床上用品色彩风格辅助设计

床上用品色彩风格辅助设计

马云芳，宋明黎，卜佳俊(1.台州职业技术学院电气信息学院，浙江台州318000;2.浙江大学计算机科学与技术学院，浙江杭州310027)和谐的色彩搭配是一款床上用品能否赢得市场青睐的关键因素之一。目前，床上用品色彩风格设计主流方法［1］是由经验丰富的产品设计者依靠其个人的艺术美感和丰富的从业经验搭配出色彩方案，这种方法主要由设计者的从业经验、个人喜好决定，在产品风格多样化、创新速度要求快速化的时代，这种设计方法耗时耗力，不能有效地满足产品快速设计生产、抢占市场的目的，但是借助于计算机图像辅助技术，设计者可参考已有的一幅图像，将该图像的色彩搭配方案和谐转移到目标图像，实现产品风格多样化的快速设计，本文对床上用品色彩风格辅助设计展开研究。1相关工作色彩和谐是指多种颜色有秩序协调地组织在一起，带给人美的感觉，如何设计出和谐的色彩方案一直是设计和科研人员关注并致力于解决的问题。MOON等［2］首先提出了以秩序为核心的色彩和谐局部理论，将色彩调和关系分成垂直、内面调和等7种。OSTWALD等［3］提出了相似颜色和谐量化描述。ITTEN［4］对不同色调在红黄蓝调色盘上的位置给出了定量说明，提出了基于色调的颜色协调理论，并在应用领域得到了广泛使用。TOKUMARU等［5］将色彩和谐分为基于色调的和谐和基于饱和度、亮度的和谐，在HSV颜色空间依据图像H分量的分布情况建立色彩和谐模版，该模版共有8种类型，如图1所示。图中类型i、V、T是相似颜色和谐模版，类型I、Y、X是互补颜色和谐模版，类型L则是混合颜色模版，类型N是灰度图像的和谐模版，图像的所有颜色只要落在和谐模版的灰色区域内，TOKUMARU就认为图像颜色是和谐的。图1色彩和谐模版Fig.1Colorharmonytemplates基于色彩转移的产品风格设计起源于20世纪80年代的黑白电影的彩色化处理，最具代表意义的是REINHARD等［6］提出的方法，该方法利用色彩空间转换，在LAB颜色空间使用均值和标准差等统计信息对图像颜色进行校正，使得目标图像各个通道均值、方差与参考图像具有相同的分布从而实现参考图像到目标图像的色彩风格转移。之后，TSAI等［7］使用灰色理论、孟赛尔色彩调和理论和遗传算法开发了色彩设计支持系统，能够帮助设计师模拟双色产品配色和搜索满足外观需求的两色配色组合。WANG等［8］将OU等［9］的方法应用到基于颜色传递的着色方法中，提出一种根据配色模板增强图像视觉主题的方法。刘炯宙等［10］提出了以色彩语义为驱动、交互式遗传算法为操作手段的产品配色设计方法。这些应用都在相应的领域为工业产品的色彩方案设计提供了帮助，降低了产品开发周期，提高了效率，但是大部分的应用中没有考虑色彩和谐的因素，而如何选择和谐的色彩搭配不是一件容易的事情，这正是大部分设计人员迫切需要计算机提供帮助的地方;再者，在现有的文献中没有专门关于床上用品色彩方案辅助设计的方法，因此，本文将以扩展的色彩和谐模版作为和谐评价的依据展开床上用品风格的辅助设计研究，将参考图像的颜色转移到源图像中，得到目标图像，最终实现床上用品图像的色彩风格转移。主要解决2个问题:一是床上用品色彩风格数据库的构建;二是参考图像色彩风格如何转移到源图像从而得到目标图像。具体流程图见图2。2床上用品图像色彩风格数据库构建色彩风格研究目的是要在设计者和使用者之间建立沟通的桥梁，改变设计者从艺术角度关心产品设计中“美”的准则的应用，而消费者则关注色彩感觉，二者之间没有一条有效沟通渠道的现状［11］。本文中床上用品色彩风格数据库的构建，主要考虑主色调和床上用品色彩描述语义2个方面。2.1床上用品主色调确定对于主色调(冷暖感)，文献［12］研究了国内家纺品牌的设计风格、市场现状和消费者心理，将家纺设计主流风格分为简约设计风格、田园设计风格、卡通设计风格、混搭设计风格、欧式古典设计风格、中式设计风格、美式设计风格、异国风情设计风格8种。在淘宝网、当当网、京东商城等综合购物网站搜索床上用品风格类型，主要有地中海风格、中式古典风格、美式乡村风格、韩版田园风格、粉色田园风格、东南亚风格、现代简约风格、卡通风格等。从应用实际出发，考虑到有些风格颜色种类较多，主色调很难确定，像混搭设计风格，有些风格类型则主要由图案决定的，像卡通风格，因此本文主要讨论地中海风格、中式古典风、美式乡村风格、韩版田园风格、东南亚风格、现代简约风格6种。