案的紋樣構成形式包括適合紋樣、單獨紋樣、角隅紋樣、邊緣紋樣、連續紋樣等[3]?

敦煌植物紋樣精美復雜，也是敦煌裝飾圖案的主要裝飾紋樣之一?在生活中我們經常可以看到裝飾敦煌植物紋樣的建筑及家紡產品，包括忍冬紋、卷草紋、葡萄紋、荷花紋、團花紋和寶相花紋等?

敦煌壁畫中的動物形象種類繁多?例如獅子、鳥、鳳凰、喜鵲、鸚鵡、牛、鹿、駱駝、兔等?每一種形象都有其特定的含義和象征意義，這些形象不僅展示了古代藝術家的藝術才華，也反映了他們對佛教信仰的理解和表達?

敦煌裝飾圖案中常見的幾何紋樣包括菱格紋、方格紋、聯珠紋、回形紋、龜背紋、方璧紋、方勝紋等，這些幾何紋樣被用來裝飾窟壁和藻井，展現出獨特的藝術效果?隨著時代的更替與發展，莫高窟裝飾圖案中的幾何紋樣不斷發展和更新，每個時期有自己獨特的特點[4]?

1.3 敦煌裝飾圖案的文化內涵

敦煌文化是一個集合了中國傳統文化、印度文化、波斯和希臘文明的集合體，是中外文化交流的見證?敦煌藝術經歷了不同的時代更迭與世界各國文化相互交融，其美學觀念、藝術風格和文化價值的當代闡發與創新便顯得尤為重要且彌足珍貴?千百年來，絲路精神薪火相傳，是不同文明交流互鑒、合作共贏的象征，極具研究價值?

2 敦煌裝飾圖案特征的風格遷移研究

2.1 風格遷移算法在藝術領域的應用案例

在人工智能技術迅猛發展的背景下，將風格遷移技術應用在藝術創作領域，達到藝術和科技結合是未來發展的趨勢之一?

當今在藝術設計領域有許多結合風格遷移算法的案例，例如國內陳捷通過前期的數據采集，利用風格遷移算法，實現了風格遷移算法與漆藝技法的融合，探索了先進計算機技術在漆藝文創品開發中的運用[5]；朱怡潔等人利用風格遷移算法模仿了不同木版年畫藝術畫作的風格，進一步實現了任意風格年畫作品的自動創作，進而將作品投入到實際的設計應用中，使科技為非遺文化現代化設計助力[6]；宋彩鳳針對利用風格遷移算法生成的中國畫與參考中國畫之間因繪畫技法不同造成的風格相似性破壞問題，提出了相適應的風格遷移算法，使生成的中國畫與參考中國畫之間有著相同的繪畫技法[7]?

通過以上案例可以發現，風格遷移在藝術創作領域已經成為一種新的流行趨勢，但在敦煌藝術的再創造設計方面，風格遷移技術還未完全發揮優勢，值得進一步深入探索研究?

2.2 風格遷移算法模型選擇與設計

本文所應用的風格遷移算法，主要利用卷積神經網絡模型提取特征，通過計算特征圖中Gram矩陣用于提取特征圖像中的顏色、線條等信息[8]?特征提取后，進一步完成特征與內容圖的結合，形成基于原始內容又有新增特征的新圖像?用于特征提取的模型的上述工作的重點，因此本節重點介紹模型的選擇與其損失函數的定義?

2.2.1 特征提取模型選擇

在深度學習領域，能夠應用于風格遷移算法中特征提取的卷積神經網絡有多種，諸如LeNet、AlexNet、VGGNet等[9-11]?卷積神經網絡（Convolutional Neural Networks）是一種類似于人體神經網絡的多層感知器，常用于計算機視覺技術領域?其在結構上表現為多層網絡構成，其主要包括：輸入層（Input layer）、卷積層（CONV layer）、激活函數層（ReLU layer）、池化層（Pooling layer）和全連接層（FC layer）[12]?

