床上用品色彩風格輔助設計

馬云芳，宋明黎，卜佳俊

(1.臺州職業技術學院電氣信息學院，浙江臺州 318000;2.浙江大學計算機科學與技術學院，浙江杭州 310027)

和諧的色彩搭配是一款床上用品能否贏得市場青睞的關鍵因素之一。目前，床上用品色彩風格設計主流方法［1］是由經驗豐富的產品設計者依靠其個人的藝術美感和豐富的從業經驗搭配出色彩方案，這種方法主要由設計者的從業經驗、個人喜好決定，在產品風格多樣化、創新速度要求快速化的時代，這種設計方法耗時耗力，不能有效地滿足產品快速設計生產、搶占市場的目的，但是借助于計算機圖像輔助技術，設計者可參考已有的一幅圖像，將該圖像的色彩搭配方案和諧轉移到目標圖像，實現產品風格多樣化的快速設計，本文對床上用品色彩風格輔助設計展開研究。

1 相關工作

色彩和諧是指多種顏色有秩序協調地組織在一起，帶給人美的感覺，如何設計出和諧的色彩方案一直是設計和科研人員關注并致力于解決的問題。MOON等［2］首先提出了以秩序為核心的色彩和諧局部理論，將色彩調和關系分成垂直、內面調和等7種。OSTWALD等［3］提出了相似顏色和諧量化描述。ITTEN［4］對不同色調在紅黃藍調色盤上的位置給出了定量說明，提出了基于色調的顏色協調理論，并在應用領域得到了廣泛使用。TOKUMARU等［5］將色彩和諧分為基于色調的和諧和基于飽和度、亮度的和諧，在HSV顏色空間依據圖像H分量的分布情況建立色彩和諧模版，該模版共有8種類型，如圖1所示。圖中類型i、V、T是相似顏色和諧模版，類型I、Y、X是互補顏色和諧模版，類型L則是混合顏色模版，類型N是灰度圖像的和諧模版，圖像的所有顏色只要落在和諧模版的灰色區域內，TOKUMARU就認為圖像顏色是和諧的。

圖1 色彩和諧模版Fig.1 Color harmony templates

基于色彩轉移的產品風格設計起源于20世紀80年代的黑白電影的彩色化處理，最具代表意義的是REINHARD等［6］提出的方法，該方法利用色彩空間轉換，在LAB顏色空間使用均值和標準差等統計信息對圖像顏色進行校正，使得目標圖像各個通道均值、方差與參考圖像具有相同的分布從而實現參考圖像到目標圖像的色彩風格轉移。之后，TSAI等［7］使用灰色理論、孟賽爾色彩調和理論和遺傳算法開發了色彩設計支持系統，能夠幫助設計師模擬雙色產品配色和搜索滿足外觀需求的兩色配色組合。WANG等［8］將OU等［9］的方法應用到基于顏色傳遞的著色方法中，提出一種根據配色模板增強圖像視覺主題的方法。劉炯宙等［10］提出了以色彩語義為驅動、交互式遺傳算法為操作手段的產品配色設計方法。

這些應用都在相應的領域為工業產品的色彩方案設計提供了幫助，降低了產品開發周期，提高了效率，但是大部分的應用中沒有考慮色彩和諧的因素，而如何選擇和諧的色彩搭配不是一件容易的事情，這正是大部分設計人員迫切需要計算機提供幫助的地方;再者，在現有的文獻中沒有專門關于床上用品色彩方案輔助設計的方法，因此，本文將以擴展的色彩和諧模版作為和諧評價的依據展開床上用品風格的輔助設計研究，將參考圖像的顏色轉移到源圖像中，得到目標圖像，最終實現床上用品圖像的色彩風格轉移。主要解決2個問題:一是床上用品色彩風格數據庫的構建;二是參考圖像色彩風格如何轉移到源圖像從而得到目標圖像。具體流程圖見圖2。

2 床上用品圖像色彩風格數據庫構建

色彩風格研究目的是要在設計者和使用者之間建立溝通的橋梁，改變設計者從藝術角度關心產品設計中“美”的準則的應用，而消費者則關注色彩感覺，二者之間沒有一條有效溝通渠道的現狀［11］。本文中床上用品色彩風格數據庫的構建，主要考慮主色調和床上用品色彩描述語義2個方面。