图2色彩和谐的床上用品风格交互式辅助设计流程Fig.2Bedclothesstyleinteractivecomputeraideddesignprocessbasedcolorharmony床上用品主色调主要由HSV色彩空间的H分值决定(HSV色彩空间是根据颜色的直观特性创建的一种颜色空间，其参数分别是色调H，饱和度S，亮度V)，H取值范围为0～360，使用精确数学难以确定床上用品的主色调，比如中式古典风格和东南亚风格的主色调就没有明确的界限，人们很难说明金黄色一定是属于中式古典风格的床上用品还是东南亚风格的床上用品，2种风格的主色调都有可能是金黄色，因此本文采用K-means算法和模糊隶属函数来计算床上用品主色调的类型。算法如下:1)计算床上用品图像的H分量直方图，对直方图做一维平滑滤波，分析直方图局部特征，设定H分量直方图最小的波峰距离，计算出H通道的直方图中波峰个数，得到床上用品图像中颜色数目，即确定色彩特征提取的颜色数目;2)将图像的H值和颜色特征聚类数目作为输入进行颜色分类;3)求取图像H矩阵向量的最小H值，计算向量元素总数目，确定初始聚类中心;4)计算图像向量中每个分量与所有聚类中心的距离，找到图像向量中每个分量与聚类中心距离中最短的那一个聚类中心，记录图像向量中每个分量所属的分类号;5)找到图像向量中所有属于第i类的分量，更新第i类的聚类中心，直至聚类中心不再变化，聚类结束;6)计算每个像素属于类别的矩阵，返回，得到类颜色聚类的Hi、Si、Vi值及其像素点数Pi;7)计算床上用品图像第i类的Hi、Si、Vi均值HMi、SMi、VMi;8)定义论域U为床上用品风格［0，360］，通过主成分分析方法(SD)得出6种床上用品风格(中式古典风格、东南亚风格、美式乡村风格、韩版田园风格、现代简约风格、地中海风格)的模糊子集，使用模糊隶属函数对床上用品图像进行分类，确定床上用品的主色调。2.2床上用品色彩描述语义确定在实际应用中，人们习惯使用“时尚的”“喜庆的”“雅致的”等形容词来描述由颜色引发的感官效果。对于床上用品色彩描述语义的确定，本文首先从艺术类和设计类的书籍、网络、期刊、杂志中选择60个可描述床上用品色彩感觉的形容词，请经过一定训练的艺术学院和设计专业的学生和教师共计20人对这些形容词进行筛选，选出适合描述床上用品的，符合东方人审美感觉的30个形容词。然后在淘宝网、百度图片、家纺设计网选择各种风格的床上用品图片各20张，共计120张图片，将这些图片全部混合作为样本，给受测者讲解6种床上用品风格的特点、来源，请受测者对120张图片按6种风格进行分类，这样色彩描述语义形容词也就相应地归到了不同的床上用品分类中，得出了床上用品颜色风格为“主色调+床上用品色彩描述语义”，例如中式古典风主色调为红色、金黄色、蓝色，色彩描述语义为华丽的、喜庆的、高贵的、雅致的、写意的5种。不同色彩风格床上用品的主色调、对应的H值范围以及描述语义具体见表1。色彩除了上述的冷暖感(主色调)外，还有浓淡感、明暗感、素艳感和轻重感［13］，这些感觉主要由S和V分量确定。对于这些色彩感的确定，本文同样请20个经过训练的受测者对色彩语义描述形容词进行分类，最后将30个形容词分别归到浓淡感、明暗感、素艳感和轻重感4种分类中，接着选择4类典型的床上用品图像计算其S和V值，按照S和V值大小进行排序，就得到浓淡感、明暗感、素艳感和轻重感4类语义描述形容词从大到小的排序分类，具体见表2。表1床上用品色彩风格及描述语义Tab.1Colorstyleofbedclothesanddescriptionsemantics表2床上用品描述语义排序Tab.2Descriptionsemanticssortingofbedclothes色彩的浓淡感主要由HSV色彩空间的S分量决定，根据本文分类，将床上用品的浓淡程度分成9种(具体见表2)，设色彩的饱和度为Si，则色彩的浓淡类别Is定义为式(1)中Is按照四舍五入取值，计算结果为1～9，分别对应床上用品按浓淡程度分的9个描述语义，假设Is大于0小于0.5，Is取值为1，下文中其他几种类别也做类似处理。色彩的明暗感主要由HSV色彩空间的V分量决定，床上用品按明暗程度分成5种，设色彩的亮度分量为Vi，则色彩的明暗类别Iv定义为色彩的素艳感主要与饱和度相关，饱和度高的会产生鲜艳、华丽的感觉，亮度高的色彩比起亮度低的色彩显得更为华丽，本文床上用品按素艳程度分为7种，选择S和V作为控制色彩素艳感参数，考虑到饱和度、亮度过低，色彩变得黯淡，并且与明暗感的部分颜色相似，所以S和V变换区间没有选择饱和度和亮度的所有取值，且亮度的变化幅度小于饱和度，因此定义素艳类别Iy为色彩的轻重感主要由亮度决定，高亮度的色彩感觉轻，低亮度的色彩感觉重，本文床上用品按轻重程度分为9种，定义轻重类别Iw为根据上述定义，可得到6种不同风格床上用品的各种描述意义的色彩风格数据库，图3为使用上述方法计算出来的中式古典风格各种描述语义所对应的床上用品图片。