在本文中，選擇預訓練的VGG-19模型作為用于風格遷移算法的具體模型?VGG（Visual Geometry Group Network）神經網絡模型由谷歌公司提出，是現今世界上使用最為廣泛的卷積神經網絡模型之一[13]?VGG-19，顧名思義，是包含有19個隱藏層（16個卷積層和3個全連接層）的VGG神經網絡模型?除此之外，其池化層數為5，卷積核尺寸為3×3，卷積步長為1（圖1）?同時，VGG-19神經網絡用于風格遷移工作的流程（圖2）?

圖1 VGG-19 神經網絡模型結構圖

圖2 VGG-19神經網絡進行風格遷移過程圖示

本文研究選擇預訓練的VGG-19模型的理由為：首先，VGG-19結構簡單，其整個網絡結構使用著同樣大小的卷積核尺寸與卷積步長，便于使用者對于整個網絡的搭建?其次，預訓練的VGG-19，可以在一定程度上減少使用者訓練卷積神經網絡的時間，降低使用成本，提高研究效率?

2.2.2 損失函數

風格遷移任務中的關鍵對象為內容圖、特征圖與遷移圖?內容圖為整個風格遷移工作提供內容，而特征圖為前述的內容圖提供其關鍵特征?最終，內容圖加特征組成了遷移圖，亦即結果圖?

上述過程是一個內容與特征提取和重組的過程，必然會存在內容、特征的損失?由此可以看出，風格遷移工作是一個計算內容損失與特征損失的過程?因此，內容損失函數計算每個內容特征層的內容圖像特征與遷移圖像特征之間的均方差，用于評估遷移圖中內容損失的程度，進一步使遷移圖的特征與內容圖的特征相匹配，以Lcontent表示?

一個圖像的特征可以用Gram矩陣表示?因此，特征損失函數計算特征圖的Gram函數矩陣與遷移圖的Gram矩陣之間的方差，使遷移圖的紋理與特征圖的紋理相匹配，以Lstyle表示?

總損失是內容損失和樣式損失的加權組合，因此總損失函數如式（1）所示?

式中，α和β分別是內容損失和特征損失的權重因子?在后續的試驗過程中，控制內容損失和特征損失的權重因子比值在10-4至10-3左右?

2.3 敦煌裝飾圖案風格遷移算法試驗

在本節中，重點圍繞敦煌裝圖案的風格遷移試驗開展闡述?首先，對試驗所需的數據，即內容圖、特征圖的采集（圖3）和準備進行描述?其次，對試驗運行所需環境，包括程序、程序運行設備、網絡細節等進行詳細闡述?最后，對試驗結果進行了展示?

圖3 試驗結果

2.3.1 數據采集與準備

在內容圖（1）：花影扶疏圖的設計中，選取了初唐時期敦煌壁畫332窟中的經典花卉紋樣和晚唐時期敦煌壁畫56窟中的經典花卉紋樣，將之結合并進行造型和顏色的創新?

本文對花卉紋樣進行造型提取，并通過簡化、變形、結構重組等手法將提取的元素進行重新設計，顏色上選取當前的時尚流行色例如天藍色、肉色和淡橙色等，在畫面中呈現出姿態各異且顏色符合當代人審美的花卉裝飾圖案?

在內容圖（2）：馥郁花香圖的設計中，選取了晚唐時期敦煌壁畫56窟中的經典寶相花紋樣和初唐時期敦煌壁畫332窟中的經典花卉紋樣為輔再次進行造型和顏色的創新?筆者在對寶相花紋樣進行再設計過程中，對構圖飽滿的寶相花解構進行了簡化重組，保留其原有的構圖形式的前提下，對元素進行整合?在顏色上，選用粉色調為主，給人干凈、年輕、明快的感覺，做到對傳統的寶相花紋樣的創新提出新思路，滿足當代年輕人的審美觀念?

在內容圖（3）：暮染煙嵐圖的設計中筆者選取了隋代敦煌壁畫56窟中的藻井紋樣邊飾中的小花、連珠紋等圖案再次進行造型和顏色的創新?筆者在對這些邊飾紋樣進行再設計過程中，在保留其原有的組合形式的前提下，對元素進行整合?在顏色上，以原有圖案的配色為主，提取原有的圖案顏色，在此基礎之上對顏色的明度和純度進行提高，和原有的色彩既形成對比又相互呼應，形成穩重、素雅、整潔的風格?