2.1 床上用品主色調確定

對于主色調(冷暖感)，文獻［12］研究了國內家紡品牌的設計風格、市場現狀和消費者心理，將家紡設計主流風格分為簡約設計風格、田園設計風格、卡通設計風格、混搭設計風格、歐式古典設計風格、中式設計風格、美式設計風格、異國風情設計風格8種。在淘寶網、當當網、京東商城等綜合購物網站搜索床上用品風格類型，主要有地中海風格、中式古典風格、美式鄉村風格、韓版田園風格、粉色田園風格、東南亞風格、現代簡約風格、卡通風格等。從應用實際出發，考慮到有些風格顏色種類較多，主色調很難確定，像混搭設計風格，有些風格類型則主要由圖案決定的，像卡通風格，因此本文主要討論地中海風格、中式古典風、美式鄉村風格、韓版田園風格、東南亞風格、現代簡約風格6種。

圖2 色彩和諧的床上用品風格交互式輔助設計流程Fig.2 Bed clothes style interactive computer aided design process based color harmony

床上用品主色調主要由HSV色彩空間的H分值決定(HSV色彩空間是根據顏色的直觀特性創建的一種顏色空間，其參數分別是色調H，飽和度S，亮度V)，H取值范圍為0～360，使用精確數學難以確定床上用品的主色調，比如中式古典風格和東南亞風格的主色調就沒有明確的界限，人們很難說明金黃色一定是屬于中式古典風格的床上用品還是東南亞風格的床上用品，2種風格的主色調都有可能是金黃色，因此本文采用K-means算法和模糊隸屬函數來計算床上用品主色調的類型。算法如下:1)計算床上用品圖像的H分量直方圖，對直方圖做一維平滑濾波，分析直方圖局部特征，設定H分量直方圖最小的波峰距離，計算出H通道的直方圖中波峰個數，得到床上用品圖像中顏色數目，即確定色彩特征提取的顏色數目;2)將圖像的H值和顏色特征聚類數目作為輸入進行顏色分類;3)求取圖像H矩陣向量的最小H值，計算向量元素總數目，確定初始聚類中心;4)計算圖像向量中每個分量與所有聚類中心的距離，找到圖像向量中每個分量與聚類中心距離中最短的那一個聚類中心，記錄圖像向量中每個分量所屬的分類號;5)找到圖像向量中所有屬于第i類的分量，更新第i類的聚類中心，直至聚類中心不再變化，聚類結束;6)計算每個像素屬于類別的矩陣，返回，得到類顏色聚類的Hi、Si、Vi值及其像素點數Pi;7)計算床上用品圖像第i類的Hi、Si、Vi均值 HMi、SMi、VMi;8)定義論域 U 為床上用品風格［0，360］，通過主成分分析方法(SD)得出6種床上用品風格(中式古典風格、東南亞風格、美式鄉村風格、韓版田園風格、現代簡約風格、地中海風格)的模糊子集，使用模糊隸屬函數對床上用品圖像進行分類，確定床上用品的主色調。

2.2 床上用品色彩描述語義確定

在實際應用中，人們習慣使用“時尚的”“喜慶的”“雅致的”等形容詞來描述由顏色引發的感官效果。對于床上用品色彩描述語義的確定，本文首先從藝術類和設計類的書籍、網絡、期刊、雜志中選擇60個可描述床上用品色彩感覺的形容詞，請經過一定訓練的藝術學院和設計專業的學生和教師共計20人對這些形容詞進行篩選，選出適合描述床上用品的，符合東方人審美感覺的30個形容詞。然后在淘寶網、百度圖片、家紡設計網選擇各種風格的床上用品圖片各20張，共計120張圖片，將這些圖片全部混合作為樣本，給受測者講解6種床上用品風格的特點、來源，請受測者對120張圖片按6種風格進行分類，這樣色彩描述語義形容詞也就相應地歸到了不同的床上用品分類中，得出了床上用品顏色風格為“主色調+床上用品色彩描述語義”，例如中式古典風主色調為紅色、金黃色、藍色，色彩描述語義為華麗的、喜慶的、高貴的、雅致的、寫意的5種。不同色彩風格床上用品的主色調、對應的H值范圍以及描述語義具體見表1。