3图像色彩风格转移床上用品的风格转移分为2部分:一是前景颜色优化转移;二是背景颜色转移。首先采用交互式分割方式实现床上用品图像前景背景分割，由用户选择床上用品图像背景的若干个像素点，计算像素点邻域的R、G、B各分值均值(RGB色彩模式是工业界的一种颜色标准，通过红R、绿G、蓝B3个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色)，设置颜色聚类球体半径值，实现前景背景分割，前景背景分割效果可参见图2。背景颜色的转移是将源图像的背景颜色用参考图像的背景颜色替换得到的。3.1参考图像颜色风格的提取和优化对于前景优化转移首先是找到与参考图像色彩最匹配的和谐模版，按照文献［14］的方法，有一部分和谐变化后的图像与原图像风格相距较远，如图4(a)中的床上用品图像经过色彩和谐之后变成了图4(b)，图像中的叶子颜色和背景都发生了很大的变化，究其原因是因为图4(a)的图像经过计算得到的和谐模版类型是T，旋转的角度为248.6°(顺时针方向)，从图1可看出T类型的和谐模版灰色区域为半个圆，H变化范围较大，这样图4(a)叶子的颜色在色彩转移的过程中就选择了距离较近的红色，而不是黄色，因此需要对图1中的和谐模版进行修改扩充。图3中式古典风格床上用品图像及颜色和色彩语义Fig.3Chineseclassicalstylebedclothesimagesandcolorbarandcolordescriptionsemantics.(a)Gorgeous;(b)Joyous;(c)Noble;(d)Elegant;(e)Comfortable图4床上用品参考图像和谐变换Fig.4Harmonizedresultofbedclothesreferenceimage.(a)Referenceimage;(b)Harmonizedresultbeforeharmonytemplatestoexpand;(c)Harmonizedresultafterharmonytemplatestoexpand对床上用品图像颜色风格数据库中的所有图像进行和谐变化，分析和原图像差异较大的图像，参照色彩和谐I和Y模版，取V、L、T、Y、X模版灰色区域的子集，增加8种颜色模版，命名为I2、I3、I4、I5和Y2、Y3、Y4、Y5，见图5。其中Y和Y2～Y5模版的大灰色区域弧长减少五分之一，经过扩充，现在颜色模版增加到15种，这样变化后的图像就能够尽可能地保持图像原有的风格，同时增加的模版是原来模版的子集，变化之后的图像还是和谐的。图4(c)示出床上用品图像经过扩充之后的色彩和谐变化结果，和原图像4(a)的色彩风格基本能保持一致。图5扩充的和谐模版Fig.5Extendedharmonytemplates假设床上用品色彩风格方案为(m，a)，定义和谐模版(m，a)和参考图像Ir之间的颜色距离F(Ir，(m，a))［14］为:本文中S值在这里不做考虑，放到色彩风格转移完成之后进行整体调整。为尽可能地保持图片的原有风格，对于图像中面积较大的颜色不能丢弃，一定要出现在色彩和谐模版中，因此增加一个变量R(p)，式(5)则变为式(6)中m∈{i，V，L，l，I2～I5，T，Y，Y2～Y5，X，N}，H为色调，a是和谐模版灰色区域沿顺时针方向离0度的弧长，只要确定了m和a值就可确定参考图像Ir的和谐色彩方案，所以F(Ir，(m，a))函数是寻找一个能量最小F使床上用品图像颜色最和谐。||H(p)－ETm(a)(p)||代表参考图像的像素H值与和谐模版灰色区域的弧长距离绝对值，只要是落在和谐模版灰色区域内的H值，色彩距离为0。R(p)表示参考图像的像素所在色块在图像中占的像素的比值，如图6(a)源图像的颜色条中第1个色块(浅黄色的色块)在图像中所占的像素最多，比值最大，则图像中浅黄色的像素点的R(p)就大，这样就能保证图像中主要颜色都能传递到目标图像中。图6色彩和谐床上用品风格转移结果Fig.6Bedclothescolortransferresultbasedcolorharmony.