內容圖樣本中除了筆者手繪部分，還選取了來源于文獻[14]的敦煌風景圖片，包括敦煌莫高窟[內容圖（4）]和鳴沙山月牙泉[內容圖（5）]?

特征圖樣本選取了北朝、隋代、唐代、宋代，4個時期的敦煌藻井圖案，包括北朝時期敦煌莫高窟249窟的忍冬蓮花平棋、隋朝時期敦煌莫高窟407窟的三兔蓮花藻井、盛唐時期敦煌莫高窟第79窟的葉形瓣團花紋藻井、北宋時期敦煌莫高窟第13窟二方連續藻井?

北朝時期敦煌莫高窟第249窟的忍冬蓮花平棋，層次分明，豐富多彩?隋朝時期敦煌莫高窟第407窟的三兔蓮花藻井，簡潔明快，構思十分巧妙[15]?盛唐時期敦煌莫高窟第79窟葉形瓣團花紋藻井，用色華麗、繁花似錦，結構繁密?北宋時期敦煌莫高窟第13窟二方連續藻井圖案，此時紋樣用色多顯寡淡?

2.3.2 試驗環境搭建

試驗所采用的設備為個人計算機，處理器為英持爾Core i7-7700HQ @ 2.80GHz四核，8GB內存，NVIDIA GeForce GTX 1050Ti 4GB顯卡?

在程序方面，為使VGG-19網絡適合特征提取，程序中從網絡中刪除所有全連接層[16]?同時，考慮到VGG-19網絡的最大池化層會造成衰落效應?為了降低衰落效應并增加梯度流，將所有最大池化層替換為平均池化層?

試驗程序的運行時間視程序中所設置的迭代次數所決定?在本試驗中，程序所設置的迭代次數為1000次，運行時間為30分鐘?

2.3.3 試驗結果

本文的試驗結果（圖3）?從試驗結果中可以看到，特征圖與內容圖進行了較好的融合?在新的特征作用下，一成不變的內容圖可以重新呈現新的風格與效果?

3 圖案設計及應用

3.1 設計方案及過程

近年來，敦煌裝飾圖案在文創產品和旅游產品中被廣泛地應用?因此，敦煌圖案的創新設計需求量日益增多?本文為展示內容圖1至內容圖5的風格遷移作品，選擇遮陽傘和餐具作為創新設計的載體?這樣的設計，既滿足人們對于敦煌文創產品和旅游產品的需求，也通過日常用品將敦煌文化融入民眾的生活之中?通過對敦煌裝飾元素的變形、解構、重組成圖案，并結合風格遷移算法，實現傳統文化的繼承與創新性改造?

3.2 設計作品

文創產品的選擇需要符合現代人的日常需求，材質的選擇也影響了圖案的應用效果?本次選擇了尼龍布和陶瓷兩種材質，尼龍布色澤艷麗，有絲綢的質感，而陶瓷材質鮮亮光滑，印出花紋細膩精致?基于尼龍布材質設計出來一系列遮陽傘（圖4），基于陶瓷材質設計出來一套陶瓷餐具（圖5），效果圖模板選自千圖網?

圖4 作品組圖（1）

圖5 作品組圖（2）

4 結語

先進計算機視覺技術的進步為推動傳統文化的創新設計提供了新的路徑，為設計師提供了設計的靈感和更多的便捷性?本文以敦煌裝飾圖案為基礎，利用風格遷移算法將敦煌裝飾圖案四個時間段的典型風格遷移到重組后的敦煌裝飾圖案和敦煌風景中，為敦煌文化的創新設計提供了更多可能的方案，有效地提高了設計的效率，使敦煌裝飾圖案滿足民眾的審美和需求，融入民眾的日常生活中?

科技是未來發展的必然趨勢，在利用科學技術輔助設計的同時，也要了解傳統文化背后的精神內涵與文化內涵，要讓民眾深深地體會到藝術和科技的結合帶給人們的影響，不斷為民眾服務?做到科學與藝術的結合，更好地傳承中國傳統文化?