色彩除了上述的冷暖感(主色調)外，還有濃淡感、明暗感、素艷感和輕重感［13］，這些感覺主要由S和V分量確定。對于這些色彩感的確定，本文同樣請20個經過訓練的受測者對色彩語義描述形容詞進行分類，最后將30個形容詞分別歸到濃淡感、明暗感、素艷感和輕重感4種分類中，接著選擇4類典型的床上用品圖像計算其S和V值，按照S和V值大小進行排序，就得到濃淡感、明暗感、素艷感和輕重感4類語義描述形容詞從大到小的排序分類，具體見表2。

表1 床上用品色彩風格及描述語義Tab.1 Color style of bed clothes and description semantics

表2 床上用品描述語義排序Tab.2 Description semantics sorting of bed clothes

色彩的濃淡感主要由HSV色彩空間的S分量決定，根據本文分類，將床上用品的濃淡程度分成9種(具體見表2)，設色彩的飽和度為Si，則色彩的濃淡類別Is定義為

式(1)中Is按照四舍五入取值，計算結果為1～9，分別對應床上用品按濃淡程度分的9個描述語義，假設Is大于0小于0.5，Is取值為1，下文中其他幾種類別也做類似處理。

色彩的明暗感主要由HSV色彩空間的V分量決定，床上用品按明暗程度分成5種，設色彩的亮度分量為Vi，則色彩的明暗類別Iv定義為

色彩的素艷感主要與飽和度相關，飽和度高的會產生鮮艷、華麗的感覺，亮度高的色彩比起亮度低的色彩顯得更為華麗，本文床上用品按素艷程度分為7種，選擇S和V作為控制色彩素艷感參數，考慮到飽和度、亮度過低，色彩變得黯淡，并且與明暗感的部分顏色相似，所以S和V變換區間沒有選擇飽和度和亮度的所有取值，且亮度的變化幅度小于飽和度，因此定義素艷類別Iy為

色彩的輕重感主要由亮度決定，高亮度的色彩感覺輕，低亮度的色彩感覺重，本文床上用品按輕重程度分為9種，定義輕重類別Iw為

根據上述定義，可得到6種不同風格床上用品的各種描述意義的色彩風格數據庫，圖3為使用上述方法計算出來的中式古典風格各種描述語義所對應的床上用品圖片。

3 圖像色彩風格轉移

床上用品的風格轉移分為2部分:一是前景顏色優化轉移;二是背景顏色轉移。首先采用交互式分割方式實現床上用品圖像前景背景分割，由用戶選擇床上用品圖像背景的若干個像素點，計算像素點鄰域的R、G、B各分值均值(RGB色彩模式是工業界的一種顏色標準，通過紅R、綠G、藍B 3個顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的顏色)，設置顏色聚類球體半徑值，實現前景背景分割，前景背景分割效果可參見圖2。背景顏色的轉移是將源圖像的背景顏色用參考圖像的背景顏色替換得到的。

3.1 參考圖像顏色風格的提取和優化

對于前景優化轉移首先是找到與參考圖像色彩最匹配的和諧模版，按照文獻［14］的方法，有一部分和諧變化后的圖像與原圖像風格相距較遠，如圖4(a)中的床上用品圖像經過色彩和諧之后變成了圖4(b)，圖像中的葉子顏色和背景都發生了很大的變化，究其原因是因為圖4(a)的圖像經過計算得到的和諧模版類型是T，旋轉的角度為248.6°(順時針方向)，從圖1可看出T類型的和諧模版灰色區域為半個圓，H變化范圍較大，這樣圖4(a)葉子的顏色在色彩轉移的過程中就選擇了距離較近的紅色，而不是黃色，因此需要對圖1中的和諧模版進行修改擴充。

圖3 中式古典風格床上用品圖像及顏色和色彩語義Fig.3 Chinese classical style bed clothes images and color bar and color description semantics.(a)Gorgeous;(b)Joyous;(c)Noble;(d)Elegant;(e)Comfortable

圖4 床上用品參考圖像和諧變換Fig.4 Harmonized result of bed clothes reference image.(a)Reference image;(b)Harmonized result before harmony templates to expand;(c)Harmonized result after harmony templates to expand