(a)Sourceimage;(b)Referenceimage;(c)ColortransferresultbeforeS，Vvaluesadjustment;(d)ColortransferresultafterS，Vvaluesadjustment3.2颜色传递经过上一部分的图像和谐处理，确定了图像的色彩块能量最小的和谐色模版的m和a值，接下来要将参考图像的前景颜色传递到源图像前景中，也就是让源图像前景的每一像素点颜色都落在由参考图像计算出来的和谐色彩模版的灰色区域内。在颜色传递中，为避免颜色简单地从和谐模版到目标图像的线性转移，采用标准高斯分布函数来实现颜色正态转移，使得颜色能够向和谐模版灰色区域集中，定义色彩传递函数:式(7)中:H(It)是目标图像的H值;C(Ir)是参考图像和谐模版灰色区域的中心像素点的H值;ω是参考图像和谐模版灰色区域的圆弧长度，高斯分布函数的σ值取值为ω的二分之一，σ越小，颜色分布越集中在和谐模版灰色区域C(Ir)附近，σ越大，颜色分布越往灰色区域的边界靠近。经过上述颜色传递之后，目标图像的每一像素的H值都落在了和谐模版灰色区域内，并且由于高斯函数的约束，H值都收敛到和谐模版灰色区域C(Ir)，实现了目标图像的单调性和一致性，最终实现颜色和谐传递。3.3目标图像的S和V值调整将和谐变化之后的前景图像和背景图像融合得到的图像H值已经和参考图像相似，但是S和V值还是有一定的差异。图6(a)示出来自文献［15］的宝相花床上用品图像，图6(b)示出家纺网的获奖床上用品图像，图6(c)示出经过色彩风格转移之后的变化结果，和参考图像在颜色饱和度和亮度方面还存在一定的差异，导致图像整体风格还有区别，所以还要对目标图像的S和V值进行调整，定义公式为:4实验结果分析用户打开要处理的床上用品源图像，根据需要选择参考图片的床上用品主色调，床上用品色彩风格语义，这样就可得到若干张参考图像，选择其中的1张，得到参考图片，将参考图片的前景背景颜色分别转移到源图片中就可得到目标图像。图7示出某家纺企业提供的“诗情画意”系列床上用品色彩风格变化结果1。图7(a)是源图像，7(b)是参考图像，7(c)是使用文献［6］方法转移的结果，7(d)是使用本文方法变化的结果。从图7变化结果可看出，2种方法的变化结果总体都和参考图像的风格比较一致，但在细节上，使用文献［6］方法转移的目标图像中黄色花瓣的颜色并没有被转移，还是源图像中的黄色，叶子的颜色也比较深，和目标图像的颜色有一定的差距，而使用本文方法转移的目标图像和参考图像上的色彩都比较接近，没有很明显H值的差异，这是因为源图像前景的所有颜色都被映射到参考图像和谐模版的灰色区域内。图7“诗情画意”床上用品色彩风格变化结果1Fig.7BedclothescolortransferresultⅠofpoeticandpictorialsplendor.(a)Sourceimage;(b)Referenceimage;(c)Colortransferresultbyreference［6］;(d)Colortransferresultbypaper图8示出“诗情画意”床上用品色彩网格变化结果2。图中使用文献［6］方法进行风格转移的目标图像8(c)整体的颜色风格和参考图像8(b)差异比较大，目标图像花的颜色和背景都往红色色调转移，而实际上目标图像的背景应该是参考图像中背景的浅灰绿色，而且花的颜色和目标图像中的颜色差异较大。使用本文方法进行色彩风格转移比较成功，目标图像和参考图像中花的颜色相似，叶子和背景的颜色也比较类似，较为成功地将参考图像的色彩风格转移到了目标图像。图8“诗情画意”床上用品色彩风格变化结果2Fig.8BedclothescolortransferresultⅡofpoeticandpictorialsplendor.(a)Sourceimage;(b)Referenceimage;(c)Colortransferresultbyreference［6］;(d)Colortransferresultbypaper图9所示的2种方法图像变化结果和图8类似。图9“诗情画意”床上用品色彩风格变化结果3Fig.9BedclothestransferresultⅢofpoeticandpictorialsplendor.(a)Sourceimage;(b)Referenceimage;(c)Colortransferresultbyreference［6］;(d)Colortransferresultbythepaper图10示出某家纺企业提供的“天籁”床上用品色彩风格变化结果。