對床上用品圖像顏色風格數據庫中的所有圖像進行和諧變化，分析和原圖像差異較大的圖像，參照色彩和諧I和 Y模版，取 V、L、T、Y、X模版灰色區域的子集，增加8 種顏色模版，命名為 I2、I3、I4、I5和Y2、Y3、Y4、Y5，見圖 5。其中 Y 和 Y2～ Y5模版的大灰色區域弧長減少五分之一，經過擴充，現在顏色模版增加到15種，這樣變化后的圖像就能夠盡可能地保持圖像原有的風格，同時增加的模版是原來模版的子集，變化之后的圖像還是和諧的。圖4(c)示出床上用品圖像經過擴充之后的色彩和諧變化結果，和原圖像4(a)的色彩風格基本能保持一致。

圖5 擴充的和諧模版Fig.5 Extended harmony templates

假設床上用品色彩風格方案為(m，a)，定義和諧模版(m，a)和參考圖像Ir之間的顏色距離F(Ir，(m，a))［14］為:

本文中S值在這里不做考慮，放到色彩風格轉移完成之后進行整體調整。為盡可能地保持圖片的原有風格，對于圖像中面積較大的顏色不能丟棄，一定要出現在色彩和諧模版中，因此增加一個變量R(p)，式(5)則變為

式(6)中 m∈{i，V，L，l，I2～ I5，T，Y，Y2～ Y5，X，N}，H為色調，a是和諧模版灰色區域沿順時針方向離0度的弧長，只要確定了m和a值就可確定參考圖像Ir的和諧色彩方案，所以F(Ir，(m，a))函數是尋找一個能量最小F使床上用品圖像顏色最和諧。||H(p)－ETm(a)(p)||代表參考圖像的像素H值與和諧模版灰色區域的弧長距離絕對值，只要是落在和諧模版灰色區域內的H值，色彩距離為0。R(p)表示參考圖像的像素所在色塊在圖像中占的像素的比值，如圖6(a)源圖像的顏色條中第1個色塊(淺黃色的色塊)在圖像中所占的像素最多，比值最大，則圖像中淺黃色的像素點的R(p)就大，這樣就能保證圖像中主要顏色都能傳遞到目標圖像中。

圖6 色彩和諧床上用品風格轉移結果Fig.6 Bed clothes color transfer result based color harmony.(a)Source image;(b)Reference image;(c)Color transfer result before S，V values adjustment;(d)Color transfer result after S，V values adjustment

3.2 顏色傳遞

經過上一部分的圖像和諧處理，確定了圖像的色彩塊能量最小的和諧色模版的m和a值，接下來要將參考圖像的前景顏色傳遞到源圖像前景中，也就是讓源圖像前景的每一像素點顏色都落在由參考圖像計算出來的和諧色彩模版的灰色區域內。在顏色傳遞中，為避免顏色簡單地從和諧模版到目標圖像的線性轉移，采用標準高斯分布函數來實現顏色正態轉移，使得顏色能夠向和諧模版灰色區域集中，定義色彩傳遞函數:

式(7)中:H(It)是目標圖像的H值;C(Ir)是參考圖像和諧模版灰色區域的中心像素點的H值;ω是參考圖像和諧模版灰色區域的圓弧長度，高斯分布函數的σ值取值為ω的二分之一，σ越小，顏色分布越集中在和諧模版灰色區域C(Ir)附近，σ越大，顏色分布越往灰色區域的邊界靠近。經過上述顏色傳遞之后，目標圖像的每一像素的H值都落在了和諧模版灰色區域內，并且由于高斯函數的約束，H值都收斂到和諧模版灰色區域C(Ir)，實現了目標圖像的單調性和一致性，最終實現顏色和諧傳遞。

3.3 目標圖像的S和V值調整

將和諧變化之后的前景圖像和背景圖像融合得到的圖像H值已經和參考圖像相似，但是S和V值還是有一定的差異。圖6(a)示出來自文獻［15］的寶相花床上用品圖像，圖6(b)示出家紡網的獲獎床上用品圖像，圖6(c)示出經過色彩風格轉移之后的變化結果，和參考圖像在顏色飽和度和亮度方面還存在一定的差異，導致圖像整體風格還有區別，所以還要對目標圖像的S和V值進行調整，定義公式為:

4 實驗結果分析

用戶打開要處理的床上用品源圖像，根據需要選擇參考圖片的床上用品主色調，床上用品色彩風格語義，這樣就可得到若干張參考圖像，選擇其中的1張，得到參考圖片，將參考圖片的前景背景顏色分別轉移到源圖片中就可得到目標圖像。

圖7示出某家紡企業提供的“詩情畫意”系列床上用品色彩風格變化結果1。圖7(a)是源圖像，7(b)是參考圖像，7(c)是使用文獻［6］方法轉移的結果，7(d)是使用本文方法變化的結果。從圖7變化結果可看出，2種方法的變化結果總體都和參考圖像的風格比較一致，但在細節上，使用文獻［6］方法轉移的目標圖像中黃色花瓣的顏色并沒有被轉移，還是源圖像中的黃色，葉子的顏色也比較深，和目標圖像的顏色有一定的差距，而使用本文方法轉移的目標圖像和參考圖像上的色彩都比較接近，沒有很明顯H值的差異，這是因為源圖像前景的所有顏色都被映射到參考圖像和諧模版的灰色區域內。

圖7 “詩情畫意”床上用品色彩風格變化結果1Fig.7 Bed clothes color transfer resultⅠ of poetic and pictorial splendor.(a)Source image;(b)Reference image;(c)Color transfer result by reference［6］;(d)Color transfer result by paper

圖8示出“詩情畫意”床上用品色彩網格變化結果2。圖中使用文獻［6］方法進行風格轉移的目標圖像8(c)整體的顏色風格和參考圖像8(b)差異比較大，目標圖像花的顏色和背景都往紅色色調轉移，而實際上目標圖像的背景應該是參考圖像中背景的淺灰綠色，而且花的顏色和目標圖像中的顏色差異較大。使用本文方法進行色彩風格轉移比較成功，目標圖像和參考圖像中花的顏色相似，葉子和背景的顏色也比較類似，較為成功地將參考圖像的色彩風格轉移到了目標圖像。

圖8 “詩情畫意”床上用品色彩風格變化結果2Fig.8 Bed clothes color transfer resultⅡ of poetic and pictorial splendor.(a)Source image;(b)Reference image;(c)Color transfer result by reference［6］;(d)Color transfer result by paper

圖9所示的2種方法圖像變化結果和圖8類似。

圖9 “詩情畫意”床上用品色彩風格變化結果3Fig.9 Bed clothes transfer resultⅢ of poetic and pictorial splendor.(a)Source image;(b)Reference image;(c)Color transfer result by reference［6］;(d)Color transfer result by the paper

圖10示出某家紡企業提供的“天籟”床上用品色彩風格變化結果。圖中源圖像整體顏色偏暗，經過本文方法的風格轉移后，參考圖像中比較鮮亮的顏色風格成功地轉移到了目標圖像中，花的顏色是鮮紅色，整體風格比較亮麗活潑。

圖10 “天籟”床上用品色彩風格變化結果Fig.10 Bed clothes color transfer result of teana.(a)Source image;(b)Reference images;(c)Target images

5 結語

本文提出了一種基于色彩和諧的床上用品風格轉移的方法，構建基于“主色調+描述語義”的床上用品圖像數據庫，根據用戶的需求在數據庫中搜索參考圖像，采用擴充的色彩和諧模版作為色彩和諧評價依據，實現源圖像前景顏色的正態變化，使用方差和均值調整前景背景融合之后的目標圖像S和V值，最終得到和參考圖像風格一致的目標圖像，這種交互式的床上用品圖像色彩設計輔助方法降低了床上用品設計人員對專業知識和反復試驗的依賴，縮短了產品研發周期，提高了產品研發效率。

本文方法存在以下缺陷:第一，沒有考慮圖像紋理的因素;第二，當參考圖像顏色豐富，而源圖像的顏色相對比較單一的時候，參考圖像的顏色傳遞到目標圖像顏色會比較單一;第三，當前景背景顏色比較接近的話，前景背景分割不完整，顏色風格轉移結果就會不理想。針對以上問題，后續的研究將從以下方面展開:第一，圖像紋理主要與飽和度和亮度相關，在色彩傳遞中增加這2個分量;第二，對色彩單一的源圖像進行預處理，使之與參考圖像顏色數接近;第三，對于前景背景顏色比較接近的源圖像，進行整體色彩轉移，不進行前景背景分割。

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