图中源图像整体颜色偏暗，经过本文方法的风格转移后，参考图像中比较鲜亮的颜色风格成功地转移到了目标图像中，花的颜色是鲜红色，整体风格比较亮丽活泼。图10“天籁”床上用品色彩风格变化结果Fig.10Bedclothescolortransferresultofteana.(a)Sourceimage;(b)Referenceimages;(c)Targetimages5结语本文提出了一种基于色彩和谐的床上用品风格转移的方法，构建基于“主色调+描述语义”的床上用品图像数据库，根据用户的需求在数据库中搜索参考图像，采用扩充的色彩和谐模版作为色彩和谐评价依据，实现源图像前景颜色的正态变化，使用方差和均值调整前景背景融合之后的目标图像S和V值，最终得到和参考图像风格一致的目标图像，这种交互式的床上用品图像色彩设计辅助方法降低了床上用品设计人员对专业知识和反复试验的依赖，缩短了产品研发周期，提高了产品研发效率。本文方法存在以下缺陷:第一，没有考虑图像纹理的因素;第二，当参考图像颜色丰富，而源图像的颜色相对比较单一的时候，参考图像的颜色传递到目标图像颜色会比较单一;第三，当前景背景颜色比较接近的话，前景背景分割不完整，颜色风格转移结果就会不理想。针对以上问题，后续的研究将从以下方面展开:第一，图像纹理主要与饱和度和亮度相关，在色彩传递中增加这2个分量;第二，对色彩单一的源图像进行预处理，使之与参考图像颜色数接近;第三，对于前景背景颜色比较接近的源图像，进行整体色彩转移，不进行前景背景分割。［1］杨鹏.风格转移驱动的产品色彩方案设计技术研究［D］.杭州:浙江大学，2013:1－30.YANGPeng.Researchonthedesigntechnologyofproductcolorschemedrivenbystyletransfer［D］.Hangzhou:ZhejiangUniversity，2013:1－30.［2］MOONP，SPENCERD.Geometricformulationofclassicalcolorharmony［J］.JournaloftheOpticalSocietyofAmerica，1944，34(1):4－17.［3］OSTWALDW，BIRRENF.TheColorPrimer:ABasicTreatiseontheColorSystemofWilhelmOstwald［M］.NewYork:VanNostrandReinholdCompany，1969:3－60.［4］ITTENJ.TheArtofColor:theSubjectiveExperienceandObjectiveRationaleofColor［M］.NewYork:VanNostrandReinholdCompany，1973:4－50.［5］TOKUMARUM，MURANAKAN，IMANISHIS.Colordesignsupportsystemconsideringcolorharmony［C］//Proceedingsofthe2002IEEEInternationalConferenceonFuzzySystems，Honolulu，HI.USA:IEEE，2002:378－383.［6］REINHARDE，ASHIKHMINM，GOOCHB，etal.Colortransferbetweenimages［J］.IEEEComputerGraphicsandApplications，2001，21(5):34－41.［7］TSAIH，CHOUJ.Automaticdesignsupportandimageevaluationoftwo-colouredproductsusingcolourassociationandcolourharmonyscalesandgeneticalgorithm［J］.Computer-AidedDesign，2007，39(9):818－828.［8］WANGB，YUY，WONGT，etal.Data-drivenimagecolorthemeenhancement［J］.ACMTransGraph，2010，29(6):1－10.［9］OULC，LUOMR，WOODCOCKA，etal.Astudyofcolouremotionandcolourpreference.partI:colouremotionsforsinglecolours［J］.